Frage von nachtstrom, 51

Immernoch keiner da der mir sagen kann wie Wärmestrahlung, also nicht das linienspektrum auf atomarer Ebene, also Quantenmechanisch entsteht?

Wie gesagt mich würde interessieren wie die Wärmestrahlung, die jeder Körper abstrahlt auf der Ebene der Atome und Elektronen, also Quantenmechanisch entsteht. So genau wie möglich! Danke!

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von mattkrieger, 20

Hallo Nachtstrom,

leider ist Deine Frage recht komplex wenn Du nicht Physik studiert hast (was ich annehmen muss aufgrund der Frage, sorry ich will nicht überheblich sein, aber es ist offensichtlich)

Deshalb hier ein Versuch die Antwort zu strukturieren:

Es handelt sich um zwei unterschiedliche Fragen die am Ende nur quantenmechanisch beantwortet werden können, aber historisch war die Untersuchung der Wärmestrahlung extrem interessant weil eben damals die Quantenmechanik noch nicht etabliert war.

Erste Frage: weshalb strahlt ein Festkörper im Gegensatz zu Atomen keine Spektrallinien sondern ein breitbandiges Spektrum aus? Antwort: wenn ein Festkörper entsteht durch Annäherung von Atomen, überlappen die elektronischen Energieniveaus zu sogenannten Bändern welche ein grosses Frequenzspektrum kontinuierlich abdecken. Zwischen diesen Bändern sind viele optische übergänge anregbar die durch Wechselwirkung mit Strahlung (Emission und Absorption) breitbanding auftreten und deshalb im thermischen Gleichgewicht ein kontinuierliches Strahlungsspektrum ermöglichen. In der Praxis ist das wesentlich komplizierter da normale Objekte keine idealen Schwarzköperstrahler (Licht wird in jeder Frequenz ideal absorbiert und auch wieder emittiert im Gleichgewicht, keine Transparenz und keine Reflexion) sind und deshalb das thermische Emissionsspektrum kompliziert aussieht. Der Grund dass breitbandig emittiert wird liegt in der Bandstruktur von Festkörpern die eben nicht scharfe  Spektrallinien sind! Soweit klar?

Zweite Frage: weshalb braucht es ein quantenmechanisches Modell um die thermische Strahlung zu erklären? Das ist eine viel trickigere Frage die viele Physiker anfang 20.Jh. intensiv beschäftigt hat. In der Berechnung des idealen Schwarzköperspektrums geht man von einem ideal absorbierenden (schwarzen) Körper auf homogener Temperatur T aus der im Strahlungsgleichgewicht mit seiner unendlichen Umgebung ist. Bei endlicher Temperatur weiss man empirisch dass ein Körper Wärmestrahlung abgibt, aber mit welcher spektraler Verteilung? Man nimmt an dass jede Wellenlänge (resp. Frequenz) des ganzen EM Spektrums im thermischen Gleichgewicht gleich viel Energie pro Mode aufnimmt (kT, k= Boltzmann konstante) Alle EM Moden des Vakuums im unendlichen sind stehende Wellen die das ganze Frequenzspektrum unendlich dicht füllen und gleichmässig besetzt werden. in drei Dimensionen ergibt sich daraus eine sogenannte spektrale Energiedichte des Feldes der thermischen Strahlung, die steht im Gleichgewicht mit dem Körper auf Temperatur T. Wenn nun das Integral berechnet wird über alle Frequenzen ergibt sich in klassischer Physik die sogennante UV Katastrophe: bei hohen Frequenzen divergiert das  Integral, der Körper hätte theoretisch eine unendliche Strahlungsenergie, was natürlich klar nicht der Natur entspricht.

Erst Max Planck gelang es diesen  Widerspruch zu lösen indem er einen mathematischen Kniff einführte in der Besetzung der  Statistik des Strahlungsfeldes, und ohne zu wissen was er tat hat er damit indirekt das Planck'sche Wirkungsquantum h erfunden. (Logisch dass der Name erst nach Würdigung der Genialität viel später zugewiesen wurde)

Die korrekte Interpretation des Strahlungsfeldes lautet: ein Körper auf endlicher Temperatur T ist im thermischen Gleichgewicht mit dem Vakuum mit allen (unendlich dicht vorhandenen) Frequenzen des elektromagnetischen Feldes. Die Energie dieses Feldes ist zwar unendlich dicht auf alle Frequenzen verteilt, kann aber NUR in diskreten Einheiten (sogenannten Energiequanten , oder Photonen) zählbar einzeln vom Körper absorbiert oder emittiert werden. Diese diskrete (also quantenmechanische) Natur des Emissionsprozesses über ein kontinuierliches Spektrum ist die korrekte  Beschreibung der Natur und liefert anschliessend das exakte Frequenzspektrum des Planck'schen Schwarzkörpers. Für die allg. theoretische Herleitung müsstest Du wohl Physik studieren oder die Lehrbücher zu Thermodynamik studieren auch Wikipedia gibt einen guten Einblick, allerdings ohne detailliierte Herleitung.

N.B.ergänzend: ein Körper auf endlicher Temperatur (nicht 0 K) ist eben genau dadurch charakterisiert, dass er thermisch strahlt also elektromagnetische Strahlung abgibt. Die Mikrowellenstrahlung des Universums ist als thermische Echostrahlung des Big  Bangs bekannt, aber nur ca 4K, also extrem kalt, ist aber auch schon sehr lange her, weshalb sich das Universumg extrem abgekühlt hat.

Gruss, Matthias

Kommentar von nachtstrom ,

Genau was ich gebraucht hab. Am wichtigsten war mir eh frage 1 danke für die ausführliche Antwort. Ich hab zwar nicht Physik studiert bin aber als Chemie Techniker auch naturwissenschaftlich vorgeschädigt (um das Wort"vorgebildet" zu vermeiden) . Du hast mir gesagt was ich wissen wollte, nämlich wie ein Körper abseits von orbitalsprüngen, die immer nur ein linienspektrum ergeben elektromagnetische Wellen abgeben kann. Danke! Auch dass ich die Boltzmann Konstante jetzt besser einordnen kann hilft mir sehr. Wenn du mal ne medizinische Frage hast, da bin ich richtig fit :)

Kommentar von nachtstrom ,

Außerdem ist die wohl wichtigste Aussage von dir, dass ich über  das "bändermodell" weiterkomme während mir der Begriff superposition noch sehr geläufig ist, hast du klar erkannt, dass ich an meine mathematischen Grenzen komme wenn die zur schrödinger Gleichung auch noch der Hamilton operator kommt. Naja, man lernt ja weiter...

Antwort
von Charly7, 44

Einfache Frage, einfache Antwort: Die thermische Energie wird durch Phononen dargestellt, also Bewegungsteilchen. Durch Wechselwirkung der Atome, hier Stöße, können bei passender Energie Elektronen auf eine energetisch höhere Bahn gelangen. Sie absorbieren das Phonon. Wenn sie dann wieder in den Ruhezustand gehen, emittieren sie ein Photon und voila, da wäre die Wärmestrahlung.

Kommentar von nachtstrom ,

Hüstel, hüstel, ähäm was soll denn das jetz sein. Deine Antwort ist ja meine Frage! (Und erzähl mir nicht das sie einfach zu beantworten wäre) wenn ein Elektron nach Anregung durch gitterschwingungen (nenn sie meinetwegen Phononen) wieder in den Grundzustand fällt gibt es Licht einer definierten Wellenlänge ab. So entsteht ein Linienspektrum. Ich will aber wissen wie ein "thermisches Spektrum " das eben keine Linien hat, entsteht! Weißt du das auch?

Antwort
von Yiugana, 51

Ehrlich gesagt verstehe ich schon 80% der Frage nichtmal und ich denke den meisten geht das so, deshalb bekommst du keine Antwort :-)  Vllt gehst du lieber auf ne wissenschaftsplattform die sich mit derartigen Themen beschäftigt und fragst da nach!

Kommentar von nachtstrom ,

Ich habe hier schon tolle antworten auf schwierige Quantenphänomene bekommen und ich habe schon überall da gefragt, wo man eigentlich antworten erwarten würde.

Kommentar von Yiugana ,

Haha okay gut, war nur gemutmaßt ... Weil
Ich nur an Big bang Theorie denken musste als ich die Überschrift gelesen hab und beim Text darunter hahah systemabsturz oder so!

Dann noch viel Glück bei deiner Suche nach einer Antwort!

Kommentar von ThomasJNewton ,

Beim Lesen oder Zuhören sollte man aber das Denken solange ruhen lassen, bis man die Frage verstanden und ausreichend gewürdigt hat.
Das Reden und Schreiben erst recht.

Und das ist nicht allzu persönlich gemeint. Die Ruhe geht den meisten hierzulande und heutzutage ab.
Man meint, immer etwas tun oder sagen zu müssen.
Muss man aber nicht.

Kommentar von Yiugana ,

Ohje ich wollte deine Frage nicht mit unzureichender Huldigung beleidigen! So und nun behellige ich dich nicht weiter und wünsche dir trotzdem einen schönen Abend!  lol

Antwort
von ThomasJNewton, 39

Nun ja, es bringt nicht unbedingt viel, wenn du nach wenigen Tagen eine Frage erneut einstellst.

BIs auf ein paar omnipräsente Universaldilletanten wie mich, ein paar ständig präsente unzweifelhafte Experten, einige Irrlichter, die man nicht kennt, und die man nach einer unfassbar guten Antworten solange nicht wiedertrifft, bis man den Namen vergessen hat, gibt es manchmal auch den einen.

Den einen, der deine Frage beantworten kann. Aber grad im Urlaub ist, oder seine Flamme in Süddeutschland besucht, oder Vater wird, oder ... egal, jedenfalls nicht jeden Tag hier ist.

Und ich habe mindestens ebensoviel Ehrgeiz in der Frage wie du, wurde ich doch des unbelehrbaren Beharrens auf einer falschen Meinung bezichtigt.
Aber die Frage ist wohl wirklich sehr schwer zu beantworten.
Ich habe bislang (in Tagen!) teils nur rausgefunden, was ich schon wusste, dass Eis (und Wassser) im mittleren IR schwarz ist.
Dazu, dass Metalle eher sehr hell sind.
Und dass Steine und Böden da stark variieren, wohl abhängig vom Gehalt an Wasser oder OH-Ionen. Das ist dann Bodenchemie, und ± wässrig.
Und das Pflanzen sehr kompliziert sind, oder dass man nur sehr speziell darauf schaut, wegen der Erträge.
Was darauf hindeutet, dass es eben Schwingungszustände in Molekülen oder molekülähnlichen Gruppen sind.

Die Energie der Photonen entspricht dem Energieunterschied zwischen Schwingungszuständen, und die hängen vom Material ab.
Viel genauer wirst du es wohl ohne Studium der Quantenelektrodynamik nicht verstehen können.

Und da ist auch das Suchen am Ende. Such mal nach "Nicht ideales Gas".
99 % der Treffer führen zum - genau - idealen Gas.

Kommentar von nachtstrom ,

U See my Problem...

Kommentar von nachtstrom ,

Nun ja, was es bringt: Hoffnung 

Kommentar von nachtstrom ,

Als ob es ein regierungsgeheimnis wär

Kommentar von nachtstrom ,

Hast du schon die neueste Antwort auf meine Frage mit dem thermischen Spektrum gesehen? Genial! Er Benutzung sogar tolle Worte wie Phonon!

Kommentar von ThomasJNewton ,

Ich bin mir nicht sicher, ob ich da einen ironischen Unterton raushören soll.

Der Begriff Phonon ist zwar nicht sehr bekannt, mir aber schon, allerdings eher im Zusammenhang mir dem
https://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6%C3%9Fbauer-Effekt

Und ich bin eben kein Physiker, ich kenne mich ein bisschen mit Freiheitsgraden in Gasen und der Wechselwirkung von Photonen mit Rotations- und Schwingungsübergängen aus.
Heiße Gase (wie die Oberfläche der Sonne) oder Festkörper sind Gebiete, wo ich lieber nicht sage, außer Andeutungen.
Die Schwingungen in einem Festkörper sind wahrscheinlich ähnlich delokalisiert wie die Elektronen in einem metallischen Leiter. Und so eben auch "zu jedem Niveau fähig".

Also würde ich der Phononen-Spur durchaus nachgehen. Einzig der Umweg über die Anregung eines Elektrons erscheint mir zweifelhaft.
Warum sollen IR-Photonen nicht direkt mit Phononen wechselwirken. Bei Treibhausgasen tun sie das jedenfalls direkt mit Schwingungszuständen.

Und es wäre nicht das erste Mal, dass der Fragesteller und Experten verschiedener Richtung das Problem solange einkreisen, bis die verschiedenen Ansätze einen gemeinsamen SInn ergeben.

Antwort
von FragaAntworta, 20

Die Wärmestrahlung entsteht, kurzgefasst dadurch, dass je nach Temperatur sich die Atome, und mit ihnen die Elektronen, mehr oder weniger bewegen und diese Bewegung Strahlung erzeugt. Je wärmer ein Körper ist, desto stärker werden die Elektronen beschleunigt, desto energiereicher, sprich kurzwelliger, ist die Strahlung im Schnitt.

Oder in einem Satz: Auf atomarer Ebene ist Wärmeenergie Bewegungsenergie, nämlich Bewegungsenergie der Moleküle (bzw. Atome)

Kommentar von nachtstrom ,

Du nimmst also Sprünge zwischen orbitalen komplett aus? 

Kommentar von FragaAntworta ,

Was versprichst Du Dir von den Orbitalen? Deine Frage lief doch darauf hinaus wie "Wärmestrahlung Quantenmechanisch entsteht". Soll jetzt das Thema Bindungen lauten?

Antwort
von Christianwarweg, 18

Nein, scheint nicht so.

Die Erklärung in der Wikipedia gefällt dir nicht? Nicht detailreich genug?

Kommentar von nachtstrom ,

In Wikipedianer steht ja der Satz"der genaue Mechanismen ist nicht von Bedeutung) und um diesen Mechanismus geht es mir

Kommentar von Christianwarweg ,

Ja, dann ist der Artikel in der Tat ungeeignet. Viel Erfolg noch bei der Suche.

Antwort
von Comment0815, 21

Ich kenne mich ein wenig in der Photovoltaik aus, aber nicht besonders gut mit den exakten physikalischen Vorgängen. Deshalb solltest du meine Antwort mit Vorsicht genießen und ich lasse mich auch gerne korrigieren, wenn jemand eine bessere Antwort hat oder meine Antwort als falsch erkennt. Da du deine Frage jedoch erneut eingestellt hast scheinen dir die Antworten bis jetzt noch nicht zu reichen. Vielleicht hilft dir dann ja meine Antwort. Jetzt aber endlich zu meiner Antwort:

Meines Wissens nach gibt es in Festkörpern sehr viele Zwischenzustände über die ein angeregtes Elektron wieder in seinen Ruhezustand zurückkehren kann. Da es hier also nicht wie z.B. in vielen Gasen nur wenige charakteristische "Sprünge" gibt, die sich als Linienspektrum zeigen, sondern sehr viele verschiedene Möglichkeiten für das Elektron Energie zu verlieren ergibt sich kein klares Linienspektrum, sondern ein "gemischtes" Bild aus sehr vielen Sprüngen.

Kommentar von nachtstrom ,

Ja das war die Theorie die ich auch vermutet hatte die und die ich schon beim ersten Stellen der Frage diskutiert hat. Aber ein Spektrum, dass so kontinuierlich ist, dass es 1m Regenbogen durche ein mikroskopbetrachtet gleichmäßig füllt? Ich muss es genau wissen!

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