Entiendo que la razón por la cual los objetos negros son negros es porque absorbe todos los colores. ¿A dónde va la luz absorbida? ¿Puede atrapar la luz?

Answer 1

Nota: Sería muy cuidadoso con algunas de las respuestas a continuación que dicen “la luz se aniquila” – “aniquilación” es específicamente lo que sucede cuando las partículas interactúan con su antipartícula para liberar luz, ese no es el caso aquí, o algo muy vago como “La luz no es una cantidad conservada”: considerando que la luz es una onda electromagnética con su propia energía e impulso, definitivamente ES una cantidad conservada.

Entonces, ¿qué sucede cuando la luz visible golpea objetos negros?

Tenemos que considerar que la luz es una ‘onda electromagnética transversal’ viajera (buscar boceto en google), onda TEM, y que los átomos, todos los átomos, pueden comportarse como un dipolo. Entonces, un campo eléctrico oscilante (y un campo magnético) viajará y existirá en el mismo espacio que este átomo. Ahora podemos hacer una pregunta: ¿qué le sucede a un dipolo cuando está en presencia del campo eléctrico? Se estira o encoge dependiendo de la dirección del campo. Como el campo oscila en ambas direcciones, el dipolo también oscila.

Ahora pueden suceder varias cosas:

1. El electrón puede ser expulsado (efecto fotoeléctrico), o puede moverse a un nivel de energía diferente dentro del átomo que reside (llamado absorción de un fotón) después de lo cual puede 1) volver al mismo nivel inferior emitiendo el mismo fotón de energía (llamado emisión), o 2) puede ir a un nivel que es más alto que su nivel anterior, liberando luz de menos energía fuera de nuestro rango visible de detección (llamado fluorescencia).

2. El fotón también puede renunciar a parte de su energía simplemente dispersando los electrones en el átomo (llamado dispersión de Compton) y la luz se dispersa de un átomo a otro, perdiendo partes de su energía (es decir, disminuyendo su frecuencia) hasta que se abosorbe. como un fonón, que es un cuanto de vibración reticular en un material.

3. efectos de interferencia debidos a la forma de metamateriales, como alas de mariposa, nanotubos de carbono alineados verticalmente o silicio negro. Esto también es absorción, pero se basa en la forma del material y los efectos de interferencia en lugar de la naturaleza cuántica de los átomos solos.

Por supuesto, he simplificado, porque también debemos considerar cada material sobre si es una molécula, cristal o metamaterial, y cada material puede tener una combinación única de procesos descritos anteriormente que lo hacen parecer negro.

Sí, la energía del fotón entra en las vibraciones aleatorias de los átomos, y esa energía se distribuye uniformemente a través del material con el tiempo, aumentando la temperatura del material, por lo que la gente dice que la energía de la luz se convierte en parte de la energía térmica. o los movimientos aleatorios colectivos de los átomos del sistema. El material a menudo irradia energía térmica, que está fuera de nuestro espectro visible, pero puede usar mis cámaras de radiación térmica que pueden detectar objetos cálidos y asignarle un color visible en función de la intensidad.

Answer 2

La luz no es una cantidad conservada. Las partículas cargadas emiten o absorben fotones todo el tiempo. Lo que se conserva en estas interacciones es el impulso de energía.

Todos los objetos de la vida real absorben la luz, es solo que los objetos negros absorben la luz de manera más eficiente. Cuando decimos que absorben la luz, significa que las partículas cargadas de las que están hechos estos objetos (protones y electrones) absorben los fotones entrantes y obtienen algo de energía en el proceso. Algunos fotones pueden hacer que los electrones salten a órbitas más altas e incluso pueden inducir reacciones químicas, pero con la luz y la radiación de longitud de onda más larga (luz infrarroja, ondas de radio), eso no es lo que suele suceder; más bien, los átomos en su conjunto obtienen un poco de energía cinética en el proceso y rebotan un poco más en otros átomos. En otras palabras … calor.

Lo mismo funciona a la inversa, también. Átomos que rebotan sobre el cambio de dirección y velocidad; en otras palabras, se aceleran. Las cargas aceleradas emiten radiación. En resumen, un objeto caliente emitirá fotones (térmicos). Entonces, cuando brillas luz sobre un objeto oscuro, se calienta un poco y, como resultado, comienza a emitir fotones térmicos un poco más vigorosamente.

Curiosamente, debido a que los fotones térmicos transportan mucha menos energía que la luz visible, un objeto que es calentado por la luz tiene que emitir muchos más fotones térmicos para mantenerse a la misma temperatura. Esto también es cierto para un objeto tan grande y complejo como la Tierra, calentado (principalmente) por la luz visible del Sol. Si la Tierra mantuviera ese calor, se convertiría en un lugar insoportablemente caliente en muy poco tiempo. Afortunadamente, eso no es lo que sucede: la misma cantidad de energía solar que la Tierra recibe del Sol, la reemite al espacio en forma de calor … aproximadamente 20 fotones térmicos emitidos por cada fotón de luz visible recibido del Sol.

Pero espera un minuto … ¿no nos dijeron que recibimos una gran cantidad de energía del Sol? Si reemitimos la misma cantidad en el espacio, ¿cuál es el problema? Bueno … acabo de decir que reemitimos la misma cantidad de energía usando aproximadamente 20 veces más fotones. Eso significa una cantidad enormemente mayor de entropía termodinámica (esencialmente, una medida de aleatoriedad).

Entonces, lo que recibimos del Sol no es solo energía (que de todos modos reemitimos al espacio), sino energía en forma de fotones de baja entropía. Esto es lo que hace posible que emerjan estructuras complejas como microbios, árboles, animales o incluso personas. Todo es parte de un proceso complicado de convertir la radiación de baja entropía del Sol en calor residual de alta entropía reemitido al espacio.

Answer 3

La luz que golpea un objeto negro se aniquila completamente como luz y su esencia (algo de energía y momento lineal y angular) se recicla como movimiento térmico aleatorio de los átomos en el objeto. Si el objeto se calienta lo suficiente, como resultado de toda la luz que está brillando sobre él o no, comenzará a irradiar de nuevo la luz (será rojo o blanco caliente), pero será una luz nueva, con parámetros sin relación con la luz original.

Answer 4

Intenta pensar en la respuesta tú mismo. Digamos que tienes un “átomo negro”. Ahora brillas sobre él. Como generalmente absorbe la mayor parte del espectro, se espera que los electrones se promuevan a estados de mayor energía. Cuando esto sucede naturalmente, el átomo en su conjunto gana energía que puede aparecer como energía cinética vibracional. Ahora, si tiene una capa de átomos negros y brilla continuamente sobre ella, verá el mismo efecto. La hoja se calienta debido a la mayor vibración ahora. Esta es la razón por la cual las personas evitan la ropa de color oscuro en verano 😉

Answer 5

Como otros han escrito, la respuesta básica es que la luz absorbida calienta el objeto. El objeto se transforma en lugar de simplemente atrapar la luz. Es posible que parte de la energía de la luz se pierda en los alrededores como calor, dependiendo de la temperatura del entorno.