Почему темные объекты излучают свет: от угля до звезд

Как сообщает онлайн-журнал об энергетике «Энергия+», всем известно, что черные угли, тлея, излучают красноватые отблески. Но как темный объект способен стать источником света? Это явление не только объясняет физические процессы, но и лежит в основе революционных открытий в науке, которые привели к созданию современных гаджетов, таких как смартфоны, компьютеры и лазеры.

От красного свечения к белому: нагрев черных тел  

С древних времен люди замечали, как нагретые объекты начинают светиться. Однако не все материалы выдерживают высокие температуры – многие плавятся или разрушаются.

Кузнецы и металлурги, работая с прочными сплавами, видели, как цвет меняется с ростом жара: от тускло-красного (примерно 800 °C) через оранжевый (1 500-2 000 °C) к ослепительно-белому (около 6 000 °C). Это отразилось в языке: мы говорим «раскаленный добела» о гневе или «докрасна» о жаре.

При еще больших температурах цвет становится голубым – свыше 15 000 °C, как у звезд или лабораторной плазмы, где газ так горяч, что атомы теряют электроны.

Любое тело с температурой излучает тепло в инфракрасном спектре, невидимом глазу, но фиксируемом тепловизорами. Солнечное тепловое излучение поддерживает жизнь на планете. Огонь, прирученный человеком, веками давал тепло и свет для жилья и еды. Ранние лампы накаливания тоже работали на тепловом принципе.

В начале XX века изучение теплового света раскрыло строение атомов – от угольков до Солнца.

Атомы как гоночные трассы  

Атом – это положительное ядро с отрицательными электронами на орбитах, словно машины на бесконечном вираже. Ускорение повышает энергию и расширяет траекторию.

Но электроны не свободны: их энергия фиксирована, как тикающие часы, на дискретных уровнях.

В нагретом веществе атомы вибрируют интенсивнее, передавая энергию электронам, которые «поднимаются» на высшие уровни. Возвращаясь вниз, они испускают фотон – частицу света, чья энергия равна разнице уровней. Квантовые правила диктуют фиксированные энергии, так что вещества светятся уникальными цветами в зависимости от температуры.

В большом объекте, как уголь, уровни множатся, позволяя почти любые энергии фотонов. Спектр зависит от химического состава и структуры. Уголь черный, потому что поглощает все видимые фотоны. Его спектр – непрерывная кривая с пиком, растущим с температурой. Аналогично спектрам ламп, Солнца и углей.

Путь от угля к квантовой эре  

Похожее поглощение света разными телами вдохновило на концепцию идеального черного тела – поглотителя всего излучения без отражения. В реальности уголь или Солнце близки к нему. Сажа поглощает видимый свет почти полностью, но хуже – инфракрасный.

В 2019 году создали сверхчерный материал: алюминий с углеродными нанотрубками, поглощающими от инфракрасного до ультрафиолетового.

Теория черного тела заложила основу квантовой механики. Как отмечает Алексей Калачев, директор ФИЦ КазНЦ РАН: «Квантовой стала сама оптика».

Это повлияло на химию, информатику и электронику.

Теперь, глядя на мерцающие угли, мы видим температурные колебания от воздуха или горения. Свет – кванты от электронных переходов в углероде. Без этого понимания не было бы квантовых прорывов, подаривших нам удобства вроде смартфонов.