希ガスの黒体放射

質問

黒体放射についての質問です。あらゆる物質はその温度に応じて電磁波を放出しているという言葉をよく目にすることがあります。

(1) これは、物質を熱するといわゆる振動や回転などの状態が励起され、電磁波を放出するということなのでしょうか。

電磁波を出すには、励起状態から基底状態への遷移が必要になってくると思います。しかし、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスは単原子分子であり、極めて安定な分子であり、赤外不活性です。そうなると、電磁波を吸収したり、放出するエネルギー準位が、電子状態ぐらいしか存在しません。

(2) 常温で希ガスの放射スペクトルを観測すると、どの波長の電磁波が観測されるのでしょうか。その温度に応じた黒体放射が観測されると思いますか。

(3) 電磁波を吸収・放出するためには、離散化されたエネルギー準位が必要と思われます。しかし、ヘリウムやアルゴンなどの単原子分子の場合、振動、回転といったモードは考えづらく、かといって並進運動はエネルギー準位が非常に小さいために、電磁波として放出される波長は検出できないくらいの長い波長になってしまうのでしょうか。また、それはドブロイ波になるということでしょうか。

(4) 黒体放射の電磁波は並進エネルギーからも出ているのでしょうか？並進運動は、直接、電磁波を吸収したり、放出したりすることはできるのでしょうか。

回答No.1

leo-ultra

Wikipediaによると「黒体（こくたい、Black body、あるいは完全放射体）とは、外部から入射する熱放射など（光・電磁波による）を、あらゆる波長に渡って完全に吸収し、また放出できる物体のこと。完全な意味での黒体（完全黒体）は現実には存在しない。」とあります。

質問が“黒体”輻射に関するものであれば、質問はナンセンスです。この世に存在しないものなので、内部構造などわかりません。むしろ現実的なエネルギー準位構造で全ての波長の光を発することは無理でしょう。

もし質問が“熱”輻射に関するものと解釈すると、
「(1)物質を熱するといわゆる振動や回転などの状態が励起され、電磁波を放出するということなのでしょうか」
それもあるんじゃないでしょうか。効率は悪いかもしれませんが、電子励起状態も並進運動もありじゃないですか。

「希ガスは．．．電子準位しかない。」
電子準位からの放射になるでしょう。その場合、放射スペクトルは黒体輻射から大きくずれるでしょう。要するに希ガスは黒体で近似するのが難しいということでしょう。

お礼

ありがとうございます。黒体放射は例としてミスリードだったと思います。私の疑問は一般的によく言われている「あらゆる物質は赤外線を放出している」ということに対して、それは本当かということです。

たとえば、ある温度における希ガスの赤外放射スペクトル（あるいはサーモグラフィー）を測定したとしたら、その温度に対応した電磁波は果たして観測されるのかということです。

希ガスのように電子状態以外に電磁波を吸収したり放出することが余り出来ないような分子の場合だと、必ずしも、全ての物質が赤外放射をしているというのは誤りではないかと思ったのです。

＞効率は悪いかもしれませんが、電子励起状態も並進運動もありじゃないですか。

電子状態はいいとして、並進運動からも電磁波が放出されるなんてことはありうるのでしょうか。並進運動はエネルギー準位が小さすぎるために、一般的には連続した運動として観測されていると思います。微小空間に閉じ込めたり、何かに束縛したりしなければ、電磁波を吸収・放射するための離散化したエネルギー準位としては、限りなく小さいものになると思いますが...。