2. Temperaturstrahlung

Materie emittiert Strahlung

Die alltägliche Erfahrung zeigt: heiße Gegenstände strahlen Licht aus. Eine glimmende Zigarette leuchtet rötlich, ein Holzfeuer strahlt gelb, der Glühfaden einer Lampe erzeugt weißes Licht. Dies hat offenbar mit der Temperatur zu tun: der Glühfaden ist heißer als das Holzfeuer, das Holzfeuer ist heißer als die Zigarette. Erstaunlich, dass es für lange Zeit nicht möglich war, die physikalischen Gesetze dieser so genannten Wärmestrahlung zu verstehen! Dies war ein Forschungsschwerpunkt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts.

• Etwa 1860 vermutete der Physiker Gustav Kirchhoff - er forschte ansonsten über die Gesetze elektrischer Stromkreise und über die Analyse von Elementen anhand ihrer Spektrallinien - eine allgemein gültige Funktion, mit der die Lichtemission heißer Körper in Abhängigkeit von ihrer Temperatur erklärt werden kann.
  Er untersuchte auch, wie solche Körper Licht absorbieren. Hierbei fand er, dass die emittierte Wärmestrahlung am intensivsten ist, wenn ein Körper die gesamte auf ihn treffende Strahlung absorbiert, also vollkommen undurchsichtig und nicht reflektierend ist. Solche Gegenstände nannte er schwarze Körper.
  Da schwarze Körper kein Licht reflektieren, kann von ihnen nur die Strahlung ausgehen, die sie selbst erzeugen. Diese Erkenntnis bedeutete eine wichtige Vereinfachung für experimentelle Untersuchungen und für die Entwicklung einer physikalischen Theorie der Wärmestrahlung.
• Man konnte messen, dass das Spektrum der Wärmestrahlung heißer Körper ein Maximum besitzt und links und rechts davon abnimmt. Das Sonnenlicht zum Beispiel ist im Grünen maximal hell und nimmt zu blauen und roten Wellenlängen hin ab. Die Fläche unter dem Spektrum entspricht der gesamten ausgestrahlten Intensität. Sie wurde experimentell von Josef Stefan und theoretisch von Ludwig Boltzmann untersucht.
  1884 fanden sie ein Ergebnis, das heute als Stefan-Boltzmann-Gesetz bekannt ist: die Intensität wächst mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Eine verdoppelte Temperatur ergibt also eine 16fach höhere Intensität.
• Gleichzeitig mit der ansteigenden Emission bei höherer Temperatur verschiebt sich das Maximum zu kürzeren Wellenlängen. 1893 konnte Wilhelm Wien ein Gesetz formulieren: die Wellenlänge des Maximums verhält sich umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur. Eine verdoppelte Temperatur führt demnach zu einer Halbierung der Wellenlänge der stärksten Strahlung im Spektrum. Dies ist das Wiensche Verschiebungsgesetz.

Trotz dieser Erfolge war bis dahin kein physikalisches Gesetz gefunden worden, mit dem die gemessenen Spektren der Wärmestrahlung schwarzer Körper erklärt und richtig wiedergegeben werden konnten.

Auf Grundlage der Thermodynamik und des Modells elektromagnetischer Wellen (siehe Kapitel 1) versuchte Max Planck, die Wärmestrahlung theoretisch zu erklären. Eine von ihm gefundene Gleichung - sie wird heute als Plancksches Strahlungsgesetz bezeichnet - erforderte aber eine Quantisierung der elektromagnetischen Wellen, um mit den experimentellen Daten übereinzustimmen. Die Energie $E$ dieser Quanten sollte mit der Frequenz $f$ der Wellen entsprechend

zusammenhängen. Die Größe $h$ ist eine Konstante, das Plancksche Wirkungsquantum, mit dem Wert

Diese im Jahr 1900 formulierten Zusammenhänge zwischen Wellen- und Teilcheneigenschaften des Lichts gelten als der Beginn der Quantentheorie. Die Energiequanten des Lichts sind die Photonen (siehe Kapitel 1).

Ist die Sonne ein schwarzer Körper? Das wird in diesem Kapitel untersucht.
Quelle: ESA