2. Temperatuurstraling

Materie zendt straling uit

Ervaringen uit het dagelijks leven tonen dit aan: Hete voorwerpen geven licht. Een smeulende sigaret schijnt roodachtig, een houtvuur schijnt geel, de gloeidraad van een lamp geeft witachtig licht. Dit lijkt verband te houden met de temperatuur: De gloeidraad is heter dan het haardvuur, terwijl het haardvuur heter is dan de sigaret. Het is verbazingwekkend dat het lange tijd onmogelijk was om de natuurkundige wetten achter deze zogenaamde thermische straling te begrijpen! In de tweede helft van de 19e eeuw werd er veel nadruk gelegd op deze wetenschappen.

• Rond 1860 veronderstelde de natuurkundige Gustav Kirchhoff - hij deed onderzoek naar de wetten van elektrische circuits en de analyse van elementen op basis van hun spectraallijnen - een universele functie die de lichtemissie van hete lichamen verklaart in afhankelijkheid van hun temperatuur.
  Hij onderzocht ook hoe zulke lichamen licht kunnen absorberen. Hierbij ontdekte hij dat de uitgezonden thermische straling het meest intens is als een lichaam de volledige hoeveelheid binnenkomende straling absorbeert. Dat betekent dat het volledig ondoorzichtig en niet-reflecterend is. Dergelijke objecten noemde hij zwarte lichamen.
  Omdat zwarte lichamen geen licht reflecteren, moet elke uitkomst in straling door henzelf worden veroorzaakt. Deze kennis vormt een belangrijke vereenvoudiging voor experimenteel onderzoek en voor de ontwikkeling van natuurkundige theorieën over thermische straling.
• Je zou kunnen meten dat het spectrum van thermische straling van hete lichamen één maximum heeft en rechts en links daarvan afneemt. Zonlicht heeft bijvoorbeeld een maximale helderheid in groen en neemt af wanneer het overgaat naar blauwe en rode golflengten. Het gebied onder het spectrum is gelijk aan de intensiteit. Het is experimenteel onderzocht door Josef Stefan en theoretisch door Ludwig Boltzmann.
  In 1884 kwamen ze tot een resultaat dat tegenwoordig bekend staat als de wet van Stefan-Boltzmann: De intensiteit neemt toe met de vierde macht van de absolute temperatuur. Een verdubbelde temperatuur heeft dus als resultaat een 16 keer hogere intensiteit.
• Tegelijk met de toenemende emissie bij hogere temperaturen verschuift het maximum naar kortere golflengten. In 1893 formuleerde Wilhelm Wien een wet voor dit fenomeen: De golflengte van het maximum gedraagt zich omgekeerd evenredig met de absolute temperatuur. Een verdubbelde temperatuur veroorzaakt dus een halvering van de golflengte van de sterkste straling in het spectrum. Dit is de verdringingswet van Wien.

Ondanks deze vooruitgang werd er geen natuurkundige wet gevonden om de gemeten spectra van thermische straling van zwarte lichamen volledig te verklaren.

Met behulp van de thermodynamica en het model van elektromagnetische golven (zie hoofdstuk 1), probeerde Max Planck thermische straling theoretisch te verklaren. Een door hem uitgevonden vergelijking - die tegenwoordig de stralingswet van Planck wordt genoemd - vereiste de kwantificering van elektromagnetische golven om overeen te komen met de verkregen gegevens van experimenten. De energie $E$ van deze quanta is dan verbonden met de frequentie $f$ van de golven volgens

De grootheid $h$ is een constante; de constante van Planck met een waarde van

Deze in 1900 geformuleerde verbanden tussen golf- en deeltjeseigenschappen van licht worden beschouwd als het beginpunt van de kwantumtheorie. De energiequanta van licht zijn de fotonen (zie hoofdstuk 1).

Is de zon een zwart lichaam? Dat zal in deze paragraaf worden onderzocht.
Bron: ESA