Die Strahlung schwarzer Körper
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Schwarze Körper

Unter "schwarzen Körpern" versteht man in der Physik Gegenstände, die kein Licht reflektieren. Das ist eine Näherung. Echte Körper reflektieren immer irgendwelches Licht. Das Verhalten von schwarzen Körpern ist aber besonders gut zu berechnen. Ein gutes Modell für einen schwarzen Körper ist ein kleines Loch in einem Kasten. Auch wenn die Innenwände dieses Kastens gut reflektieren, ist es sehr unwahrscheinlich, dass ein hineingesandter Lichtstrahl wieder herausfindet. Dass der Körper kein Licht reflektiert bedeutet jedoch nicht, dass er nicht Leuchten kann. Tatsächlich kann das Leuchten einer Glühlampe oder der Sonne gut als Strahlung eines schwarzen Körpers beschrieben werden. Für einen Physiker ist die Sonne also beinahe schwarz.

Die Theorie der schwarzen Körper ist zugleich die Theorie der Wärmestrahlung. Ein Mensch, der etwa 37 Grad warm ist, strahlt infrarotes Licht ab. Infrarotlicht wird daher oft "Wärmestrahlung" genannt. Diese Strahlung wird von Bewegungsmeldern und Überwachungskameras aufgenommen. Infrarotstrahlung ist im Vergleich zu sichtbarem Licht langwellig. Macht man einen Körper nun heiß, so wird seine Wärmestrahlung immer kurzwelliger und man kann erreichen, dass er sichtbares Licht abstrahlt. So ist es zu erklären, dass eigentlich schwarze Kohlen im Grill rot werden. Bläst man die Glut ein wenig an, so werden sie sogar Gelb. Gelbes Licht ist kurzwelliger, als rotes. Die Regel, dass die Wellenlänge der Wärmestrahlung bei steigender Temperatur kleiner wird, nennt man nach dem Physiker Wilhelm Wien wiensches Verschiebungsgesetz.

Ende des 19. Jahrhunderts war das Interesse an der Wärmestrahlung sehr groß und man versuchte mit Hilfe der damals recht jungen Physik der Wärme - der Thermodynamik oder statistischen Physik - diese Strahlung zu erklären. J. Stefan und L. Boltzmann gelang es, die Abhängigkeit der gesamten Strahlungenergie von der Temperatur vorherzusagen. Für die genaue Verteilung der Wärmestrahlung gab es aber nur Ansätze, die nicht zufriedenstellend waren. Das Rayleigh-Jeanssche Strahlungsgesetz besagte sogar, dass die Strahlung für kleine Wellenlängen unendlich wird. Dieser Schwachpunkt der sonst recht brauchbaren Theorie ist als Ultraviolett-Katastrophe bekannt.

Plancksche Strahlungsformel

Im Jahr 1900 gelang es Max Planck die Formel für die Schwarzkörperstrahlung herzuleiten, indem er das Licht in einem Hohlraum als ein Gas von Teilchen beschrieb. In einem Gas einer bestimmten Temperatur erhalten die einzelnen Gasatome unterschiedliche Bewegungsenergie, sie bewegen sich also unterschiedlich schnell. Je heißer ein Gas ist, desto schneller bewegen sich die Moleküle. Planck führte nun Lichtteilchen ein, die anstelle unterschiedlicher Geschwindigkeiten unterschiedliche Wellenlängen haben. Ein Teilchen kurzwelliges Licht sollte mehr Energie haben, als ein Teilchen langwelliges Licht. Wellenlängen und Energien verknüpfte er durch eine Zahl, die man später Plancksches Wirkungsquantum nannte. Extrem kurzwelliges Licht war nach diesem Modell ebenso selten, wie es extrem schnelle Atome in einem Gas sind, damit war die Ultraviolett-Katastrophe bezwungen. Die Theorie wurde ein großer Erfolg, da sie die gemessene Strahlung exakt wiedergab. Gleichzeitig war sie, ohne dass Planck das geahnt hatte, der Anfang der Quantenmechanik.

Letzte Änderung: 28.10.2001