Sexl Physik 8, Schulbuch

| 64 2.5 Temperaturstrahlung Jeder Körper sendet Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus. Die thermische Bewegung der Atomkerne und Elektronen in seinem Inneren „schüt- telt“ sie, als beschleunigte Ladungen strahlen sie ein kontinuierliches Spektrum von elektromagnetischen Wellen ab, welche als Temperaturstrahlung bezeichnet wird. Bei Temperaturen bis etwa 500 °C ist diese Temperaturstrahlung langwellig (Infrarot-Strahlung) und wird als Wärme empfunden, bei höheren Temperaturen beginnen die Körper zu glühen und strahlen auch sichtbares Licht ab (z. B. Sonne, Glühlampe). Die Strahlungsleistung eines Körpers, das ist die pro Sekunde abgestrahlte Ener- gie, ist proportional zur Oberfläche des strahlenden Körpers und hängt neben der Temperatur auch von der Beschaffenheit der Oberfläche (Farbe, Rauigkeit) ab. We- gen der Abstrahlung könnte man vermuten, dass der strahlende Körper beständig Energie abgibt und auskühlt. Aus der Umgebung fällt jedoch auf den Körper eben- falls Temperaturstrahlung, die teilweise absorbiert, teilweise reflektiert wird. Hat der Körper dieselbe Temperatur wie seine Umgebung, so absorbiert er gleich viel Strahlung wie er emittiert. Ist er jedoch wärmer, strahlt er mehr thermische Ener- gie ab als er empfängt – der Körper kühlt allmählich ab. Ein Körper, der im sichtbaren Bereich des Spektrums besonders viel Strah- lung absorbiert, wird allgemein als schwarz bezeichnet. Als (idealen) schwarzen Strahler bezeichnet man einen Körper, der bei allen Wellenlängen jegliche ein- fallende Strahlung vollständig absorbiert. Schwarze Strahler müssen optisch nicht „schwarz“ sein: Schnee ist im Infrarot-Bereich ein fast idealer Schwarzer Strah- ler, worauf die starke Abstrahlung und damit die Abkühlung in wolkenlosen Win- ternächten zurückzuführen ist. Ebenso ist die Haut des Menschen unabhängig von seiner Hautfarbe für Strahlung der Temperatur T ≈ 300 K „schwarz“. In guter Näherung wird ein Schwarzer Strahler durch einen innen geschwärz- ten Hohlraum mit einer kleinen Öffnung realisiert ( 64.3 ). Fällt Strahlung durch die Öffnung ein, wird sie im Inneren so lange reflektiert und geschwächt, bis sie vollständig absorbiert ist. Die Öffnung des Hohlraumes, das „Ofenloch“, stellt dann einen Schwarzen Strahler dar: Ist der Hohlraum kühl, erscheint die Öffnung schwarz; glühen jedoch die Innenwände, geht von der Öffnung helles Licht aus. M ax p laNcK (1848–1957) gelang es 1900, die richtige Formel für die spektrale Strahlungsleistung anzugeben (Planck’sches Strahlungsgesetz). Zu ihrer Begrün- dung musste er annehmen: Planck’sche Quantenhypothese Die Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung der Frequenz f erfolgt durch „atomare“ Sender in den Hohlraumwänden, deren Energie dabei um h·f zu- bzw. abnimmt. Die Annahme, dass die Energie der Strahlung stets ein Vielfaches von h sein muss, führte zur Entwicklung der Quantenmechanik (s. S. 36). Die Naturkonstante h wird als Planck’sches Wirkungsquantum bezeichnet (s. S. 37). Max Planck erhielt für die Entdeckung des Strahlungsgesetzes 1918 den Nobelpreis. Das Planck’sche Strahlungsgesetz enthält als Spezialfälle zwei schon früher entdeckte Gesetze: a) Das Wien’sche Verschiebungsgesetz (benannt nach w ilhelM W ieN , 1864–1928). Zerlegt man die ausgehende Strahlung mittels eines Beugungsgitters in Anteile verschiedener Wellenlänge, so kann man messen, wie viel Strahlungsleistung auf die einzelnen Wellenlängen entfällt. Fragt man, bei welcher Wellenlänge λ max die spektrale Verteilung ihr Maximum hat, findet man zwischen der absoluten Tempe- ratur T und λ max den einfachen Zusammenhang: Wien’sches Verschiebungsgesetz λ max · T = 2,9·10 –3 m·K. Das Maximum verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zu immer kürzeren Wellenlängen ( 65.1 ). 64.1 l udwig b oltZmann (1844–1906) war ein Verfechter der Atomtheorie. Seine wichtigsten Forschungsarbeiten betrafen die Thermodyna- mik und ihre statistische Begründung. 64.2 Die Sombrero-Galaxie (M104 im Virgo Clu- ster) ist 28 Millionen Lichtjahre entfernt, und hat einen Durchmesser von 50000 Lichtjahren. Oben eine Aufnahme des Hubble-Teleskops im sichtbaren Spektrum, unten eine Infrarotauf- nahme vom Spitzer-Space-Teleskop. Hier sind die nur mehr im infraroten Bereich glühenden, im sichtbaren Bereich dunklen alten Sterne im Ring zu erkennen. 64.3 Ein Hohlraum ist ein fast idealer Schwarzer Strahler, da er alle eintreffende Strahlung absorbiert. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv