Big Bang HTL 3, Schulbuch

Energieübertragung durch EM-Wellen 9 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 81 Was für die Gaskinetik das ideale Gas ist, ist für die Wärmestrahlung der schwarze Strahler: Ein vereinfachtes Modell, mit dem man reale Verhältnisse gut beschreiben kann. Aber wie soll man sich einen schwarzen Strahler vorstellen? Abb. 9.4: Die Box links ist außen und innen schwarz. Das Loch ist aber „schwärzer“, weil das Licht im Inneren durch mehrmalige Reflexion praktisch absorbiert wird (rechts). Aus diesem Grund sind auch die Fenster eines Hauses unter Tags dunkel ( F5 ). Das Innere der Box ist ein Modell für einen schwarzen Körper. Schwarze Strahler sind theoretische Objekte, die alle auf- treffenden EM-Wellen absorbieren. Es gibt keinen realen Gegenstand, auf den das zu 100% zutrifft, aber ein Hohl- raum mit einer kleinen Öffnung ist eine gute Näherung. Das kann eine schwarze Box sein (Abb. 9.4) oder ein Backofen, der innen verrußt ist. Das Innere ist dann bei Zimmertempe- ratur völlig schwarz – wie das Loch im Würfel, und daher auch der Name schwarzer Strahler oder schwarzer Körper. Auch auf Sterne trifft das in guter Näherung zu, da sie als Gaskugeln die auftreffenden EM-Wellen absorbieren. Klei- ne, ausgebrannte Sterne werden tatsächlich völlig schwarz. Was „strahlt“ am schwarzen Strahler? Die Wärmestrahlung ! Zwischen den Wänden des schwarzen Strahlers und der EM-Strahlung im Inneren entsteht thermisches Gleichge- wicht. Das Spektrum eines idealen schwarzen Strahlers ist vom Material völlig unabhängig. Je heißer das Objekt, desto kurzwelliger das Strahlungsmaximum (Abb. 9.5). Egal, wel- che Strahlung in die Öffnung eintritt, rotes Licht, Röntgen oder blaues Licht: Ein schwarzer Strahler absorbiert alles und strahlt bei derselben Temperatur immer mit demselben Spektrum, egal ob er ein Backofen oder ein Stern ist. Mit diesem idealisierten Modell kann man die Temperatur- strahlung mit Gleichungen beschreiben. Den Zusammen- hang zwischen Temperatur und Strahlungsmaximum kann man z. B. mit dem Wien’schen Verschiebungsgesetz be- schreiben (strichlierte Linien in Abb. 9.5). Info: Planck’sche Verzweiflung Formel: Wien’sches Verschiebungsgesetz λ max · T = 2,9 · 10 –3 mK λ max …Wellenlänge der max. Strahlung [m] T … absolute Temperatur des schwarzen Strahlers [K] F Abb. 9.5: Strahlung von idealen schwarzen Strahlern und die reale Strahlung der Sonne: Die Maxima (strichlierte Linie) verschieben sich mit zunehmender Temperatur nach links und somit verändert sich die sichtbare Farbe von rot über orange und gelb bis blau ( F3 ). Planck’sche Verzweiflung Schon im 19. Jahrhundert konnte man die Strahlung von Hohlräumen – also von schwarzen Strahlern – im Labor messen (siehe Abb. 9.6 rechts oben). Die gemessenen Werte waren aber mit klassischer Physik nicht zu erklären. M AX P LANCK fand 1900 ein Strahlungsgesetz, das mit den gemes- senen Werten übereinstimmte. Er musste dazu aber, wie er selber sagte, in einem „Akt der Verzweiflung“ annehmen, dass die Energie nur in Form von „Portionen“ aufgenommen beziehungsweise abgegeben wird. Diese Portionen nennen wir heute Quanten und beim Licht Photonen. Um diese Energieportionen zu beschreiben führte Planck bei der Entwicklung seines Strahlungsgesetzes die Gleichung E = h · f ein, wobei h das nach ihm benannte Wirkungsquan- tum ist. Planck hat in seiner „Verzweiflung“ die Quanten- mechanik ins Rollen gebracht und dafür später den Nobelpreis bekommen. E INSTEIN konnte 1905 mit Hilfe der Gleichung E = h · f den Fotoeffekt erklären (NAWI IV). i Abb. 9.6: Intensitätsmessung eines schwarzen Strahlers (rechts oben): Das klassische Modell versagt bei kurzen Wellenlängen völlig. Die Strahlungsverteilung ist nur mit Hilfe der Quantenmechanik zu erklären. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv