Big Bang 7, Schulbuch

Energieübertragung durch EM-Wellen 30 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 27 Beispiel dafür ( F2 ). 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. Was ist ein schwarzer Strahler? Abb. 30.4: Die Box (a) ist außen und innen schwarz. Das Loch ist aber „schwärzer“, weil das Licht im Inneren durch mehrmalige Refle- xion praktisch absorbiert wird (b). Aus diesem Grund sind auch die Fenster eines Hauses untertags so dunkel ( F5 ). Das Innere dieser 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 völlig zutrifft, aber ein Hohlraum mit einer kleinen Öffnung ist eine gute Näherung. Das kann eine schwarze Box sein (Abb. 30.4) oder ein Backofen, der innen verrußt ist. Das Innere ist dann bei Zimmertempera- tur , wie das Loch im Würfel, völlig schwarz. Daher kommt auch der Name schwarzer Strahler oder schwarzer Körper . Auch Sterne sind in guter Näherung schwarze Strahler. Klei- ne, ausgebrannte Sterne werden tatsachlich völlig schwarz. Auch die Sonne wird einmal als „Schwarzer Zwerg“ enden. Was „strahlt“ am schwarzen Strahler? Die Wärmestrahlung! Das Spektrum eines idealen schwarzen Strahlers ist nur von der Temperatur, nicht aber vom Material abhängig. Je heißer das Objekt, desto kurzwelliger das Strahlungsmaximum (Abb. 30.5). Egal, welche Strahlung in die Öffnung eintritt, rotes Licht, Röntgen, blaues Licht: Ein schwarzer Strahler „verwurstet“ alles und strahlt bei derselben Temperatur im- mer mit demselben Spektrum, gleichgültig ob Backofen oder Stern. Warum braucht man aber dieses idealisierte Modell? Weil man dann die Temperaturstrahlung mit Gleichungen be- schreiben kann. Den Zusammenhang zwischen Temperatur und Strahlungsmaximum kann man zum Beispiel mit dem Wien’schen Verschiebungsgesetz beschreiben (strichlierte Linien in Abb. 30.5). 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. 30.5: Strahlung von idealen schwarzen Strahlern und die reale Strahlung der Sonne: Die Maxima (strichlierte Linie) verschieben sich mit zunehmender Temperatur nach links und somit auch die sichtbare Farbe von rot über orange und gelb bis blau (siehe auch Abb. 35.14, S. 82). Planck’sche Verzweiflung Schon im 19. Jahrhundert konnte man die Strahlung von Hohlräumen (also von schwarzen Strahlern) im Labor messen (siehe Abb. 30.6 rechts oben). Die gemessenen Werte waren aber mit klassischer Physik nicht zu erklären. M AX P LANCK (Abb. 36.4, S. 88) fand 1900 ein Strahlungsgesetz, das mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Er mus- ste dazu aber, wie er selber sagte, in einem „Akt der Ver- zweiflung“ annehmen, dass die Energie nur in Form von „Portionen“ aufgenommen und abgegeben wird. Diese Portionen nennen wir heute allgemein 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 hatte 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 (Kap. 33.3, S. 57). i Abb. 30.6: 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