Sexl Physik 7, Schulbuch

2 Temperaturstrahlung In diesem Kapitel erfährst du, − Welche physikalischen Gesetze unserem Wissen über Strahlung zugrunde liegen − dass jeder Körper Strahlung emittiert − welche Art von Strahlung die Sonne aussendet 2.1. Der schwarze Strahler 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 Strahlung ab- sorbiert, wird allgemein als schwarz bezeichnet. Als (idealen) schwarzen Strahler bezeichnet man einen Körper, der bei allen Wellenlängen jegliche einfallende Strahlung vollständig absorbiert. Schwarze Strahler müssen optisch nicht „schwarz“ sein: Schnee ist im Infrarot-Bereich ein fast idealer Schwarzer Strahler, worauf die starke Abstrahlung und damit die Abkühlung in wolkenlosen Winter- nächten zurückzuführen ist. Ebenso ist die Haut des Menschen unabhängig von seiner Hautfarbe bei Körpertemperatur ein „schwarzer Strahler“. In guter Näherung wird ein Schwarzer Strahler durch einen innen geschwärzten Hohlraum mit einer kleinen Öffnung realisiert ( 80.3 ). Fällt Strahlung durch die Öffnung ein, wird sie im Inneren so lange reflektiert und geschwächt, bis sie voll- ständig absorbiert ist. Die Öffnung des Hohlraumes, das „Ofenloch“, stellt dann ei- nen 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. Die Naturkonstante h wird als Planck’sches Wirkungsquantum bezeichnet. Max Planck erhielt für die Ent- deckung des Strahlungsgesetzes 1918 den Nobelpreis. Das Planck’sche Strahlungs- gesetz enthält als Spezialfälle zwei schon früher entdeckte Gesetze: 80.1 Viele Prozesse auf der Sonne lassen sich im gewöhnlichen, sichtbaren Licht nicht ver- folgen. Tiefe Einblicke in die Dynamik der Sonnenoberfläche und der Korona sind aber beispielsweise im Röntgenlicht und im ultra- violetten Licht möglich. ? Wie ist das Bild entstanden und was sagt es aus? 80.2 L UDWIG B OLTZMANN (1844–1906) war ein Verfechter der Atomtheorie. Seine wichtigsten Forschungsarbeiten betrafen die Thermo- dynamik und ihre statistische Begründung. 80.3 Ein Hohlraum ist ein fast idealer Schwarzer Strahler, da er alle eintreffende Strahlung absorbiert. 80 STRAHLUNGSHAUSHALT DER ERDE Nur zu P üfzwecken – Eigentum des Verlags öbv