Jedes Objekt sendet zu jedem Zeitpunkt elektromagnetische Wellen aus, auch dieses Buch und der Tisch, auf dem es liegt. Das liegt an den thermischen Schwingungen der Atome.
Um zu verstehen, was ein schwarzer Strahler ist, müssen wir etwas ausholen. Es gibt kein Objekt im Universum, dessen Temperatur exakt 0 Kelvin beträgt. Temperatur zu haben bedeutet, dass alle Teilchen des Gegenstandes, also auch Atome und Elektronen, thermische Schwingungen ausführen: je heißer, desto heftiger (F1). Nun werden aber elektromagnetische Wellen durch beschleunigte Ladungen ausgelöst, etwa durch Ladungsschwingungen.
Wenn du beides zusammentust, ergibt sich etwas Verblüffendes: Jeder Körper in diesem Universum sendet auf Grund seiner Temperatur elektromagnetische Wellen aus. Auch dieses Buch, der Sessel und du selbst. Weil die Temperatur der Grund der Strahlung ist, spricht man von Wärmestrahlung. Genau genommen sind die „thermischen Schwingungen der Elektronen“ eigentlich Quantensprünge, bei denen Photonen aufgenommen oder abgegeben werden.
| Die Leuchtfarbe eines Wärmestrahlers hängt von seiner Temperatur ab: Herdplatte etwa 600 °C (links), Glühwendel etwa 2700 °C (rechts). |
Bei Zimmertemperatur haben die EM-Wellen eine niedrige Frequenz, die du nicht sehen kannst. In heißen Gegenständen sind die Schwingungen aber so heftig, dass die entstehenden Wellen sichtbar werden. Das ist etwa bei einer Herdplatte oder dem Glühdraht einer Lampe der Fall. Die kühlere Herdplatte leuchtet dunkelrot, die wärmere Glühwendel orange (Abb.). Es gibt also einen Zusammenhang zwischen Temperatur und Farbe. Wie kann man diesen quantitativ beschreiben?
Die Natur ist sehr kompliziert, aber in vielen Fällen kann man vereinfachen. Das ideale Gas, mit dem man innerhalb gewisser Grenzen reale Gase gut beschreiben kann, ist ein 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. Aber wie soll man sich einen schwarzen Strahler vorstellen?
| Die Box ist außen und innen schwarz. Das Loch ist aber „schwärzer“, weil das Licht im Inneren durch mehrmalige Reflexion praktisch absorbiert wird (siehe rechts). Aus diesem Grund sind auch die Fenster eines Hauses unter Tags so dunkel (FB). Das Innere dieser Box ist ein Modell für einen schwarzen Körper. |
Schwarze Strahler sind theoretische Objekte, die alle auftreffenden EM-Wellen absorbieren. Es gibt keinen realen Gegenstand, auf den das zu 100% zutrifft, aber ein Hohlraum mit einer kleinen Öffnung ist eine gute Näherung. Das kann eine schwarze Box sein oder ein Backofen, der innen verrußt ist. Das Innere ist dann bei Zimmertemperatur 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. Kleine, ausgebrannte Sterne werden tatsächlich völlig schwarz (große werden Neutronensterne oder schwarze Löcher).
Was „strahlt“ am schwarzen Strahler? Die Wärmestrahlung! Zwischen den Wänden des schwarzen Strahlers und der EM-Strahlung im Inneren entsteht thermisches Gleichgewicht. Das Spektrum eines idealen schwarzen Strahlers ist vom Material völlig unabhängig. Je heißer das Objekt, desto kurzwelliger das Strahlungsmaximum (folgende Abb.). Egal, welche Strahlung in die Öffnung eintritt, rotes Licht, Röntgen, blaues Licht: Ein schwarzer Strahler „verwurstet“ alles und strahlt bei derselben Temperatur immer mit demselben Spektrum, egal ob er ein Backofen oder ein Stern ist.
Warum braucht man aber dieses idealisierte Modell? Weil man dann die Temperaturstrahlung mit Gleichungen beschreiben kann. Den Zusammenhang zwischen Temperatur und Strahlungsmaximum kann man z. B. mit dem Wien'schen Verschiebungsgesetz beschreiben (strichlierte Linien in folgender Abb.).
| Wien'sches Verschiebungsgesetz: $\lambda_{max} \cdot T = 2,9 \cdot 10^{-3}$ | |
|---|---|
| $\lambda_{max}$ | Wellenlänge der max. Strahlung (m) |
| $T$ | absolute Temperatur des schwarzen Strahlers (K) |
| Strahlung von idealen schwarzen Strahlern und die reale Strahlung der Sonne. Die Maxima (strichlierte Linie) verschieben sich mit zunehmender Temperatur nach links und somit die sichtbare Farbe von rot über orange und gelb bis blau. |
Obwohl Herdplatte, Glühbirne oder ein erhitzter Eisenstab keine perfekten schwarzen Strahler sind, kann man mit diesem Modell das Zustandekommen ihrer Farben gut erklären (F3). Auch Sterne sind keine perfekten schwarzen Strahler, wie man am realen Strahlungsverlauf der Sonne in vorhergehender Abb. sieht. Weil dieser aber mit einem schwarzen Körper von 6000 K gut übereinstimmt, ordnet man der Sonnenoberfläche diesen Wert zu (F4). Der größte schwarze Strahler im Universum ist übrigens das Universum selbst.