Perfekter schwarzer Körper und seine Strahlung

Perfekter schwarzer Körper und seine Strahlung
Perfekter schwarzer Körper und seine Strahlung
Anonim

Der absolut schwarze Körper wird als solcher bezeichnet, weil er die gesamte auf ihn (oder vielmehr in ihn hinein) fallende Strahlung sowohl im sichtbaren Spektrum als auch darüber hinaus absorbiert. Erwärmt sich der Körper aber nicht, wird die Energie wieder zurückgestrahlt. Von besonderem Interesse ist diese Strahlung, die von einem vollständig schwarzen Körper emittiert wird. Die ersten Versuche, seine Eigenschaften zu untersuchen, wurden noch vor dem Erscheinen des Modells selbst unternommen.

Im frühen 19. Jahrhundert experimentierte John Leslie mit verschiedenen Substanzen. Wie sich herausstellte, absorbiert schwarzer Ruß nicht nur alles sichtbare Licht, das auf ihn fällt. Es strahlte im Infrarotbereich viel stärker als andere, leichtere Substanzen. Es war Wärmestrahlung, die sich in mehreren Eigenschaften von allen anderen Arten unterscheidet. Die Strahlung eines vollständig schwarzen Körpers ist im Gleichgewicht, homogen, erfolgt ohne Energieübertragung und hängt nur von der Temperatur des Körpers ab.

komplett schwarzer Körper
komplett schwarzer Körper

Wenn die Temperatur des Objekts hoch genug ist, wird Wärmestrahlung sichtbar, und dann nimmt jeder Körper, einschließlich absolut schwarzer, Farbe an.

So ein einzigartiges Objekt, das nur eine bestimmte Art von Energie abgibt, konnte nicht umhin, Aufmerksamkeit zu erregen. Da wir über Wärmestrahlung sprechen, wurden im Rahmen der Thermodynamik die ersten Formeln und Theorien darüber aufgestellt, wie das Spektrum aussehen sollte. Die klassische Thermodynamik konnte bestimmen, bei welcher Wellenlänge das Strahlungsmaximum bei einer bestimmten Temperatur liegen sollte, in welche Richtung und wie stark es sich beim Erhitzen und Abkühlen verschiebt. Es war jedoch nicht möglich, die Energieverteilung im Schwarzkörperspektrum bei allen Wellenlängen und insbesondere im ultravioletten Bereich vorherzusagen.

Schwarzkörperstrahlung
Schwarzkörperstrahlung

Nach der klassischen Thermodynamik kann Energie in beliebigen Portionen abgegeben werden, auch in beliebig kleinen. Aber damit ein absolut schwarzer Körper bei kurzen Wellenlängen strahlen kann, muss die Energie einiger seiner Teilchen sehr groß sein, und im Bereich ultrakurzer Wellen würde sie ins Unendliche gehen. In Wirklichkeit ist dies unmöglich, die Unendlichkeit tauchte in den Gleichungen auf und wurde als ultraviolette Katastrophe bezeichnet. Nur Plancks Theorie, dass Energie in diskreten Portionen – Quanten – abgestrahlt werden kann, half, die Schwierigkeit zu lösen. Die heutigen Gleichungen der Thermodynamik sind Spezialfälle der Gleichungen der Quantenphysik.

Energieverteilung im Spektrum eines schwarzen Körpers
Energieverteilung im Spektrum eines schwarzen Körpers

Zunächst wurde ein vollständig schwarzer Körper als Hohlraum mit einer schmalen Öffnung dargestellt. Strahlung von außen tritt in einen solchen Hohlraum ein und wird von den Wänden absorbiert. Auf dem Spektrum der Strahlung, diemuss einen absolut schwarzen Körper haben, in diesem Fall ist das Strahlungsspektrum vom Höhleneingang, der Brunnenöffnung, dem Fenster zum dunklen Raum an einem sonnigen Tag usw. ähnlich. Vor allem aber stimmen damit die Spektren der kosmischen Hintergrundstrahlung des Universums und der Sterne einschließlich der Sonne überein.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass je mehr Teilchen mit unterschiedlichen Energien sich in einem Objekt befinden, desto stärker wird seine Strahlung einem schwarzen Körper ähneln. Die Energieverteilungskurve im Spektrum eines Schwarzen Körpers spiegelt die statistischen Muster im System dieser Teilchen wider, mit der einzigen Korrektur, dass die bei Wechselwirkungen übertragene Energie diskret ist.

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