Schwarzer Körper
Der schwarze Körper ist ein idealisiertes Gedankenmodell der Physik. Er dient als Grundlage für sowohl theoretische Betrachtungen als auch als Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung.
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Begriffsentstehung
Der Begriff "schwarzer Körper" wurde 1862 von Gustav Kirchhoff geprägt.
Eigenschaften
Ein schwarzer Körper nimmt auftreffende elektromagnetische Strahlung, etwa Licht, vollständig auf (Absorption). Andererseits gibt er aufgrund seiner thermischen Energie (Temperatur) Strahlung einer bestimmten spektralen Verteilung ab (Emission). Er lässt weder Strahlung durch sich hindurch (Transmission), noch spiegelt (Reflexion) oder streut er sie zurück (Diffusion). In der Realität können diese Eigenschaften nur annähernd auftreten.
Die beschriebenen Eigenschaften sind nicht nur an Körpern zu beobachten: Das Weltall hat beispielsweise nahezu die Eigenschaften eines schwarzen Körpers. Es "verschluckt" alle von einem Beobachter ausgesandte Strahlung und "leuchtet" wie ein Körper sehr kleiner Temperatur. Da auch die Erde ins All strahlt, sinken während einer wolkenlosen Nacht deshalb die Außentemperaturen.
Besonders gute technische Konstruktionen eines annähernd schwarzen Körpers sind Hohlkugeln oder geschlossene hohle Zylinder. Sie haben innen eine geschwärzte und aufgeraute Oberfläche. An einer Stelle ist ein winziges Loch. Dort hindurch eintretende Strahlung wird im Innenraum fast vollständig aufgenommen, kann damit von außen nicht "gesehen" werden. Die Wärme in einer solchen Hohlkugel lässt durch das Loch die so genannte Hohlraumstrahlung austreten. Bei Temperaturen von ca. 1000K und mehr kann man die Strahlung als Glut sehen. Das Loch verhält sich somit nahezu wie ein schwarzer Körper. Ein schwarzer Körper ist ein Gedankenmodell und muss weder schwarz noch ein Körper sein. Für praktische Untersuchungen sind technische schwarze Körper notwendig. Je nach Bedarf müssen sie entsprechend aufwändig hergestellt werden, um den idealen Eigenschaften so nahe wie notwendig zu kommen.
In vollständiger Form beschrieben wurde der schwarze Körper erstmals von Max Planck, entsprechend wird das von ihm entwickelte Gesetz plancksches Strahlungsgesetz genannt. Es beschreibt die Stärke und Frequenzverteilung der von einem schwarzen Körper ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung.
Maximale Farbtemperatur
Nach dem planckschen Strahlungsgesetz weist die Intensitätskurve eines Schwarzen Körpers ein Maximum auf, das sich mit wachsender Temperatur immer mehr in einen kurzwelligen Bereich verschiebt. Bei sehr hoher Temperatur liegt dies also weit im UV- bzw sogar Röntgenstrahlenbereich. Für den sichtbaren Bereich gilt dann die Näherung von Rayleigh und Jeans, in der die Strahlungsintensität, d. h. die Leistung pro Flächen- und Raumwinkeleinheit und Wellenlänge, zum Quadrat der Frequenz proportional ist. Eine weitere Erhöhung der Temperatur kann dann die relative Stahlungsverteilung im sichbaren Bereich und damit den Farbeindruck nicht weiter verändern. In der CIE-Normfarbtafel kommt dies dadurch zum Ausdruck, dass die "Black-body-Kurve" in einem Punkt endet, der in einem verhälnismäßig ungesättigten violetten Farbton liegt und der Temperatur "unendlich" entspricht.
Anwendungen
Ruß ist ein Beispiel für einen realen schwarzen Körper. Er absorbiert die Strahlung nicht vollständig, aber unabhängig von der Wellenlänge (sogenannter grauer Körper).
Die Erforschung der Schwarzkörperstrahlung war bedeutend, da sie in eine Zeit fiel, als noch kein elektrisches Licht bekannt war. So fand sie etwa Anwendung in der Konstruktion von Gasleuchten mit Glühstrumpf, der das eigentlich unsichtbare Licht der Flamme in sichtbares Licht umwandelt.
Die Kenntnis über das Strahlungsverhalten heißer Metalle war auch von militärischer Bedeutung, da sie die Härtung von Stahl ermöglichte zu einer Zeit, in der man noch über sehr geringe metallurgische Kenntnisse verfügte.
Die gesamte Strahlungsenergie ist proportional der 4. Potenz der absoluten Temperatur. Diese als Stefan-Boltzmann-Gesetz bezeichnete Gesetzmäßigkeit wird auch von Strahlungsthermometern verwendet, um die Temperatur eines Körpers zu ermitteln.
In der Astronomie werden Sterne oft durch schwarze Körper approximiert. Der Unterschied zwischen der theoretischen Kurve und dem Sternspektrum gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung und Eigenschaften wie das Magnetfeld des Sterns.
Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist in guter Näherung eine Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur von 2,725 ± 0,002 Kelvin. Ihre detaillierte Analyse ist von Interesse für die Kosmologie.
Die einer gegebenen Strahlungsleistung pro Flächeneinheit gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz entsprechende Temperatur heißt Effektivtemperatur. Sie weicht von der tatsächlichen Temperatur um so mehr ab, je weniger der Strahler einem schwarzen Körper entspricht. Der Begriff der Effektivtemperatur macht nur bei einigermaßen guten realen Schwarzkörpern Sinn (also Sterne, Glühwendel, aber nicht Leuchtstoffröhren, Polarlichter und sonstige Lichtquellen mit wenigen Spektrallinien).
Anschauliches Beispiel zur Absorption im Hohlraum
Aus einiger Entfernung erscheint ein offenes Fenster wie ein schwarzer (oder zumindest dunkler) Fleck auf der Hauswand, obwohl die Innenwände sicher nicht schwarz sind. Offensichtlich wird das einfallende Tageslicht im Raum verschluckt, und kann nicht mehr (oder nur noch teilweise) aus dem Fenster entweichen. Das Zimmer absorbiert (in einem vereinfachten Sinne) Strahlung wie ein schwarzer Körper. Baumeister kennen dieses Phänomen, und täuschen Fenster in einer Wand vor, in dem sie die Stelle schwarz einfärben. Noch ein Fensterrahmen darum gemalt und helle Fensterkreuze und schon ist das "Fenster" in der Wand. Das menschliche Auge ist getäuscht.
Siehe auch: Emissionsfaktor
Literatur
- Max Planck, "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum", Annalen der Physik, vol. 4, p. 553 ff (1901).
Weblinks
- Planck, Max, "On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum". Annalen der Physik, vol. 4, p. 553 ff (1901). (engl. Text)
- Plancks Strahlungsformel
Videos
- Real Video: Was ist ein Schwarzer Körper? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)