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.
Table of contents |
2 Eigenschaften 3 Anwendungen 4 Anschauliches Beispiel zur Absorption im Hohlraum 5 Literatur 6 Weblinks 7 Videos |
Der Begriff "schwarzer Körper" wurde 1862 von Gustav Kirchhoff geprägt.
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, noch spiegelt oder streut er sie zurück. 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 aufgerauhte 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. Ab einer bestimmten Temperatur ist sie sichtbares Licht und direkt zu sehen. Das Loch verhält sich somit nahezu wie ein schwarzer Körper. Ein schwarzer Körper ist eben ein Gedankenmodell und muss weder schwarz noch ein Körper sein. Das ist schon verblüffend. Für praktische Untersuchungen sind technische schwarze Körper notwendig. Perfekt sind sie alle nicht. Je nach Bedarf, müssen sie entsprechend aufwändig hergestellt werden, um den idealen Eigenschaften so nahe wie notwendig zu kommen.
Physiker versuchen physikalische Gesetze mit mathematischen Gleichungen zu beschreiben. Für schwarze Körper ist dies auch geschehen. Max Planck gelang es als erstem in einer vollständigen Form. Das Gesetz trägt seinen Namen und heißt Plancksches Strahlungsgesetz. Es beschreibt die Intensität und Frequenzverteilung der von einem schwarzen Körper ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung.
Ruß ist ein Beispiel für einen realen schwarzen Körper. Er absorbiert die Strahlung nicht vollständig, aber unabhängig von der Wellenlänge (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, die 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 näherungsweise eine Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur von 2,725 ± 0,020 Kelvin. 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).
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
Begriffsentstehung
Eigenschaften
Anwendungen
Anschauliches Beispiel zur Absorption im Hohlraum
Literatur
Weblinks
Videos