P 38: Es werde Licht! Physiker sind gefragt!

 4. Strahlungsgesetze - Oder wie kann man Glühlampen verbessern?

 

4.1 Die Wiege der modernen Physik

Mitte des 19.Jahrhunderts kamen neue Beleuchtungsquellen in den Städten auf: von Kerzen zu Gaslampen und dann gar zum elektrischen Licht.

 Da interessierte es die Beleuchtungsgesellschaften, womit sie am effektivsten Licht machen können.

Also begannen Physiker das Licht anhand der Spektren zu analysieren.

Sie trugen die Intensität des Lichtes gegen die Wellenlänge (oder Frequenz) auf.

Solche Bilder haben wir im letzten Post schon für das Sonnenspektrum gesehen.

Nun tragen wir nach, was wir unter Intensität verstehen wollen:

Intensität I = Energie, die pro m² und Sekunde senkrecht auf eine Fläche auftrifft.

 Einheit [I] = J/(sec*m²)  = W/m²   W steht für Watt

Frage: Wo ist denn im zweiten Bruch W/m² die Sekunde geblieben?

Aufgabe:

Eine LED hat eine Lichtleistung von 2 W. Wie groß ist die Intensität in einem Abstand von 1 m?

Hilfe: Nehmt die LED als punktförmig an und berechnet die Oberfläche einer Kugel mit dem Radius 1m. Dann verteilt alles, was ihr habt...

Heraus kommt: 0,16 W/m² = 160 mW/m²

Übrignes: Leistung ist Energie (oder Arbeit) pro Zeit....

Schauen wir uns mal einige solcher Kurven an:

Tageslicht (energie und umwelt)

stammt nicht von 1850..., licht und gesundheit

Nun, Physiker (heute auch ...innen) wollen immer alles mit Formeln beschreiben...

also haben sie etwas erfunden, für das man ganz gut Formeln finden kann, auch wenn es in der Natur nicht vorkommt.,..

die Schwarzen Körper SK wurden ausgedacht 

(Achtung: Schwarze Löcher sind keine SK, vorausgesetzt die Hawkingstrahlung existiert...) 

4.2. Schwarze Körper: Schwärzer als die Nacht

Ein Gegenstand, der bei allen Wellenlängen alle auf ihn einfallende Strahlung vollständig absorbiert, heißt Schwarzer Körper SK. 

Solche Körper gibt es in der Natur nicht, nur näherungsweise. Aber alle Formeln, die wir bald nutzen, gelten streng genommen nur für solche SK.

Warum sind Schwarze Körper schwarz?

Der innere Aufbau, die Struktur der Atome, muss bei einem SK so sein, dass für jede ankommende Strahlung auch eine Möglichkeit der Absorption besteht. Und wenn alles absorbiert wird, kann eben nichts mehr reflektiert werden.

leifiphysik

Am einfachsten kann man einen SK in einem Experiment durch einen schwarz verkleideten Hohlraum mit kleiner Öffnung realisieren. Wenn da mal ein Lichtstrahl reinfällt, ist es sehr unwahrscheinlich, dass er wieder herauskommt, da er bei jeder Reflexion im schwarzen Inneren stark abgeschwächt wird.

Geht mal an alten Häusern vorbei, wo die Kellerfenster noch direkt über den Fußweg ragen...die sehen alle schwarz aus.

 

 

Schwarze Körper strahlen auch!

Da jeder Körper, der absorbiert, auch bei den gleichen Wellenlängen emittieren kann (wir haben das daran gesehen, dass Emissionslinien und Absorptionslinien immer an der gleichen Wellenlänge anzutreffen sind), ist folgende zuerst seltsam wirkende Aussage richtig:

Ein SK strahlt bei einer bestimmten Temperatur unter allen Körpern die meiste Energie ab.

Deshalb nennt man die Strahlung eines SK auch Schwarzkörperstrahlung oder Hohlraumstrahlung, da man SK ja oft durch Hohlräume realisiert.

Im Prinzip kann man sich die Wände eines Hohlraumes aufgeheizt vorstellen. Dann strahlen sie, die Strahlung kommt aus der Öffnung raus und die Öffnung leuchtet. 

So wie die heißen schwarzen Kohlen im Grill. 

 

 

 

 

 

 

 Sterne sind nur näherungsweise SK, wie der Vergleich des Spektrums der Sonne mit der Schwarzkörperstrahlung eines Körpers von 5777 K zeigt.

Igbal: Introduction to solar radiation

 Aus diesem Vergleich her  (alle anderen Temperaturen passen weniger gut), sagt man, dass die Photosphäre der Sonne eine Temperatur von 5777 K hat.

Zusammenfassend drückt man das alles durch das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz aus:

Ein Körper der gut absorbiert, strahlt auch gut ab!

(Gustav Robert Kirchhoff, 1824 - 1887, der hat auch die Stromkreisgesetze für Parallel- und Reihenschaltung gemacht.... ihr seid euch schon begegnet...).