4. Die spontane Emission

Thermische Strahlung ist allgegenwärtig! Man kann sie durch keine Maßnahme verhindern! Selbst das beste isolierte Kalorimeter stellt keinen strahlungsfreien Raum dar! Schließlich besteht es selbst aus energietragenden Teilchen, die auf ihren gequantelten Energieniveaus thermische Energie speichern. Unentwegt emittieren und absorbieren sowohl die Teilchen der im Kalorimeter untersuchten Stoffe als auch die Teilchen des Kalorimeters spontan thermische Energie.

In diesem vierten Kapitel wollen wir uns mit der spontanen Emission beschäftigen, weil in der Spontaneität dieses Phänomens ein sehr hilfreicher Schlüssel zum Verständnis von spontanen thermondynamischen Vorgängen liegt.

Das Regalmodell ermöglicht mit sehr einfachen mathematischen Mitteln für verschiedene Stoffe und Stoffportionen das jeweilige Emissionsspektrum zu berechnen. Diese Rechnungen zeigen, dass sich gequantelte Energieniveaus und Planck'sches Strahlungsgesetz gegenseitig bedingen. Aus der Veränderung dieser Spektren während der verschiedenen thermodynamischen Prozesse lässt sich die Übertragung von thermischer Energie sehr gut nachvollziehen.

Am linken und am rechten Würfel sind Öffnungen zu sehen und sie sind schwärzer als das Schwarz des Fotokartons. Aber der mittlere Würfel?? Auch er hat ein Loch! Schauen Sie sich das nächste Bild an! Ein Stück Draht verschwindet in dem Loch.

Der mittlere Würfel hat ein ebenso großes Loch wie der linke Würfel, aber es ist nicht zu sehen?! Beim rechten Würfel sieht man ein kleineres Loch, das dunkler ist als der Fotokarton. Wie kommt es, dass die Öffnung im mittleren Würfel nicht zu sehen ist, außer wenn man einen Gegenstand hineinsteck? Wo liegt das Geheimnis?

Steckt man in die Öffnung des mittleren Würfels einen größeren Gegenstand, dann kann man erkennen, dass das Loch genauso groß ist wie das im linken Würfel. Schauen Sie selbst!

Durch den größeren Gegenstand, der in die Öffnung des mittleren Würfels hineinreicht, wird die Größe des Lochs verkleinert und das Loch wird erkennbar. Offensichtlich wirken kleinere Öffnungen schwärzer als große. Aber wie kann man verstehen, dass die mittlere Öffnung zunächst nicht zu sehen war, obwohl sie genausogroß ist wie die im linken Würfel?

Lüften wir das Geheimnis!

Der linke Würfel besteht nur aus schwarzem Karton, innen wie außen. Die beiden anderen Würfel sind innen weiß ausgekleidet. Durch den anderen Blickwinkel im obigen Bild kann man erkennen, dass auch der mittlere Würfel innen weiß ausgekleidet ist.

Durch die Öffnung schluckt ein hohler Würfel viel Licht, mehr als seine schwarze Außenfläche. Selbst wenn der Würfel innen weiß ist, kann der weiße Hohlraum genausoviel Licht absorbieren, wie seine schwarze Außenfläche, und zwar dann, wenn die Größe der Öffnungsfläche und die Größe des Hohlraums in einem bestimmten Verhältnis stehen. Beim mittleren Würfel ist dies gerade der Fall. Macht man dann die Öffnung kleiner - wie beim rechten Würfel oder wenn man etwas hineinragen läßt - so sieht diese kleinere Öffnung des Hohlraums dann schwärzer aus als das Schwarz der Außenhaut des Hohlraums.

Aber damit noch nicht genug! Das "Loch" als schwarzer Körper absorbiert nicht nur mehr Licht als die massive Außenfläche, sondern das Loch strahlt auch intensiver als die Außenfläche. Kaum zu glauben!

Das Licht, das die Hohlraumöffnung aussendet, ist normalerweise mit dem menschlichen Auge nicht zu sehen. Wenn man jedoch den Hohlraum stark erhitzt, bis zur Rotglut beispielsweise, so sieht das schon anders aus. Nur - wie bringt man Fotokarton auf Rotglut?

Na, lesen Sie doch einfach noch den nächsten Abschnitt "Der schwarze Strahler"!