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Schwarzer Körper (Teil I)

Wechselwirkung von Licht und Materie gibt Einblick in die Welt der Quanten

Licht und Materie stehen in permanenter Wechselwirkung und ändern ihre Energie. Bekannte Phänomene wie Absorption, Reflexion, Streuung oder Brechung von Licht führen uns das eindrucksvoll vor Augen. Hierbei sind Körper die sämtliches Licht absorbieren und nicht reflektieren absolut schwarz. Die Sonne ist ein idealer schwarzer Körper, ihre Helligkeit resultiert allein auf Grund ihrer thermischen Wärmeentwicklung. Aber auch alle anderen Körper strahlen. Ein Spiegel reflektiert, Glassplitter brechen das Licht.

Sonne - idealer Schwarzer Körper

Sonnenoberfläche

Die Sonne ist ein idealer schwarzer Körper.
SOHO-EIT image from sun
14 September 1997

© nasa

Am Ende des 19. Jh. schienen die meisten Probleme der Physik gelöst. Es gab nur noch einige, scheinbar kleine Unklarheiten, deren Lösung jedoch zu völlig neuen physikalischen Disziplinen wie beispielsweise der Relativitätstheorie und der Quantenphysik führte. Eines dieser unklaren Probleme war die Strahlung eines schwarzen Körpers – einem Gebilde, das jegliche 1 elektromagnetische Strahlung absorbiert.

Energiequantelung

Zu dieser Zeit lagen zwei Gesetzte zur Beschreibung der Strahlung eines schwarzen Körpers vor. Das Rayleigh-Jeans Gesetz und das Wiensche Strahlungsgesetz, welche die Strahlungsintensität für große bzw. für geringe Wellenlängen vorhersagen konnten. Erst Max Planck konnte 1900 die Lücke zwischen diesen beiden Gesetzen schließen, indem er annahm, dass die Energie eines Oszillators nur gequantelt abgegeben wird und zwar in natürlichen Vielfachen von hν. Mit der Einführung des nach ihm benannten Planckschen Wirkungsquantums h, die ihm zunächst zutiefst widerstrebte, legte er den Grundstein für die Quantenmechanik, er erhielt dafür 1918 den 2 Nobelpreis für Physik.

Idealer thermischer Strahler

Ein Modell für einen idealen thermischen Strahler ist der «Schwarze Körper». Ein Körper, der alles sichtbare Licht absorbiert erscheint uns vollkommen schwarz. Einen solchen Körper gibt es in der Natur nicht. Selbst Ruß besitzt noch einen Reflexionsgrad von etwa 4%. Er lässt sich aber technisch in sehr guter Näherung realisieren. Dazu wird ein Hohlraum verwendet, dessen Innenwände gut geschwärzt sind. Die einfallende Strahlung wird häufig reflektiert und verliert jedesmal Energie. Es kann praktisch keine Strahlung aus dem Hohlraum entweichen. Wir sprechen von einem schwarzen Körper. Durch die ständige Energiezufuhr würde sich der schwarze Körper aber ständig aufheizen. Damit nimmt automatisch seine Emission zu. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem der schwarze Körper genau so viel Energie abstrahlt, wie er aufnimmt. D.h. seine Emission ist genau so groß wie seine Absorption. Da ein schwarzer Körper optimal absorbiert, muss er umgekehrt genauso gut emittieren. Somit besitzt ein schwarzer Körper von allen Körpern bei gegebener Temperatur die höchste Energieabstrahlung. 3

Schwarzer Körper

Ein schwarzer Körper ist in der Physik ein idealisierter hypothetischer Körper, der auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Er ist eine ideale thermische Strahlungsquelle und dient als Grundlage für theoretische Betrachtungen sowie als Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung. Der Begriff «Schwarzer Körper» wurde 1862 von Gustav Kirchhoff geprägt. Dieser nimmt auftreffende elektromagnetische Strahlung vollständig auf (Absorption). Er lässt weder Strahlung durch sich hindurch (Transmission), noch spiegelt oder streut er sie zurück (Reflexion). In der Realität können diese idealen Eigenschaften nur angenähert auftreten. Aufgrund seiner thermischen Energie (Temperatur) gibt der schwarze Körper Strahlung einer bestimmten Intensität und spektralen Verteilung ab. 4

Thermische Strahlung

Jeder Körper mit einer Temperatur von mehr als 0 K strahlt auf Grund der Schwingungen seiner Atome bzw. deren Bestandteile ständig Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab. Die Körper haben dann bei einer bestimmten Frequenz ihr Intensitätsmaximum. Je wärmer der Körper ist, desto höher ist die Frequenz des Intensitätsmaximums. Diese Wellen liegen hier im Infrarotbereich (Wärmestrahlung), bei noch höheren Temperaturen im Bereich des sichtbaren Lichts d.h. der Körper glüht. Allerdings stellt man fest, dass nicht alle Körper bei gleicher Temperatur gleich strahlen, vielen fehlen verschiedene Frequenzbereiche im Spektrum. Je dunkler allerdings ein Körper dem optischen erscheinen nach ist – bei thermischem Gleichgewicht mit seiner Umgebung –, desto vollständiger ist sein Spektrum. 2

Absorption, Reflexion, Transmission

Wechselwirkung von Licht und Materie

Absorption, Reflexion, Transmission

Die von einem Körper absorbierte Strahlung wird in innere Energie umgewandelt.

© SOV

Die in einem Körper absorbierte Strahlung wird in innere Energie umgewandelt. Das geschieht bei den meisten festen und flüssigen Körpern in einer sehr dünnen Randschicht, z.B. bei elektrisch leitenden Körpern schon in einer Tiefe von 0,001 mm und bei Nichtleitern bis 1 mm. Schwarze Körper haben eine Absorption von A=1. Die Reflexion von Wärmestrahlung kann spiegelnd – bei blanken, glatten Oberflächen, Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel – oder diffus (matte Oberflächen) erfolgen. Weiße Körper haben eine Reflexion von R = 1.

Die Bezeichnung schwarzer oder weißer Körper hängt vom Verhalten im Bereich der Wärmestrahlung ab und darf nicht mit dem Aussehen verwechselt werden. In diesem Bereich sind z.B. Rauhreif A =0.98, Ruß A=0.95 oder weiße Emaille A=0.91 nahezu schwarze Körper. Weiße Körper sind polierte Gold- oder Kupferoberflächen mit A=0.02-0.03. Körper, die eine auftreffende Strahlung vollständig hindurch lassen, heißen diatherm, sie haben D=1. Völlig durchlässig sind ein- und zweiatomige Gase. Mehratomige Gase, wie z.B. Kohlendioxid oder Wasserdampf haben D<1 und A>0.

Treibhauseffekt

Die Durchlässigkeit hängt auch von der Wellenlänge der Strahlung ab. Glas z.B. ist für den sichtbaren Bereich der Temperaturstrahlung sehr gut durchlässig, während es die langwellige Wärmestrahlung weitgehend reflektiert. Diese Eigenschaften des Glases haben den so genannten Treibhauseffekt zur Folge. Bei der Sonnenstrahlung liegt das Intensitätsmaximum im sichtbaren Bereich. Damit dringt ein großer Teil der Sonnestrahlung durch das Glasfenster hindurch. Im Raum wird diese Strahlung zum größten Teil von Gegenständen und Wänden zu innere Energie absorbiert, die dann wieder durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben wird und den Raum erwärmt. 5

Ruß - ein fast idealer schwarzer Körper

Industrielle Herstellung von Ruß

Industrielle Herstellung von Ruß

Ruß ist ein schwarzer, aus Kohlestoff bestehender Körper.
Degussa Produktionsreaktor

© Uni Duisburg Essen

Ruß – Althochdeutsch ruos, dunkel-, schmutzfarben – ist ein schwarzer und zu 80-99,5 % aus Kohlenstoff bestehender pulverförmiger Feststoff. Ruß ist ein wichtiges technisches Produkt, das durch unvollständige Verbrennung oder Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen in großen Mengen hergestellt wird.

Herstellungsverfahren

Das wichtigste Herstellungsverfahren für Industrieruß ist der Furnace-Prozess. Bei diesem Verfahren wird in einer Brennkammer ein Heißgas von 1200 bis 1800 °C durch Erdgas- oder Ölverbrennung erzeugt. In dieses Heißgas wird dann ein Rußrohstoff, meist aromatenreiche kohle- und erdölstämmige Ruß-Öle, eingedüst. Durch unvollkommene Verbrennung und thermische Spaltung (Pyrolyse) des Rußrohstoffs wird dabei der Ruß gebildet. Nach einer bestimmten Verweilzeit wird das Prozessgasgemisch durch Wassereindüsung schlagartig abgekühlt und der Ruß wird in Schlauchfiltern abgetrennt. Die verzögerte Abkühlung im Vergleich z.B. zum kontinuierlich arbeitenden Gasruß- bzw. Channel-Verfahren begünstigt größere Rußpartikel. Neben Furnace und dem Gasruß-Verfahren gibt es noch das Flammruß-, Acetylenruß- und Thermalrußverfahren. 6

Vergrößerung eines Rußpartikels

Vergrößerung eines Rußpartikels

Ruß – seit Gutenberg bis heute unverändert die Grundlage der Druckerschwärze – ist auch deshalb so schwarz, weil die
Oberfläche so zerklüftet ist, Dispersion. 8

© Uni Duisburg Essen

Schwarze Farbe

Kohlenstoffpigmente werden aus Ruß gewonnen und ergeben ausschließlich schwarze Farbe. Der Ruß wird durch unvollständige Verbrennung von organischen Materialien gewonnen. Die bei der Gasverbrennung gewonnenen Gase ergeben einen sehr feinkörnigen Ruß, der zur Herstellung hochwertiger Druckfarben verwendet wird. Weniger feine Ruße, die bei der Verbrennung von Ölrückständen gewonnen werden, verwendet man zur Herstellung billiger Druckfarben oder als Füllstoff in der Chemischen Industrie. Kohlenstoffpigmente bestehen aus nahezu reinem Kohlenstoff, sind absolut lichtbeständig und haben eine hohe Deckkraft. 7


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