Rayleigh-Jeans-Gesetz und die Ultraviolettkatastrophe
Das Rayleigh-Jeans-Gesetz beschreibt die Intensitätsverteilung der Strahlung eines Schwarzen Körpers bei einer bestimmten Temperatur für lange Wellenlängen (niedrige Frequenzen). Es basiert auf der klassischen Physik und lautet:
Hierbei ist
- I(λ, T) die Strahlungsintensität bei der Wellenlänge λ,
- c die Lichtgeschwindigkeit,
- kB die Boltzmann-Konstante,
- T die Temperatur und
- λ die Wellenlänge.
Dieses Gesetz beschreibt die Strahlung gut bei langen Wellenlängen, aber bei kurzen Wellenlängen führt es zu unphysikalischen Ergebnissen.
Das Problem ist die sogenannte Ultraviolettkatastrophe.
Für sehr kurze Wellenlängen (z. B. im UV-Bereich) sagt das Rayleigh-Jeans-Gesetz eine gegen unendlich gehende Strahlungsintensität voraus. Dies entspricht jedoch nicht den experimentellen Beobachtungen, da reale Körper bei kurzen Wellenlängen immer weniger Strahlung abgeben.
Die Lösung des Problems kam von Max Planck, der vorschlug, dass die Strahlung in diskreten Energiepaketen (Quanten) emittiert wird. Die Energie eines solchen Pakets ist proportional zur Frequenz der Strahlung:
E=hν
Hierbei ist
- E die Energie des Quants,
- h das Plancksche Wirkungsquantum und
- ν die Frequenz der Strahlung
Plancks Hypothese führte zum Planckschen Strahlungsgesetz, das die Intensitätsverteilung korrekt beschreibt und somit die Ultraviolettkatastrophe löst. Dies war der Beginn der Quantenmechanik.
Schwarzkörperstrahlung
Die Schwarzkörperstrahlung beschreibt die elektromagnetische Strahlung eines idealisierten Schwarzen Körpers, der sämtliche auf ihn treffende Strahlung absorbiert und nur in Abhängigkeit von seiner Temperatur wieder abstrahlt.
Ein solcher Körper emittiert Strahlung in allen Wellenlängenbereichen, wobei die Intensität der Strahlung und deren spektrale Verteilung nur von der Temperatur des Körpers abhängt.
Ein ideales Beispiel für die Schwarzkörperstrahlung ist die Strahlung eines erhitzten Metallstücks, das bei niedrigen Temperaturen im Infrarotbereich strahlt und bei höheren Temperaturen sichtbares Licht aussendet (z. B. rotglühendes Eisen).
Je höher die Temperatur des Körpers, desto mehr Strahlung wird im kurzwelligen Bereich abgegeben, was dazu führt, dass das Objekt von rötlichem zu weißlichem Glühen übergeht.