Plancksches Strahlungsgesetz

Als Plancksches Strahlungsgesetz wird die Energieverteilung der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. der Frequenz bezeichnet, die ein Schwarzer Körper abgibt.

Sendet ein Schwarzer Körper elektromagnetische Strahlung in Form von Wärmestrahlung aus, so ist diese Strahlung über einen breiten Wellenlängenbereich verteilt. Dies wird als Spektralverteilung bezeichnet. Diese Strahlungsspektren weisen ein deutliches Maximum auf, welche sich mit zunehmender Temperatur zu niedrigeren Wellenlängen verschieben. Dies wird als Wiensches Verschiebungsgesetz bezeichnet. Die Strahlungsintensität nimmt dabei mit steigender Temperatur zu. Diesen Zusammenhang beschreibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz. In der folgenden Abbildung sind verschiedene Plancksche Strahlungsspekten für unterschiedliche Temperaturen dargestellt.

Das Plancksche Strahlungsgesetz existiert in einer Vielzahl von Varianten. Es wurde sowohl in Abhängigkeit von der Wellenlänge als auch von der Frequenz der Strahlung formuliert. Zusätzlich wurde es für die Strahlungsintensität, die Energie die Anzahl der Photonen und für die Abstrahlung in unterschiedliche Richtungen definiert.

Das Plancksche Strahlungsgesetz stellt einen Zusammenhang zwischen dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, dem Rayleigh-Jeans-Gesetz, dem Wiensche Strahlungsgesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz her. Dabei besagt das Stefan-Boltzmann-Gesetz, dass die abgestrahlte Leistung der Wärmestrahlung proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist. Die abgestrahlte Leistung bei einer bestimmten Temperatur, entspricht dabei der Fläche unter dem jeweiligen Strahlungsspektrum. Das Rayleigh-Jeans-Gesetz beschreibt den Zusammenhang der Wärmestrahlung zur Temperatur eines schwarzen Körpers bei großen Wellenlängen. Das Wiensche Strahlungsgesetz beschreibt ebenfalls die Abhängigkeit der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers von der Temperatur, ist allerding nur bei kleinen Wellenlängen gültig. Das Wiensche Verschiebungsgesetz gibt die Verschiebung des Maximums der Wellenlänge mit zunehmender Temperatur zu kleineren Werten an. Diese Zusammenhänge sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das Prinzip des Plankschen Strahlungsgesetzes beruht darauf, dass die Abgabe der Energie eines schwarzen Körpers nicht kontinuierlich erfolgt, sondern in kleinen Energiepaketen abgegeben wird. Diese Energiepakete, die als Quanten bezeichnet werden, nehmen dabei immer bestimmte Energiewerte an, die ein ganzzahliges Vielfaches des sogenannten Plankschen Wirkungsquantum sind. Bei dem Plankschen Wirkungsquantum handelt es sich um eine fundamentale Naturkonstante, die von dem Physiker Max Planck bei der Ermittlung des Plankschen Strahlungsgesetzes entdeckt wurde. Diese Entdeckung legte den Grundstein der modernen Quantenphysik. Die Quantenphysik beschreibt das Verhalten von kleinsten Teilchen und deren Wechselwirkungen. Die Größenordnungen dieser Teilchen liegen im Bereich von Atomen und darunter. Bei derartig kleinen Teilchen treten Phänomene auf, die mit der klassischen Mechanik nicht erklärt werden können.

Englische Übersetzung(en):

Planck's radiation law