Hohlraumstrahlung

Dieser Text beschreibt Hohlraumstrahlung.

Unter Hohlraumstrahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung innerhalb eines abgeschlossenen Hohlraums in dem thermischen Gleichgewicht.

Die Hohlraumstrahlung ist eine sehr gute Näherung der thermischen Strahlung eines schwarzen Körpers. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die Absorption und die Emission zueinander proportional sind:

Nehmen wir an, ein Körper strahlt in einer Wellenlänge z.B. ca. 50 Prozent der Energie ab, die ein schwarzer Körper abstrahlen würde. Dann nimmt er von auftreffender Strahlung dieser Frequenz auch ca. 50 Prozent auf, der Rest wird reflektiert. In einem abgeschlossenen Hohlraum trifft nun jegliche Strahlung, die emittiert oder reflektiert wurde, irgendwann wieder auf eine Wand.

Nehmen wir nun an, die Strahlung in dem Hohlraum wäre weniger als die Schwarzkörperstrahlung. Wenn die Strahlung auf die Wand trifft, dann werden 50 Prozent davon absorbiert, sind also nicht mehr in dem Hohlraum; der Rest wird reflektiert, ist also zusätzlich in dem Hohlraum. Gleichzeitig sendet aber die Wand aufgrund ihrer Wärme 50 Prozent der Strahlung aus, die ein schwarzer Körper ausgestrahlt hätte. Da nun weniger Strahlung in dem Hohlraum ist, als für einen schwarzen Körper in dem Gleichgewicht zu erwarten, ist die davon absorbierte Hälfte natürlich auch weniger als die Hälfte der Schwarzkörperstrahlung, und somit weniger, als der (nicht-schwarze) Körper ausgestrahlt hat. Das System ist also nicht in dem Gleichgewicht, sondern die Strahlung in dem Hohlraum nimmt zu, nähert sich also der Schwarzkörperstrahlung von unten an.

Eine analoge Argumentation ergibt, dass bei mehr Strahlung in dem Hohlraum, als für einen ideal schwarzen Körper zu erwarten wäre, der Körper mehr Strahlung absorbiert als er abgibt, so dass auch in diesem Fall sich die Menge der Strahlung derjenigen des ideal schwarzen Körpers annähert.

Somit ist in dem Gleichgewicht gerade so viel Strahlung in dem Hohlraum, wie auch bei einem ideal schwarzen Körper darinnen wäre.

Reale Hohlräume sind allerdings nicht ganz perfekt (so muss man z.B. ein Loch hinein "bohren", um die Hohlraumstrahlung überhaupt messen zu können, außerdem kann der Festkörper für bestimmte Frequenzen teilweise transparent sein), aber der Unterschied ist normalerweise klein genug, um ihn vernachlässigen zu können.