Wie entsteht Wärmestrahlung?

Interessiert Dich, wieso Körper über 0K Strahlung abgeben? Hier kannst Du es nachlesen.

Gibt es einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur?

Unsere Exkursion in die Physik fängt beim Lehrstoff aus Deiner Grund- bzw. Mittelschule an, so einfach wie nur möglich erklärt.

Die Temperatur ist ein Maß für die innere Energie von Materie, unabhängig deren Aggregatzustandes. Sie stellt die Summe der Bewegungsenergie der Atome, Moleküle und Elektronen dar. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C bzw. 0 K) ist die innere Energie größer Null. Mit dem Ansteigen der Temperatur erhöhen sich Frequenz und Amplitude der Teilchenschwingungen, sowie Geschwindigkeit und Bahndurchmesser der Elektronenbewegung. (Anmerkung: Bei 0 K bewegt sich nichts.)

Das Atommodell von Bohr gibt die einfachste Erklärung für diesen Zusammenhang. Diesem Modell entsprechend sind die Bahnen der Elektronen um den Atomkern (Protonen) jeweils an ein bestimmtes Energieniveau gebunden. Diese stabilen Zustände können nur durch den Sprung auf eine Bahn mit höherem oder niedrigerem Energieniveau verlassen werden.

Wird die Materie erwärmt (also Energie zugeführt), springen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Verlässt dagegen ein Elektron seine derzeitige Bahn auf ein niedrigeres Energieniveau, dann wird der Energieunterschied als elektromagnetische Welle (bzw. Photon) abgegeben.

Wie entsteht Wärmestrahlung?

Für diese Erklärung nutzen wir das bereits erwähnte Bohrsche Atommodell. Springt ein Elektron von seiner derzeitigen Bahn auf ein niedrigeres Energieniveau, dann wird der Energieunterschied als elektromagnetische Welle (entsprechend klassischer Wellenlehre) oder als Wellen- und Massencharakter besitzendes Photon (nach der modernen Quantenphysik) abgegeben. Diese Energie wird innerhalb der Materie von einem anderen (benachbarten) Elektron aufgenommen, welches damit auf ein höheres Energieniveau befördert wird. Springt dann auch dieses zurück auf eine niedrigere Bahn, wiederholt sich der vorab genannte Vorgang: es kommt die Wärmeleitung innerhalb des Körpers zustande.

Insofern sich das den genannten Bahnwechsel absolvierende Elektron an der Oberfläche (Grenze) des Stoffes befindet, dann wird die Welle (Photon) in den umgebenden Raum abgegeben. Deren weitere Ausbreitung bzw. Bewegung geschieht hiernach geradlinig – im Vakuum mit maximaler, also Lichtgeschwindigkeit. (In allen anderen Medien langsamer.)

Da beobachtet werden kann, dass bei höheren Temperaturen bedeutend mehr Strahlung abgegeben wird, liegt es nahe, diesen Umstand zur berührungslosen Bestimmung der Temperatur auszunutzen. Wie die im nächsten Beitrag nachzulesenden physikalischen Gesetzmässigkeiten beweisen, ist dies auch tatsächlich sinnvoll und möglich.