Schwarzkörperstrahlung ist , wie ich es verstehe, Strahlung im thermischen Gleichgewicht bei einer festen Temperatur mit einem Hohlraum. Das Spektrum dieser Strahlung folgt der berühmten Schwarzkörper-Verteilungskurve. Aber überraschenderweise folgt auch die von der Sonnenoberfläche kommende Strahlung der Schwarzkörperkurve, obwohl die Strahlung nicht im Gleichgewicht zu sein scheint. Warum ist das so?
Eine verwandte Frage ist, dass ein Glühfaden meiner Meinung nach auch dem Schwarzkörperspektrum gehorcht. Aber auch dort befindet sich das Filament nicht im thermischen Gleichgewicht. Was ist der Fehler in meinem Verständnis?
Stellen Sie sich eine große Anzahl von Atomen oder Ionen vor, von denen jedes mit hoher Frequenz um seine Gleichgewichtsposition oszillieren und voneinander abprallen kann. Wir baden diese Atome in elektromagnetischer Strahlung, so dass Energie zwischen den Atomen und der Strahlung hin und her geteilt wird, bis ihre Schwingungen (die Strahlung in diskreten Quanten absorbieren und emittieren ) in ein dynamisches Gleichgewicht mit dem Strahlungsbad kommen.
Wenn dies auftritt, nimmt die resultierende Energieverteilung die Form des Schwarzkörperspektrums an , unabhängig davon, welche Art von Atomen vorhanden sind. Die Verteilung hat einen Buckel in der Mitte und die Spitze dieses Buckels stellt die Temperatur des Systems dar, die mit der wahrscheinlichsten Energie verbunden ist, die die Atome oder Ionen und die Strahlung selbst annehmen werden, nachdem das Hin- und Herteilen beendet ist bis zur Vollendung.
In den äußersten Schichten der Sonne wird das Strahlungsbad mit den kinetischen Energien der herumrasenden Atome und Ionen gut durchmischt und es entsteht eine Frequenzverteilung mit einem Peak, der einer Temperatur von etwa 5800 Grad Kelvin entspricht.
Die Photonen, die mit dieser Energieverteilung in den Weltraum strömen, werden sofort durch weitere Photonen aus der Tiefe der "Oberfläche" der Sonne ersetzt, die mit der vorhandenen Materie ins Gleichgewicht gebracht werden, und die spektrale Verteilung bleibt erhalten.
Es ist sehr wichtig zu verstehen, was wir unter thermischem Gleichgewicht verstehen, wenn wir über Schwarzkörperstrahlung sprechen. Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass innerhalb des Körpers alle Energieniveauverteilungen und Geschwindigkeitsverteilungen aller Teilchen gleich sind und durch einen einzigen Wert charakterisiert werden können.
Das heißt, seine Energieniveauverteilungen, Partikelgeschwindigkeitsverteilungen (usw.) müssen im Gleichgewicht sein und durch eine einzige Temperatur gekennzeichnet sein. Außerdem muss das Strahlungsfeld bei derselben einzigen Temperatur auch im Gleichgewicht mit der Materie sein. Während dies für das Sonneninnere eine sehr gute Annäherung ist, ist dies nahe der Oberfläche nicht der Fall, da Strahlung entweichen kann und sich die Temperatur mit der Tiefe auf einer Längenskala ändert, die mit der mittleren freien Weglänge der Photonen vergleichbar ist. Daher ist es besser, sich vorzustellen, dass die Sonne Schwarzkörperstrahlung aus verschiedenen Schichten bei unterschiedlichen Temperaturen aussendet.
Ist die Sonne ein schwarzer Körper?
Nun sagen Sie, dass die Sonne "die von der Oberfläche der Sonne kommende Strahlung folgt auch der Schwarzkörperkurve" ihre Strahlung von der Oberfläche aussendet, während es für einen externen Beobachter wie uns so aussieht, die Photonen werden tatsächlich im Inneren des Kerns erzeugt und machen ihren Weg durch.
Schwarzkörperstrahlung ist Wärmestrahlung eines hypothetischen Körpers, der überall die gleiche Temperatur hat und ein perfekter Absorber ist. Von allen Körpern bei gleicher Temperatur hat er bei jeder Frequenz die intensivste Wärmeemission. Das Spektrum ist glatt, ohne Linien oder Spitzen oder Löcher, aber es fällt auch für Null- und unendliche Frequenzen auf Null ab.
Schwarzkörperstrahlung vs. Wärmestrahlung
Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, wie Sie sehen, erfüllt die Sonne all diese Anforderungen, sie hat überall die gleiche Temperatur (an ihrer Oberfläche), wie sie für einen äußeren Beobachter wie uns sichtbar ist, und das Spektrum ist glatt, ohne Spitzen oder Löcher.
Aber wenn Sie ganz genau sein wollen, müssen Sie sich vorstellen, dass die Sonne schwarze Körperstrahlung bei unterschiedlichen Temperaturen aus verschiedenen Schichten aussendet.
Dies kann als Kommentar gewertet werden.
Obwohl sich Planeten und Sterne weder im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung noch in perfekten Schwarzen Körpern befinden, wird die Strahlung Schwarzer Körper als erste Näherung für die Energie verwendet, die sie aussenden
Die Strahlungskurve eines schwarzen Körpers ist eine erste Annäherung an die Strahlung eines Materiekörpers. Manchmal passt sie gut, manchmal nicht (wie zB bei Gasen). Die beste Anpassung an die Strahlungskurve des schwarzen Körpers ist im kosmischen Mikrowellenhintergrund zu sehen.
Wenn man bedenkt, dass die Thermodynamik aus der statistischen Mechanik hervorgeht, würde meiner Meinung nach die Form erwartet, selbst wenn die Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts teilweise in einer Zeit dt eingehalten werden. Aber vielleicht bekommst du eine Antwort von einem Experten zu diesem Thema.
Philipp