Schwarz ist der beste Emitter, denn wenn etwas schwarz ist, bedeutet dies, dass es stark an das elektromagnetische Feld gekoppelt ist.

Thermische Strahlung

Körperliche Objekte sind von elektromagnetischer Strahlung umgeben. Eine Strahlungsquelle sind Sterne wie die Sonne. Sterne senden sichtbares Licht, Infrarotstrahlung und sogar eine ganze Reihe von Wellenlängen aus. Sie können ein Diagramm des Spektrums des Sonnenlichts auf Wikipedia sehen.$^{[a]}$Es stellt sich auch heraus, dass Materie selbst Strahlung aussendet. Da Materie eine Temperatur ungleich Null hat, bewirkt die thermische „Bewegung“ der Atome/Moleküle, dass sie zufällig in angeregte Zustände springen, und wenn sie nach unten springen, können sie Photonen elektromagnetischer Strahlung emittieren. Das nennt man Wärmestrahlung .

Verschiedene Materiearten strahlen ihre thermische Energie als elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichem Wirkungsgrad ab. Dies liegt ungefähr daran, dass die Elektronenübergänge (oder andere) in verschiedenen Materialien mehr oder weniger stark an das elektromagnetische Feld gekoppelt sind und weil verschiedene Materialien mehr oder weniger verfügbare Übergänge bei jeder Wellenlänge haben.$^{[c]}$Daher geben einige Materialien bei einer bestimmten Temperatur ihre Strahlung schneller ab als andere.

Gute Emitter sind gute Absorber

Jetzt kommt der wichtige Teil: Materialien, die ihre Wärmestrahlung gut abgeben, absorbieren auch gut die einfallende Strahlung . Das ist eigentlich nicht verwunderlich: Der Prozess der Absorption eines einfallenden Photons ist genau umgekehrt wie der Prozess der Emission, wenn also ein Material viele verfügbare Übergänge in sich hat oder Übergänge, die stärker an das elektromagnetische Feld gekoppelt sind, dann diese Übergänge sind sowohl für Emission als auch für Absorption verfügbar.

Und jetzt beantworten wir die Frage

Ein Material, das ein sehr guter Absorber ist, sieht schwarz aus, weil es alles einfallende Licht absorbiert. Nun, das klingt überzeugend, aber wenn Sie darüber nachdenken, würden Sie darauf hinweisen, dass ich Ihnen gesagt habe, dass gute Absorber auch gute Emitter sind, also sollte ein guter Absorber auch Licht abgeben. Es sollte nicht schwarz aussehen! Der Schlüssel hier ist, dass es die Photonen nicht mit der gleichen Wellenlänge emittieren muss, mit der es sie absorbiert. Was im Allgemeinen passiert, ist, dass, nachdem ein zB sichtbares Photon hereinkommt und absorbiert wird, die Energie in Wärme umgewandelt wird und später durch eine thermische Emission wie oben beschrieben emittiert wird. Diese thermische Emission kann im Infrarotbereich (für praktische Temperaturen) liegen, den Sie mit Ihren Augen nicht sehen können. Deshalb ein Objekt, das sowohl ein guter Absorber als auch ein guter Emitter istsieht schwarz aus, wenn es sich im thermischen Gleichgewicht nahe der Raumtemperatur befindet.$^{[d]}$Beachten Sie, dass dies bedeutet, dass schwarze Objekte tatsächlich mehr Energie ausstrahlen als weiße. Sie können dies nur nicht leicht erkennen, da diese Energie in einer Wellenlänge liegt, die Sie nicht sehen.

Mehr Informationen

Ein hypothetisches Objekt, das alle einfallende Strahlung perfekt absorbiert, wird als schwarzer Körper bezeichnet . Mithilfe von Quantenmechanik und statistischer Mechanik können Sie die Menge an Strahlungsleistung berechnen, die ein schwarzer Körper bei einer bestimmten Temperatur bei jeder Wellenlänge emittieren sollte.$^{[b]}$Interessanterweise sehen Sie, wenn Sie sich die Darstellung der Sonnenemission ansehen, dass sie einem idealen schwarzen Körper ziemlich nahe kommt.

Haben Sie schon einmal bemerkt, dass Thermodecken glänzen ? Glänzende Materialien sind schwach an das elektromagnetische Feld gekoppelt. Sie glänzen gerade deshalb, weil sie einfallende Strahlung reflektieren, anstatt sie zu absorbieren. Da schlechte Absorber schlechte Emitter sind, bedeutet dies auch, dass Sie Ihre Körperwärme langsamer abstrahlen, wenn Sie sich in eine glänzende Decke hüllen, wodurch Sie in einer kalten Umgebung wärmer bleiben. Natürlich würde das Tragen einer glänzenden Decke auch verhindern, dass Sie sich im Sonnenlicht aufwärmen. Man kann sich das so vorstellen, dass das glänzende Ding Sie von der Umgebung isoliert: Es verhindert, dass Sie sich durch einfallende Strahlung erwärmen, und es verhindert, dass Sie sich durch ausgehende Strahlung erkälten.

Deshalb glänzen Thermosflaschen auch.

$[a]$: Beachten Sie, dass die Spitzenstrahlungsleistung der Sonne bei etwa liegt$500\,\text{nm}$Wellenlänge, die genau in der Mitte des sichtbaren Spektrums liegt. Zufall?

$[b]$: Tatsächlich erkannten die Leute bei dem Versuch, das Emissionsspektrum des schwarzen Körpers zu berechnen, dass die klassische Physik Probleme hatte. In der klassischen Physik würde der schwarze Körper unendlich viel Energie ausstrahlen. Planck entdeckte, dass er dies beheben konnte, indem er annahm, dass die Energie quantisiert war. Nach eigenen Angaben war es damals ein völlig unmotivierter Hack, aber es funktionierte und war ein wichtiger Ausgangspunkt für die Quantenmechanik.

$[c]$: Für Details siehe einfach die Goldene Regel von Fermi .

$[d]$: Natürlich sehen heißere Objekte nicht in schwarzen Farben aus. Wenn Sie zum Beispiel ein Stück Metall im Feuer erhitzen, kann es rot glühen.