De zwarte straler

Als je een gloeilamp aanzet, wordt de gloeidraad die erin zit verhit en deze gaat dan licht uitzenden. Als je een ijzeren staaf verhit om  te smeden, zie je die eerst roodgloeiend worden en als je verder verhit wordt deze oranje, geel en uiteindelijk witheet. De voorwerpen zenden dus licht uit, waarvan de kleur van de temperatuur afhangt. Bestaat er een verband tussen kleur en temperatuur, en wat is dat verband? Voor zulk onderzoek gaan natuurkundigen objecten modelleren.

Een zwarte straler of zwart lichaam is zo’n geïdealiseerd object dat alle elektromagnetische straling die erop valt, absorbeert (en dus totaal geen straling reflecteert). Door de absorptie van deze energie wordt de temperatuur van het object tijdelijk hoger dan de omgevingstemperatuur. Er stelt zich vervolgens een stationair evenwicht in.

lava flow kilauea

Je kan de temperatuur van lava afleiden uit de kleur, in overeenstemming met de gemeten waarde tussen 1000 en 1200°C.

De thermische energie van het object wordt terug aan de omgeving  afgegeven, onder de vorm van elektromagnetische straling. Bij lage temperaturen zal de hoeveelheid zichtbaar licht verwaarloosbaar zijn en de straling voornamelijk infrarode straling zijn. Bij hogere temperaturen wordt het object eerst roodgloeiend, en dan witheet. In theorie zal een zwarte straler altijd alle golflengten uitzenden. Een zwarte straler is een ‘ideale uitzender’ en zendt, voor elke temperatuur, de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid uit qua golflengte. De straling uit een klein gaatje in een gesloten doos bij een constante temperatuur met wanden in grafiet geeft een goede benadering voor de straling van het zwart lichaam. Het is een continu spectrum en in de ideale situatie alleen afhankelijk van de temperatuur. De berekening van het spectrum, d.w.z. van  de kromme voor de uitgestraalde intensiteit in functie van de golflengte, was één van de grote uitdagingen in de theoretische natuurkunde tijdens de 19de eeuw.

Kleur van het licht uitgezonden door een zwarte straler bij verschillende temperaturen (in graden Kelvin).