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Ein schwarzer Körper (auch: schwarzer Strahler, planckscher Strahler) ist in der Physik ein idealisierter Körper, der auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Er ist zugleich eine ideale thermische Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung mit einem charakteristischen, nur von der Temperatur abhängigen Spektrum aussendet, und dient als Grundlage für theoretische Betrachtungen sowie als Referenz für praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung. Der Begriff „schwarzer Körper“ wurde 1860 von Gustav Kirchhoff geprägt.
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Ein schwarzer Körper nimmt auftreffende elektromagnetische Strahlung, etwa Licht, vollständig auf (Absorption). Er lässt weder Strahlung durch sich hindurch (Transmission), noch spiegelt oder streut er sie zurück (Reflexion). In der Realität können diese idealen Eigenschaften nur angenähert auftreten. Andererseits gibt der schwarze Körper aufgrund seiner thermischen Energie (Temperatur) Strahlung (thermische Emission) einer bestimmten Intensität und spektralen Verteilung ab (siehe plancksches Strahlungsgesetz).
Nach dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz ist für jeden Körper bei jeder Wellenlänge und in jeder Richtung das Emissionsvermögen für thermische Strahlung proportional zu seinem Absorptionsvermögen. Da das Absorptionsvermögen des schwarzen Körpers bei jeder Wellenlänge den größtmöglichen Wert annimmt, nimmt auch sein Emissionsvermögen bei allen Wellenlängen den maximalen Wert an. Ein beliebiger realer Körper kann bei keiner Wellenlänge mehr thermische Strahlung aussenden als ein schwarzer Körper, der daher eine ideale thermische Strahlungsquelle darstellt. Da sein Spektrum außerdem von keinen anderen Parametern als der Temperatur abhängt, insbesondere von keinen Materialeigenschaften, stellt er eine für zahlreiche theoretische und praktische Zwecke nützliche Referenzquelle dar. Intensität und Frequenzverteilung der von einem schwarzen Körper ausgesandten elektromagnetischen Strahlung werden durch das von Max Planck aufgestellte plancksche Strahlungsgesetz beschrieben. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Frequenzverteilung zu höheren Frequenzen bzw. kürzeren Wellenlängen (wiensches Verschiebungsgesetz). Die gesamte ausgestrahlte Energie ist proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des schwarzen Körpers (Stefan-Boltzmann-Gesetz).
So emittiert beispielsweise ein schwarzer Körper bei einer Temperatur von 300 K (Raumtemperatur) pro m2 Oberfläche eine Strahlungsleistung von etwa 460 Watt; kein realer Körper kann bei derselben Temperatur mehr thermische Strahlung aussenden. Der schwarze Körper erscheint dem Auge trotz der Strahlungsemission lediglich deshalb dunkel, weil das Auge in diesem Wellenlängenbereich nicht empfindlich ist. Bei einer Temperatur von 5800 K (Temperatur der Sonnenoberfläche) emittiert ein schwarzer Körper eine Strahlungsleistung von 64 MW/m2; wiederum kann kein realer Körper bei derselben Temperatur mehr thermische Strahlung abgeben. Der Körper erscheint dem Auge jetzt hell leuchtend, da ein Teil der Strahlung in den optischen Spektralbereich fällt. Der Körper wird trotzdem als schwarzer Strahler bezeichnet, weil er nach wie vor alle auf ihn fallende Strahlung absorbiert: die ausgesandte Strahlung besteht vollständig aus vom Körper selbst thermisch emittierter Strahlung, sie enthält keinerlei reflektierte Umgebungsstrahlung.
Da das Emissionsvermögen unabhängig von der Abstrahlrichtung den maximalen Wert annehmen muss, strahlt ein schwarzer Körper gleichmäßig in alle Richtungen; er ist ein Lambert-Strahler und sendet vollständig diffuse Strahlung aus.
Ein idealer schwarzer Körper lässt sich nicht realisieren, da es keine Materialien gibt, welche elektromagnetische Wellen frequenzunabhängig vollständig absorbieren. Selbst die Herstellung eines Körpers, der dem Ideal des schwarzen Körpers nahe kommt, ist schwierig. Eine berußte Oberfläche (Absorptionsgrad ca. 0,96) genügt allenfalls für einfache Zwecke.
Da in der Regel nur die Absorptions- und Emissionseigenschaften der Strahlungsquelle, nicht jedoch deren Form von Belang sind, kann anstelle einer Oberfläche die Öffnung eines Hohlraumstrahlers oder einfach ein langes Sackloch verwendet werden. Damit lässt sich den idealen Eigenschaften eines schwarzen Strahlers wesentlich näher kommen, auch wenn die inneren Oberflächen einen niedrigen Emissionsgrad besitzen:
In einem Hohlraum mit Wänden aus beliebigem nichttransparentem Material, die auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, geben die Wände Wärmestrahlung ab und es stellt sich ein Strahlungsgleichgewicht ein. Die elektromagnetische Strahlung, die den Hohlraum erfüllt, nennt man Hohlraumstrahlung. Die Energiedichte und die Frequenzverteilung der Hohlraumstrahlung hängen nicht von der Beschaffenheit der Wände ab. Außerdem ist die Strahlung homogen, isotrop, unpolarisiert und vom Volumen des Hohlraums unabhängig (zur Begründung siehe Hohlraumstrahlung).
Ein in den Hohlraum eingebrachter Körper ändert nichts an den Eigenschaften der Hohlraumstrahlung, da diese von den Strahlungseigenschaften der neu hinzugekommenen Oberfläche und vom verringerten Hohlraumvolumen unabhängig ist. Dies gilt insbesondere, wenn man einen schwarzen Körper einbringt. Ein schwarzer Körper absorbiert jedoch die auf ihn fallende Hohlraumstrahlung vollständig. Damit im thermischen Gleichgewicht Energiedichte, Frequenzverteilung, Homogenität und Isotropie der Hohlraumstrahlung erhalten bleiben, muss der schwarze Körper bei jeder Frequenz und in jeder Richtung ebenso viel Energie als Eigenemission abstrahlen wie er aus der Hohlraumstrahlung absorbiert. Die Hohlraumstrahlung und die Emission des schwarzen Körpers müssen also insbesondere dieselbe Energiedichte und dieselbe Frequenzverteilung haben. Ein als Strahlungsquelle verwendeter Hohlraum hat daher dieselben Strahlungseigenschaften wie ein schwarzer Körper.
Bringt man in der Hohlraumwand eine Öffnung an, die klein genug ist, um das thermische Gleichgewicht nicht merklich zu stören, so kann durch die Öffnung Hohlraumstrahlung nach außen treten. Die von der Öffnung ausgehende Strahlung hat die Eigenschaften wie die Strahlung eines schwarzen Körpers, wenn das Verhältnis zwischen Öffnung und Innenvolumen ausreichend klein ist. Die Anforderungen, die an den Emissionsgrad der inneren Hohlraumoberfläche gestellt werden müssen, um auch bei einer Öffnung schwarze Strahlung bzw. vollständige Absorption zu erhalten, sind wesentlich geringer. Auch von außen in den Hohlraum einfallende Strahlung wird bei kleiner Öffnung vielfach im Inneren hin und her reflektiert und dabei zum größten Teil absorbiert, bevor ein geringer Rest wieder austreten kann. Solche Öffnungen erscheinen daher praktisch völlig schwarz; zur Unterstützung der Absorption werden die Hohlraumwände in der Regel schwarz eingefärbt.
In der Praxis verwendete schwarze Strahler sind Hohlkugeln mit einer Öffnung oder einseitig offene hohle Zylinder mit geschwärzter und aufgerauter Innenoberfläche.
Die Farbtemperatur ist ein Vergleichswert die sich nach dem planckschen Strahlungsgesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz die Intensitätskurve eines schwarzen Körpers im Maximum beschreibt. Dieses verschiebt sich mit wachsender Temperatur immer mehr in den kurzwelligen Bereich.
Bei sehr hoher Temperatur liegt es im Ultraviolett und gelangt bei sehr hohen Temperaturen in den Röntgenstrahlbereich. Bei etwa 5500 Kelvin liegt es mitten im sichtbaren Bereich.
Glühlampen mit einer Temperatur der Glühwendel von etwa 2500 Kelvin liegen mit dem Strahlungsmaximum im Nahen Infrarot. Der geringe Kurventeil im sichtbaren Bereich ergibt einen aufgrund des überwiegenden Rotanteiles einen gelblichen Farbeindruck. Der Farbeindruck der Strahlung eines thermischen Strahlers und auch eines schwarzen Strahlers kann zu dessen Temperaturbestimmung herangezogen werden.
Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich die maximale Strahlungsintensität eines schwarzen Körpers zu kürzeren Wellenlängen, der Farbeindruck also vom Roten ins Bläulich-Weiße. Der Farbton einer Lichtquelle läßt sich als Temperatur eines vergleichbaren schwarzen Strahlers angeben. Vorausgesetzt ist das deren Eigenschaften nicht zu stark von einem Grauen Strahler abweichen, um denselben Farbeindruck hervorzurufen. Dies ist die so genannte Farbtemperatur der Lichtquelle.
Für den sichtbaren Bereich gilt bei sehr hohen Temperaturen eine Näherung von Rayleigh und Jeans, in der die spektrale Strahldichte, d. h. die Leistung pro Flächen- und Raumwinkeleinheit und Frequenzintervall, zum Quadrat der Frequenz proportional ist. Eine weitere Erhöhung der Temperatur kann dann die relative Stahlungsverteilung im sichtbaren Bereich und damit den Farbeindruck nicht weiter verändern. In der CIE-Normfarbtafel kommt dies dadurch zum Ausdruck, dass die „Black-body-Kurve“ in einem Punkt endet, der in einem verhältnismäßig ungesättigten violetten Farbton liegt und der Temperatur „unendlich“ entspricht.
Wegen der universellen und nur von der Temperatur abhängigen Eigenschaften seiner Strahlung und weil er auf jeder Frequenz die größte bei der betreffenden Temperatur physikalisch mögliche thermische Strahlungsleistung abgibt, eignet sich der schwarze Körper als Strahlungsreferenz. Das Verhältnis der von einem beliebigen Körper und der von einem schwarzen Körper thermisch abgegebenen Strahlungsintensitäten ist der Emissionsgrad des Körpers. Der Emissionsgrad liegt stets zwischen 0 und 1 (grauer Strahler). Der schwarze Körper selbst hat immer den Emissionsgrad 1.
Ein realer Körper hat in der Regel auf verschiedenen Frequenzen und möglicherweise sogar in verschiedenen Ausstrahlrichtungen verschiedene Emissionsgrade, so dass für eine vollständige Charakterisierung der Emissionsgrad als Funktion der Frequenz und der Ausstrahlwinkel anzugeben wäre. Ein Körper mit richtungsunabhängigem Emissionsgrad strahlt völlig diffus; er ist ein Lambert-Strahler. Einen Körper, dessen Emissionsgrad auf allen Frequenzen gleich ist, nennt man einen Grauen Körper. In beiden Fällen ergeben sich oft erhebliche Vereinfachungen für Strahlungsberechnungen, so dass reale Körper oft – soweit möglich – näherungsweise als diffuse Strahler und Graue Körper betrachtet werden.
Nach dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz ist für jeden Körper der gerichtete spektrale Emissionsgrad gleich dem gerichteten spektralen Absorptionsgrad. Für die anderen, über die Richtungen und Frequenzen integrierten, Emissions- und Absorptionsgrade gilt die Gleichheit nur unter zusätzlichen Voraussetzungen.
Die Bezeichnung „schwarzer“ Körper kann zur irrigen Annahme führen, dass generell alle schwarz aussehenden Materialien einen hohen Absorptions- bzw. Emissionsgrad auch im infraroten Wellenlängenbereich haben. Das „schwarz“ in „schwarzer Körper“ bezieht sich jedoch als verallgemeinerter Begriff auf das gesamte elektromagnetische Spektrum, nicht auf einen Schwarzeindruck im Bereich des für Menschen sichtbaren Lichts. Das bedeutet konkret:
Commons: Schwarzer Körper – Bilder, Videos und Audiodateien
