Strahlungsgesetz von Planck

(Bild 1) Aus diesem Diagramm ist erkennbar:

• Je höher die Temperatur eines schwarzen Körpers ist, umso intensiver gibt er bei einer bestimmten Wellenlänge Energie ab.
• Je höher die Temperatur eines schwarzen Körpers ist, umso größer ist der Anteil der kurzwelligen Strahlung.

Zur Entdeckungsgeschichte des planckschen Strahlungsgesetzes

Nach zahlreichen Untersuchungen zur Temperaturstrahlung, die vor allem in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurden und zur Formulierung des kirchhoffschen Strahlungsgesetzes, des wienschen Verschiebungsgesetzes und des Strahlungsgesetzes von STEFAN und BOLTZMANN geführt hatten, stand vor den Physikern die Aufgabe, für den experimentell bestimmten Kurvenverlauf der Temperaturstrahlung eine Gleichung zu finden und zu begründen.

Um 1900 existierten zwei verschiedene Modelle für die Temperaturstrahlung: Eines stammte von dem Deutschen WILHELM WIEN (1864-1928), das andere von den englischen Physikern J. W. S. RAYLEIGH (1842-1919) und J. J. JEANS (1877-1946). Beide Modelle beschreiben jeweils nur einen Teil des Kurvenverlaufs korrekt (Bild 2). Da die Gesetze der Elektrodynamik und der Thermodynamik, von denen die Physiker ausgegangen waren, sich in anderen Bereichen der Physik bewährt hatten, musste unbewusst ein anderer Fehler gemacht worden sein.

Um dieses Problem zu lösen, machte der deutsche Physiker MAX PLANCK (Bild 3) eine ungewöhnliche, völlig im Gegensatz zu den bisherigen Vorstellungen der Physik stehende Annahme: Er ging davon aus, dass die Energie eines Strahlers nicht in unendlich vielen beliebig kleinen Teilen abgestrahlt wird, sondern dass sich die abgestrahlte Energie aus einer endlichen Anzahl von „Energieportionen“ oder Quanten zusammensetzt. In Auswertung der experimentell ermittelten Energieverteilungen fand MAX PLANCK im Jahr 1900 eine Konstante für den Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz der Strahlung. Diese Konstante wird ihm zu Ehren als plancksche Konstante oder als plancksches Wirkungsquantum bezeichnet. Das plancksche Strahlungsgesetz lautet:

$\begin{array}{l}{E}_{\text{f}}=\frac{2h\cdot f^3}{c^2}\cdot \frac{1}{e^{\frac{h\cdot f}{k\cdot T}}-1}\\ E_{\text{f}}\text{pro Flächeneinheit im Frequenzbereich}\\ f\text{bis}f+\Delta f\text{abgestrahlte Energie}\\ h\text{plancksches Wirkungsquantum}\\ f\text{Frequenz}\\ c\text{Lichtgeschwindigkeit}\\ T\text{absolute Temperatur}\end{array}$

Mit seinen Erkenntnissen gelang es PLANCK, den experimentell ermittelten Kurvenverlauf (Bild 1) exakt zu beschreiben. MAX PLANCK begründete seine Strahlungsformel in einem Vortrag vor der Berliner Physikalischen Gesellschaft am 14. 12. 1900. Dieses Datum gilt zugleich als Geburtsstunde der Quantentheorie. Für seine wissenschaftliche Leistung erhielt MAX PLANCK 1918 den Nobelpreis für Physik.