Physik- Versuche

Absorption und Reflexion von elektromagnetischer Strahlung

 Der "umgekehrte" schwarze Strahler

Einleitung

Absorption und Reflexion sind entgegengesetzte Vorgänge. Deshalb zeigt ein guter Absorber wenig Reflexionsvermögen und umgekehrt. Das gilt natürlich auch für den Bereich des elektromagnetischen Spektrums, den wir mit Licht bezeichnen. Ein guter Absorber im sichtbaren Bereich erscheint dunkel. Ein perfekter Absorber reflektiert überhaupt keine Strahlung und seine Farbe ist ein perfektes schwarz.

Die Pupille eines Schülers ermöglicht den Eintritt von Licht ohne dabei wesentliche Reflexion zu zeigen – sie erscheint daher schwarz. (Warum Pupillen auf Farbfotografien oft rot erscheinen, kommt von der direkten Reflexion des Blitzlichtes an der durchbluteten Netzhaut.)
Betrachtet man auf einer Baustelle die offenen Enden von Rohren in einem Stapel, so erscheinen die "Löcher" schwarz. Schaut man auf Fenster entfernter Häuser bei Tageslicht, so erscheinen sie ebenfalls schwarz. Diese Öffnungen sehen deshalb schwarz aus, da das einfallende Licht vielfach an den Wänden im Inneren reflektiert wird und bei jeder Reflexion ein Teil des Lichtes auch absorbiert wird. Dadurch erreicht nur mehr ein Bruchteil des Lichtes oder auch gar kein Licht die Öffnung um austreten zu können.

Dieser Vorgang ist völlig unabhängig von der Beschaffenheit und Farbe der Innenwände. D.h. auch gut reflektierende Flächen im Inneren eines solchen Raumes zeigen Absorption, auch wenn der Absorptionskoeffizient sehr klein ist. Das Licht läuft sich praktisch im Innenraum "tot" (siehe Abb. rechts).

Dieser Effekt kann mit dem im Folgenden beschriebenen Experiment sehr deutlich gezeigt werden.

Als Ergänzung sei noch angefügt, dass solche Hohlräume auch als perfekte Lichtquellen zu betreiben sind. Bringt man die Wände im Hohlraum zum Leuchten, so tritt aus dem Loch elektromagnetische Strahlung aus, deren spektrale Verteilung exakt dem Plankschen Strahlungsgesetz für den schwarzen Strahler entspricht. Auch dieser Effekt ist unabhängig von Farbe und Beschaffenheit des Innenraumes.

Versuchsbeschreibung

Der schwarze Strahler besteht aus einem würfelförmigen Holzkasten, der mit einem Deckel versehen ist (Abb. 2). Der Deckel soll den Kasten lichtdicht abschließen. Mit zwei Hakenverschlüssen kann der Deckel fixiert werden. Der Würfel hat eine Kantenlänge von ca. 40 cm. In eine Seite bohrt man ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 6 cm. Der Innenraum und die Deckelinnenseite werden weiss lackiert.

Man zeigt den Kasten zunächst geschlossen vor und lässt die SchülerInnen raten, wie der Innenraum dieses Kastens beschaffen sei (Abb. 2). Dabei ist es notwendig etwas Distanz zu den SchülerInnen einzuhalten. Auch sollten direkte Lichteinfälle in das Loch (z.B. tief einfallende Sonnenstrahlen) vermieden werden (siehe Hinweis auf die roten Augen weiter oben im Text).

Danach wird der Kasten geöffnet und gezeigt, dass der Innenraum völlig weiss bemalt ist (Abb. 3). Der Überraschungseffekt ist immer sehr groß.

Abb. 2	Abb. 3

Verbesserungsvorschlag:
Bereitstellung unterschiedlicher auswechselbarer Auskleidungen für den Innenraum (z.B. aus Metallfolie).
Damit kann die Unabhängigkeit von der Beschaffenheit des Innenraums gezeigt werden (noch nicht erprobt!)

Lehrplanbezug

Unterstufe: 4. Klasse, Licht und Farben – Erfahrungsbereich Sehen; Lernziel Erkennen der Entstehung von Körperfarben

Oberstufe: 6. Kl. RG und 7. Kl. G: Emission und Absorption von Licht; 8. Kl. RG (erg. U.): Bau des Universums. Es gibt aber keinen Grund auf dieses Thema in den 8. Kl. der anderen Formen zu verzichten, da Kosmologie einen wesentlichen Beitrag zur Allgemeinbildung beiträgt.

Bemerkung

Ich habe dieses Experiment bei unserem Tag der offenen Tür einem breiten Publikum (Unterstufen-, OberstufenschülerInnen und Eltern) zeigen können. Die Verblüffung war meist sehr groß, wobei die Erwachsenen teilweise viel erstaunter waren, als die Kinder.

Ich möchte auch Herrn Alois Kloiber, unserem Schulwart sehr herzlich danken, der diesen Kasten nach meinen Vorstellungen angefertigt hat.

Literatur

Conceptual Physics
Paul G. Hewitt
Addison-Wesley 1998