Königsberg, Kirchhoff und der ideale "Schwarze Körper"

Der Vater der Spektralanalyse und Wegbereiter der Infrarotthermographie

Wolfgang Thüne

und Bunsen war besonders von der Experimentierfähigkeit von Kirchhoff begeistert. Da Bunsen schon bald nach Heidelberg übersiedelte, setzte er sich für Kirchhoffs Berufung (1854) dorthin ein. Dort entwickelte sich bald eine fruchtbare Zusammenarbeit. Kirchhoff lehrte in Heidelberg sowohl die Experimentalphysik als auch die als Mathematische Physik bezeichnete Theorie. In den Jahren 1857 bis 1963 veröffentlichten Kirchhoff und Bunsen einzeln oder zusammen zahlreiche Arbeiten über die Wärmestrahlung und Spektralanalyse. Infolge eines Sturzes im Jahre 1869 mußte Kirchhoff die Experimentalvorlesung aufgeben. Im Rollstuhl las er nun Theorie. Nach zweimaliger Ablehnung folgte er 1875 dem Ruf als Professor für Theoretische Physik an die Universität Berlin. Kirchhoff beeinflußte in Heidelberg Helmholtz und war Lehrer so berühmter Physiker wie Ludwig Boltzmann, Heinrich Hertz und Max Planck. Es gibt wohl kein Gebiet der klassischen Physik, zu dem er nicht originelle, fruchtbare Beiträge leistete.

Kirchhoff war zweimal verheiratet. Im Jahre 1857 heiratete er Clara, die Tochter seines Mathematikprofessors Friedrich Julius Richelot und dessen Frau Adelheid Köhn von Jasky, die bereits 1969 verstarb. Der Ehe entstammte der Sohn Gustav, der später Oberbürgermeister von Insterburg war. In zweiter Ehe (1872) war er mit Luise Brömmel aus Goslar verheiratet, die ihn, an den Rolstuhl gefesselt, bis zu seinem Tod am 17. Oktober 1887 umsorgte. Die zum Teil als Pionierleistungen zu wertenden Arbeiten Kirchhoffs wurden 1891 von Boltzmann gesammelt herausgegeben. Von seinen 4 Bänden Vorlesungen über "Mathematische Physik" gab Kirchhoff selbst nur das "Lehrbuch der Mechanik" 1874 zum Druck. Die anderen Arbeiten wurden nach seinem Tod von Otto Krigar-Menzel, von Max Planck und Wilhelm Wien herausgegeben.

Eine besonders schaffensreiche Periode waren die Jahre 1858 bia 1863. Sie beruhte auf engster Zusammenarbeit mit Bunsen und drehte sich vorwiegend um ein Problem, die Emission und Absorption von Strahlung von dichter Materie und Atomen. Ihre Ergebnisse sind als Kirchhoffsche Strahlungsgesetze, als Bunsen-Kirchhoffsche Spektralanalyse und als Kirchhoffsche Analyse der Sonnen- und Sternmaterie weltweit bekannt geworden. Sie vollenden die von Fraunhofer 1816 eingeleitete Erforschung der hellen wie dunklen Linien, der "Fraunhoferschen Linien", im Sonnenspektrum. Bunsen hatte bereits in den 40er Jahren vergeblich versucht, die in dem kontinuierlichen Sonnenspektrum auftretenden dunklen Linien zu erklären. Auch mit Hilfe seines 1857 erfundenen "Bunsenbrenners" gelang es nicht. Erst Kirchhoff gelang die Konstruktion eines 3-Rohr-Spektrometers.

Kirchhoff berichtete in einer ersten, kurzen Veröffentlichung "Über die Fraunhoferschen Linien" 1859 in den Berichten der Preußischen Akademie der Wissenschaften und erwähnt einleitend, daß er bei einer mit Bunsen ausgeführten Untersuchung über die Spektren farbiger Flammen "einige Beobachtungen gemacht" habe. Systematisch untersuchten sie die hellen und dunklen Fraunhoferlinien im Spektrometer und fanden, daß Kochsalzdampf dieselben von ihm emittierten Linien auch absorbiert und mit den Fraunhoferlinien in der "heißen Sonnenatmosphäre" identisch sind. Diese Spektralbeobachtungen mit Salzen führten zur Bunsen-Kirchhoffschen Spektralanalyse und zu Kirchhoffs chemischer Analyse des Sonnenspektrums. Man entdeckte erstmals den "Zusammenhang von Emission und Absorption von Licht und Wärme". Hieraus leitete Kirchhoff die Begriffe "Schwarze Strahlung" und "Schwarzer Körper" ab.

Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz besagt: Erhitzte Materie gleich welcher Art sendet zu der sie umgebenden Materie tieferer Temperatur eine kontinuierliche Strahlung aus, die je nach der Temperatur unsichtbar oder sichtbar ist. Diese Strahlung nennt man "Temperatur- oder Wärmestrahlung". Bei allen Körpern hat für jedes Paar von beliebig variabler Temperatur und Wellenlänge das Verhältnis von Emissions- zu Absorptionsvermögen den gleichen Wert. Beträgt das Absorptionsvermögen 1, dann nennt man ihn "Schwarzer Körper". Er ist realisierbar mit einem beliebigen Hohlraum, dessen Wand bei konstanter Temperatur nur eine sehr kleine Öffnung hat. Aus dieser tritt die "Schwarze Strahlung" aus, die seiner Wandtemperatur entspricht. Die Abhängigkeit der Energie der "Schwarzen Strahlung" von dem Temperatur- und Wellenlängenpaar und nur von diesem, -also bei konstanter Temperatur für alle Wellenlängen, bei konstanter Wellenlänge für alle Temperaturen-, heißt die "Kirchhoffsche Funktion". Ihre Auflösung hat Max Planck 1900 in seinem Strahlungsgesetz gegeben und damit die Quantentheorie begründet. Hierfür erhielt Planck 1919 den Nobelpreis.

Die technische Bedeutung der Kirchhoffschen Funktion ist, daß mit keinen Mitteln eine höhere Temperaturstrahlung erzeugt werden kann als mit einem "Schwarzen Körper". Eine weitere Folge ist, daß man aus der Verteilung der Strahlungsenergie über die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums die Strahlungstemperaturen von Sonne, Fixsternen und anderer Himmelskörper berechnen kann. Trotz der sofort erkannten universellen Bedeutung der Kirchhoffschen Gesetze begann erst 25 Jahre später ihre experimentelle Erforschung, da es an Methoden zur Messung höherer Temperaturen und kleinerer Strahlungsenergien für alle Wellenlängenbereiche fehlte. Die abschließende Messung erfolgte durch Heinrich Rubens erst 1922.

In umfangreichen Versuchen mit dem Fraunhofer-Prisma wird von Bunsen und Kirchhoff gesichert nachgewiesen, daß viele chemische Elemente -in der Bunsenflamme zur Emission gebracht- ganz bestimmte Spektrallinien in sehr verschiedenen Bereichen des Spektrums aussenden. Damit können chemische Elemente nicht nur eindeutig, durch "chemische Spektralanalyse", nachgewiesen werden, sie sind auch mit einer bis dahin undenkbaren Empfindlichkeit nachweis- und damit für die "Spurenanalyse" verwendbar. So wurden im Mineralwasser von Dürkheim, daher heute Bad Dürkheim, sofort zwei neue Alkalien, die Elemente Caesium und Rubidium, entdeckt. Die Bunsen-Kirchhoffsche Spektralanalyse wurde nach 1913 zur Grundlage der Atom- und Molekültheorie. Von da an tritt neben das Fernrohr das Spektrometer als wesentliches Instrument für alle weitere astrophysikalische Forschung. Die Antwort auf die von Kirchhoff und von Bunsen wohl niemals aufgeworfene Frage nach der Priorität des einen oder des anderen ist in Boltzmanns Nachruf auf Kirchhoff enthalten: "Die Ursache, warum Kirchhoff die Spektralanalyse entdeckte, war, glaube ich, doch Kirchhoffs Genius, und wenn diesen noch ein glücklicher Zufall unterstützte, so war es allein die Anregung und die tatkräftige Unterstützung durch Bunsen."

Man erkannte, daß auch im unsichtbaren Spektralbereich, dem Bereich der dunklen "Temperatur- und Wärmestrahlung" die Erde insgesamt als ein weitgehend "Schwarzer Körper" anzusehen ist, der somit unentwegt im Infrarot Energie über ein breites von etwa 5 bis 60 Mikrometer reichendes kontinuierliches Wellenlängenspektrum in den Weltraum abstrahlt. Die Gesamtmenge läßt sich mit dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz berechnen und die Wellenlänge mit der maximalen Abstrahlung mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz. Obgleich unmißverständlich und eindeutig klar war, daß ein "Schwarzer Körper" von keiner nur selektiv Strahlung absorbierenden gasförmigen Lufthülle an seiner Abkühlung gehindert werden kann, behauptete der schwedische Chemiker Svante Arrhenius im Jahre 1896 in seiner "Eiszeithypothese", daß für die Erwärmung und Abkühlung des Erdkörpers der "Kohlensäure- oder Kohlendioxidgehalt" der Atmosphäre ursächlich verantwortlich zu machen sei. Kirchhoff und Bunsen haben diese "Hypothese", die heute aus ideologischen Gründen zum "natürlichen Treibhauseffekt" hochstilisiert worden ist, nicht kennengelernt. Sie hätten mit Vehemenz diesen "Unsinn" verworfen.

Der Königsberger und Preuße Robert Gustav Kirchhoff starb am 17. Oktober 1887 in Berlin, sein in Göttingen geborener Freund Robert Wilhelm Bunsen am 16. August 1899 in Heidelberg. Sie zählen unzweifelhaft zu den ganz "Großen" von Chemie und Physik, wohl auch deshalb, weil sie noch "Wissenschaft und Politik" strengstens zu trennen wußten. Die berührungslose Messung der Erdoberflächentemperaturen über mit feinsten Infrarotsensoren bestückten Wettersatelliten wäre ohne deren bahnbrechende Vorarbeiten nicht denkbar. Jede Infrarotkamera wird an Kirchhoffs "Schwarzen Körper" geeicht! Zudem setzt die Messung stets offene atmosphärische Strahlungsfenster, in denen die angeblichen "Treibhausgase" praktisch keine Absorptionslinien besitzen dürfen, voraus. Folglich kann auch keine "Wärmestrahlung" zurückhalten werden und einen zur "Klimakatastrophe" führenden "Hitzstau" verursachen.

Oppenheim, den 02. 02. 1999 - Dr. Wolfgang Thüne

Hinweis der Redaktion von MM-Physik:

Die Treibhaustheorie rechnet nur in erster Näherung mit der Erde als "schwarzer Körper". In Wirklichkeit ist die Erde ein "Grauer Körper" der dann sehr wohl eine höhere Oberflächentemperatur durch selektive Emission und Absorption erreichen kann. Hauptverursachend wirken hier Wasserdampf (etwa 90%). Ob das vom Menschen zusätzlich emittierte CO2 den Treibhauseffekt beeinflußt, konnte noch nicht eindeutig (signifikant) nachgewiesen werden, da das System Erde weit komplexer als ein einfacher "schwarzer Körper" ist.

P.Krahmer

 

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