Die Strahlungsgesetze beschreiben die Emission von elektromagnetischer Wärmestrahlung durch einen im thermodynamischen Gleichgewicht stehenden Körper. Im Einzelnen zählen hierzu:
- Das 1859 von Gustav Kirchhoff aufgestellte Kirchhoff’sches Gesetz besagt, dass der Quotient von Emissionsvermögen E und Absorptionsvermögen A eines strahlenden Körpers nur von dessen (absoluter) Temperatur T und der Wellenlänge \(\lambda\) der von ihm emittierten Strahlung abhängt:
\(\dfrac{ E(\lambda,t) }{ A(\lambda,t) } = f(\lambda,t)\)
Für einen schwarzen Strahler gilt stets A = 1. Daher ist sein Emissionsvermögen \(E_\text{SK}(\lambda, t) = f(\lambda, t)\) und es folgt für beliebige Körper
\(\dfrac{ E(\lambda,t) }{ A(\lambda,t) } = E_\text{SK}(\lambda,t)\)
In Worten: Bei gegebener Temperatur und Wellenlänge ist das Verhältnis von Emissions- zu Absorptionsvermögen eines Körpers gleich dem Emissionsvermögen, das ein schwarzer Strahler bei dieser Temperatur und Wellenlänge besitzt. - Das 1879 von Josef Stefan gefundene und von Ludwig Boltzmann begründete Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt an, wie die Intensität I bzw. die Strahlungsleistung P eines schwarzen Strahlers von der Temperatur T des Strahlers abhängt:
\(I = \sigma \cdot T^4 \quad\text{bzw.}\quad P = \sigma \cdot A \cdot T^4\)
\(\sigma = \dfrac{ 2\pi^5\cdot k^4 }{ 15c^2 \cdot h^3 } \approx 5,67 \cdot 10^{-8} \, \dfrac{\text W} {\text m^2 \cdot \text K^4}\) ist die Stefan-Boltzmann-Konstante (k: Boltzmann-Konstante, c: Lichtgeschwindigkeit, h: Planck’sches Wirkungsquantum). Das Gesetz ergibt sich aus der Planck’schen Strahlungsformel (s. u.) durch Integration über die Wellenlänge. - Die Plancksche Strahlungsformel (nach Max Planck) ist das fundamentale Gesetz der Temperaturstrahlung. Es beruht anders als frühere, klassische Ansätze auf der Lichtquantenhypothese, also der Annahme, dass Licht bzw. elektromagnetische Strahlung allgemein nur in Form von Quanten genannten Paketen absorbiert oder emittiert werden kann, deren Energie \(h \cdot f\) beträgt (f: Frequenz).
Die bei einer bestimmten Wellenlänge \(\lambda\) emittierte spezifische Ausstrahlung bzw. Intensität \(I_\lambda(T)\) eines schwarzen Strahlers lautet demnach:
\(I_\lambda(T) = \dfrac{C_1}{\lambda^5} \cdot \dfrac 1 { \text e^{C_2/kT} -1 }\)
\(C_1 = 2\pi hc^2\) und \(C_2 = hc/\lambda\) heißen Planck’sche Strahlungskonstanten. - Das Rayleigh-Jeans’sches Strahlungsgesetz und die Wien’sche Strahlungsformel sind nur noch historisch bedeutsame klassische Näherungen (ohne Lichtquantenhypothese!) an die Strahlungsformel, die entweder bei kleinen oder bei großen Wellenlängen zu unsinnigen Ergebnissen führen.
- Der Wien’sche Verschiebungssatz beschreibt die reziproke (antiprotionale) Abhängigkeit des Intensitätsmaximums von der Temperatur des Strahlers.