Die Entdeckung der Infrarotstrahlung

Das Gebiet der Radiometrie befasst sich mit der Messung und Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung unabhängig von ihrer Wellenlänge. Der Begriff umfasst häufig die Erfassung und Bewertung der Menge, Qualität und Wirkung dieser Strahlung.

Die Entdeckung der Infrarotstrahlung lässt sich bis ins Jahr 1666 zurückverfolgen, als Sir Isaac Newton (1642–1727) erstmals die Aufspaltung elektromagnetischer Energie demonstrierte, indem er Sonnenlicht durch ein Glasprisma leitete und es in das sichtbare Farbspektrum zerlegte.

Sir William Herschel (1738–1822) erzielte im Jahr 1800 einen bedeutenden Durchbruch und führte diese Forschungen entscheidend weiter.

Bei der Untersuchung neuer optischer Materialien verwendete Herschel ein Quecksilberthermometer mit geschwärzter Spitze, um die Erwärmungswirkung der verschiedenen durch ein Prisma gebrochenen Farben zu messen. Während seines Experiments stellte er fest, dass die Temperatur kontinuierlich anstieg, als er das Thermometer über den sichtbaren roten Bereich des Spektrums hinaus bewegte. Bemerkenswerterweise wurde die höchste Temperatur in dem unsichtbaren Bereich direkt jenseits des roten Lichts gemessen – dem heute als Infrarot-Wellenlängenbereich bekannten Bereich. Sir William Herschel entdeckte damit nicht nur die Infrarotstrahlung, sondern versuchte darüber hinaus, erstmals die Energieverteilung als Funktion der Wellenlänge darzustellen.

Anschließend stellte Johann Lambert (1728–1777) fest, dass die Menge der in einen Raumwinkel abgestrahlten Energie proportional zum Kosinus des Winkels zwischen Sender und Empfänger ist. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erweiterten Wissenschaftler wie Max Planck, Josef Stefan, Ludwig Boltzmann, Wilhelm Wien und Gustav Kirchhoff die theoretischen Grundlagen zum Verständnis des elektromagnetischen Spektrums. Gustav Kirchhoff (1824–1887) erkannte, dass der Emissionsgrad einer Oberfläche ihrem Absorptionsgrad entspricht. Joseph Stefan (1835–1893) stellte fest, dass die gesamte Strahlungsleistung einer Quelle über alle Wellenlängen dem Produkt aus Emissionsgrad, einer Konstanten und der vierten Potenz der Temperatur entspricht.

Als bedeutendster Wegbereiter der modernen Radiometrie gilt jedoch Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858–1947). Planck ist vor allem dafür bekannt, die Schwarzkörperstrahlung mit einer einfachen Gleichung beschrieben und die Quantentheorie der Energie entwickelt zu haben. Er stellte fest, dass die Rayleigh-Jeans-Näherung bei langen Wellenlängen gut mit experimentellen Ergebnissen übereinstimmte, während das Wiensche Gesetz bei kürzeren Wellenlängen gute Ergebnisse lieferte, und entwickelte eine mathematische Näherung, die beide Ansätze miteinander verbindet. William Coblentz (1873–1962) war der Erste, der die Plancksche Gleichung experimentell bestätigte. Historisch wurde die Schwarzkörperstrahlung häufig auf relativ einfache Weise durch die Beobachtung von Glasschmelzen gemessen.

Im Jahr 1918 wurde Planck für diese Arbeit mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Interessanterweise blieb Planck selbst seiner eigenen Arbeit gegenüber skeptisch. Was heute häufig unterschätzt wird: Die Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung stellt eine herausragende wissenschaftliche und technische Leistung dar. Obwohl Planck eine zentrale Rolle spielte, war er nicht allein an der Entwicklung der Grundlagen der Radiometrie beteiligt. Viele weitere Wissenschaftler, darunter Newton, Melloni, Bouguer und Leslie, leisteten bedeutende Beiträge und erweiterten die theoretischen Grundlagen zum Verständnis des elektromagnetischen Spektrums. [1,2,3]