Spektralverteilung in Abhängigkeit der Temperatur nach der Planckschen Strahlungsformel

Alles strahlt. Ein Körper, der wärmer als 0 Grad K (-273 Grad C) ist, gibt elektromagnetische Strahlung an seine Umgebung ab. Die Strahlung erstreckt sich über ein breites Band von Wellenlängen, von Infrarot (= Wärmestrahlung) über sichtbares Licht hin bis zum Ultraviolett. Die Funktion von Wellenlänge und Intensität ist eine Kurve, deren Form und Maximum von der Temperatur des Körpers abhängt. Max Planck, Begründer der modernen Quantenchemie (Nobelpreis 1918), hat für einen idealen Körper (eine runde, absolut schwarze Kugel) die Gesetzmäßigkeit dieser Abhängigkeit entwickelt. Ohne auf die Details der "Planckschen Strahlungsformel" (s. Abb.) eingehen zu wollen: sie besagt, dass die emittierte Strahlung ("Schwarzkörperstrahlung") mit steigender Temperatur immer kurzwelliger wird. Das bedeutet, dass eine z.B. 500 Grad C heiße Herdplatte im Dunkeln ein gerade erkennbares, rotes Leuchten abgibt, aber spürbar viel "Wärme" (infrarotes Licht) abstrahlt. Mit steigender Temperatur steigen Intensität  und Anteil kürzerwelliger Strahlung, und damit die des sichtbaren Lichtes. Die Folge: das Licht wird heller, und "weißer".
 

Auch die Flamme einer Öllampe beruht auf dieser Körperstrahlung. Sind Flammen denn eigentlich Körper?
Nicht, wenn sie nur aus heißen Gasen bestehen, wie etwa die nicht leuchtenden Flammen eines Campinggas- oder Bunsenbrenners. Die leuchtenden Flammen einer Kerze, eines Holzfeuers aber enthalten feinste Rußpartikel, die in der Flamme entstehen, wenn der Brennstoff unvollständig umgesetzt wird.  Die Rußteilchen erfüllen sogar die planckschen Kriterien besonders gut - sie sind schwarz und rund. Die Temperatur der leuchtenden Zone einer gewöhnlichen Fettlampen-Flamme beträgt ca. 1200 - 1400 Grad C (= ca. 1470-1670 K).

Betrachtet man die Intensitätskurve für diese Temperatur (s. Abbildung oben), so sieht man, dass nur ein verschwindend kleiner Teil der emittierten Strahlung in den Bereich sichtbaren Lichtes fällt. Der bei weitem überwiegende Teil ist Wärme- (Infrarot-) Strahlung. In der Tat ist der "Wirkungsgrad" der Öllampen (wie die der Kerzen) in Bezug auf   sichtbares Licht erbärmlich gering: etwa ein Tausendstel der eingesetzten Energie wird in sichtbares Licht umgewandelt, der Rest ist Wärmestrahlung. Werte: normale Öllampe oder Stearinklerze: ca. 0,1 lm/W (Lumen pro Watt), römische "Firmallampe mit Kammflamme 0,15 - 2,0 lm/W, Petroleumlampe mit Glaszylinder ca. 0,25 lm/W). 
 

Will man nun die Lichtausbeute erhöhen, muss die Flamme heißer werden - und das gelingt durch Zufuhr von mehr Sauerstoff. Theoretisch wusste man dies erst seit den Arbeiten des französischen Chemikers Lavoisier (1743 - 1794), und zwei seiner Schüler (Leger und Argand) gelten als die Erfinder der "modernen" Öl- und Petroleumlampen mit Flach- oder Röhrendocht und Glaszylinder. Vermutlich nicht ganz zu recht, wie Beobachtungen und Messungen an  römischen Firmalampen vermuten lassen (Dazu an anderer Stelle mehr).

Ein Optimum an Lichtausbeute erhält man übrigens erst bei ca. 5000 Grad Celsius - das ist etwa die Temperatur der Sonnenoberfläche, und selbst der Wolfram-Glühfaden einer Glühbirne erreicht diese Temperatur bei weitem nicht (ca. 2500 Grad, Wirkungsgrad ca. 12 lm/W). Etwas höhere Temperaturen erreicht der Wolframfaden in Halogenlampen, ein besonderes Gasgemisch (organische Halogenverbindungen) verhindert, dass der Wolframfaden bei den hohen Temperaturen verdampft. Lichtausbeute: ca. 22 lm/W. Vorgeschichtliche Öllampen könnten eine solche Temperatur niemals erreichen, selbst nicht in einer reinen Sauerstoffatmosphäre und mit noch so ausgetüftelter Konstruktion.