Redigerer Kirchhoffs strålingslov (avsnitt)

==Varmestråling==
Strålingen er synlig som lys hvis den inneholder bølgelengder i den optiske delen av det [[Elektromagnetisk spekter|elektromagnetiske spektrumet]]. Inneholder strålingen mye lengre bølgelengder, kalles den [[infrarød]] og registreres som [[varmestråling]].<ref name="lærebok">E. Lillestøl, O. Hunderi og J.R. Lien, ''Generell fysikk for universiteter og høgskoler'', Bind 2, Universitetsforlaget, Oslo (2001). ISBN 82-15-00006-1.</ref> Den fremkommer ved å varme opp et stoff eller legeme slik at det avgir varme. Ved romtemperatur  inneholder denne så lange bølgelengder at den ikke er synlig. Fortsetter man oppvarmingen til høyere temperaturer, blir strålingen infrarød og kan etterhvert sees. Kommer temperaturen opp i flere tusen grader, vil legemet gløde med en varmestråling som er dominert av synlig lys.

Når denne strålingen er i termisk likevekt med et material eller stoff med en viss temperatur, kan også strålingen sies å ha samme temperatur. Ved bruk av [[termodynamikk|termodynamiske]] betraktninger viste Kirchhoff at egenskapene til varmestrålingen er uavhengig av stoffet den er i likevekt med og er den samme overalt i rommet. Egenskapene avhenger bare av bølgelengden ''&lambda;'' og temperaturen ''T''.<ref name = Reif>F. Reif, ''Fundamentals of Statistical and Thermal Physics'', McGraw-Hill Kogakusha Ltd., Tokyo (1965).</ref> Det betyr at intensiteten til strålingen er gitt ved en universell funksjon ''B<sub>&lambda;</sub>(T)'' som Kirchhoff ikke hadde mulighet til å beregne. Det ble først gjort av [[Max Planck]] 40 år senere. Hans  utledning av [[Plancks strålingslov]] representerer begynnelsen på [[kvantefysikk]]en.

===Emisjon og absorpsjon===
[[Fil:Kirchhoff_law_of_radiation.gif|right|thumb|300px|Kirchhoffs strålingslov: '''(a)''' Når et stoff eller legeme absorberer mye stråling, emitterer det også mye. '''(b)''' I motsatt tilfelle absorberer det lite og derfor emitterer det tilsvarende lite.]]
For å kunne beskrive egenskapene til varmestrålingen på en kvantitativ måte, innførte Kirchhoff en emisjonsfunksjon ''E<sub>i&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''')&thinsp; som sier hvor mye stråling et legeme av typen ''i&thinsp;'' og temperatur ''T&thinsp;'' sender ut med bølgelengde ''&lambda;&thinsp;''  i en retning gitt ved vektoren '''n'''. Likedan innførte han en absorpsjonskoeffisient ''a<sub>i&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''')&thinsp; som sier hvor stor del av den innkommende strålingen fra retning '''n''' som dette legemet absorberer ved samme bølgelengde og temperatur. Disse funksjonene er forskjellige fra stoff til stoff. Men ved bruk av [[termodynamikk|termodynamiske]] argument, kom han frem til at forholdet

: <math>  {E_{i\lambda}(T,\mathbf{n})\over a_{i\lambda}(T,\mathbf{n})} = B_\lambda(T) </math>

er uavhengig av stoffets egenskaper og retningen til strålingen. Det betyr at ''B<sub>&lambda;</sub>(T)&thinsp;''  er en universell funksjon av fundamental betydning og ble i årene som fulgte omtalt som «Kirchhoffs funksjon». Mange betraktninger ble gjort for å utlede dens egenskaper, men det skulle vise seg at det var presise eksperimenter som inspirerte Planck til å finne en teoretisk utledning som ga den endelige forklaringen.<ref name="Planck">M. Planck, ''The Theory of Heat Radiation'', Dover Publications, New York (2003). ISBN 0-486-66811-8.</ref>

Kirchhoffs funksjon ''B<sub>&lambda;</sub>(T)&thinsp;'' kan forstås som intensiteten av varmestrålingen ved temperaturen ''T'' og for bølgelengde ''&lambda;''. Den er uavhengig av retning og den samme alle steder i termisk likevekt med legemet. Det er nå vanlig å si at dette har en [[emissivitet]] definert som {{nowrap|''e<sub>i&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''') {{=}} ''E<sub>i&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''')/''B<sub>&lambda;</sub>(T)''}} (også noen ganger angitt  ved den greske bokstaven ''&epsilon;''). Kirchhoffs strålingslov kan da skrives på den mer kompakte formen

: <math> e_{i\lambda}(T,\mathbf{n}) = a_{i\lambda}(T,\mathbf{n}) </math>

Lovens innhold kan nå forstås ved å betrakte en liten del av legemet som mottar og sender stråling i retning '''n''' med en viss bølglengde ''&lambda;''. For at dette skal være i termisk likevekt slik at temperaturen ''T&thinsp;'' forblir konstant, må det emittere like mye stråling i denne retningen som det absorberer.

Den totale mengden av stråling utenfor legemet består av innkommende stråling sammen med reflektert og emittert stråling. Kirchhoffs strålingslov sier at denne totale intensiteten er den samme for alle legemer ved samme temperatur, uavhengig av stoffets egenskaper og i hvilken retning strålingen går.

===Svart legeme og stråling===
[[Fil:Black_body_realization.svg|left|thumb|240px|Svart stråling kan lages i et hulrom med vegger av et vilkårlig materiale. En liten åpning absorberer all innkommende stråling og sender derfor ut svart stråling.]]
Kirchhoffs strålingslov sier at et legeme som absorberer mye stråling av en bestemt bølgelenge, vil også emittere tilsvarende mye av samme stråling. Da absorpsjonskoeffisienten  ikke kan være større enn en, betyr det at ikke noe legeme kan stråle ut mer av en viss bølgelengde enn et legeme eller stoff som absorberer all slik stråling.

Noen måneder etter det første arbeidet sitt om disse forholdene, offentliggjorde Kirchhoff et nytt arbeide hvor han tenkte seg et legeme som kan absorbere all stråling uansett  bølgelengde og retning.<ref name = schwarz>G. Kirchhoff,  [https://books.google.no/books?id=GSlDAQAAMAAJ&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false ''Über das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht''],  Annalen der Physik '''109'''(2), 275–301 (1860).</ref> Det vil derfor ha en absorpsjonskoeffisient ''a<sub>&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''') = ''1''. Ikke noe annet legeme kan stråle kraftigere enn dette med en emisjonsfunksjon ''E<sub>&lambda;</sub>(T,&thinsp;'''''n''') = ''B<sub>&lambda;</sub>(T)''. Kirchhoff kallte dette for et [[svart legeme]]. Hans funksjon ''B<sub>&lambda;</sub>(T)&thinsp;'' beskriver derfor emisjonen fra et slikt legeme som er den samme i alle retninger. Men da varmestrålingen fra alle andre legemer er identisk med den fra dette spesielle legemet, kalles varmestråling ofte for [[svart stråling]].

Ingen vanlige materialer kan brukes til å lage et slikt svart legeme som absorberer fullstendig alle bølgelengder. Kirchhoff selv foreslo at man i stedet kunne lage et hulrom av et vanlig materiale med en liten åpning. Alle stråling som kommer inn i hulrommet gjennom denne, vil ha liten eller ingen mulighet til å komme ut igjen. Denne åpningen virker derfor som overflaten av et svart legeme. Av denne grunn navnet «Hohlraumstrahlung» benyttet på tysk for svart stråling. De eksperimentene som senere ledet Planck frem til en forklaring av strålingens egenskaper, benyttet et svart legeme laget på denne måten.<ref name = Planck/>

Noen stoff eller materialer kan approksimativt beskrives som «grå legemer». De er definert å ha en absorpsjonskoeffisient som er mindre enn en og med samme verdi for alle bølgelengder.  Virkelige stoff har absorpsjonskoeffisienter som varierer sterkt med bølgelengden, noe som derfor også emissiviteten vil gjøre. Glass er gjennomsiktig for sollys, men absorberer infrarød varmestråling. Det benyttes til å varme opp [[drivhus]]. På samme måte vil luft en klar dag ikke absorbere sollys, men [[drivhusgass]]er i atmosfæren absorberer infrarød stråling fra Jorden. Når disse gassene så emitterer samme stråling, vil temperaturen på jordkloden øke.

En husvegg som er malt hvit, vil reflektere det meste av sollyset slik at den i liten grad blir oppvarmet. Snø er også hvit fordi den reflekterer storparten av sollyset slik at lite blir absorbert. Derimot kan snø absorbere infrarød stråling. Det forklarer at snø nær en husvegg smelter raskere på grunn av infrarød stråling fra veggen, enn snø som kun er utsatt for direkte sollys. Iskappen over [[Polhavet]] i [[Arktis]] reflekterer storparten av sollyset. Når denne brytes opp eller smelter, kommer det mørke havvannet frem og absorberer en større del av dette lyset og bidrar igjen til en oppvarming av Jorden.<ref name = IPCC>IPCC, [http://www.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg2/index.php?idp=605 ''Sea Ice in the Arctic Ocean'',] Working Group II: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Chapter 16: Polar Regions.</ref>