Najbardziej znanymi źródłami światła są rozgrzane ciała stałe i gazy, w których zachodzi wyładowanie el.; np. wolframowe włókna żarówek, jarzeniówki. Promieniowanie wysyłane przez ogrzane (do pewnej temp.) ciała nazywamy promieniowaniem termicznym. Wszystkie ciała emitują takie prom. do otoczenia, a także z tego otoczenia je absorbują.
Jeżeli ciało ma wyższą temperaturę od otoczenia to będzie się oziębiać, ponieważ szybkość promieniowania przewyższa szybkość absorpcji. Gdy osiągnięta zostanie równowaga termodynamiczna wtedy te prędkości będą równe.
Dla przykładu, na rysunku poniżej pokazane jest widmo promieniowania dla taśmy wolframowej ogrzanej do T = 2000 K.
· Widmo emitowane przez ciała stałe ma charakter ciągły,
· Szczegóły tego widma są prawie niezależne od rodzaju substancji,
· Widmo silnie zależy od temp.
W zwykłych temperaturach większość ciał jest dla nas widoczna dlatego, że odbijają (rozpraszają) one światło, które na nie pada a nie dlatego, że ciała te wysyłają promieniowanie widzialne (świecą). Jeżeli nie pada na nie światło (np. w nocy) to są one niewidoczne. Dopiero, gdy ciała mają wysoką temp. wtedy świecą własnym światłem. Ale jak widać z rysunku i tak większość emitowanego promieniowania jest niewidzialna, bo przypada na zakres promieniowania cieplnego (podczerwień). Wielkość Rl przedstawiona na wykresie na osi pionowej nazywana jest widmową zdolnością emisyjną promieniowania i jest tak zdefiniowana, ze wielkość Rldl oznacza szybkość, z jaką jednostkowy obszar powierzchni wypromieniowuje energię odpowiadającą długościom fal zawartym w przedziale l, l+dl.
Całkowitą emisja energetyczna promieniowania R. obliczamy sumując emisję dla wszystkich dł. fal tzn. całkując Rl po wszystkich dł. fal. Czyli interpretować emisję energ. promieniowania R jako powierzchnię pod wykresem Rl od l.
Rozważmy trzy bloki metalowe posiadające puste wnęki wewnątrz (takie jak na rysunku). W ściankach tych bloków wywiercono otworki (do tych wnęk). Promieniowanie pada na otwór z zewnątrz i po wielokrotnych odbiciach od wewn. ścian zostaje całkowicie pochłonięte.
· Promieniowanie wychodzące z wnętrza ma zawsze większe natężenie niż promieniowanie ze ścian bocznych (rysunek obok),
· Dla danej temperatury emisja promieniowania wychodzącego z otworów jest identyczna dla wszystkich źródeł promieniowania, pomimo że dla zewnętrznych powierzchni te wartości są różne,
· Emisja energetyczna promieniowania ciała doskonale czarnego (nie jego powierzchni) zmienia się wraz z temperaturą według prawa Stefana gdzie s jest uniwersalną stałą (stała Stefana-Boltzmana = 5.67·10-8 W/(m2K)).. Dla zewnętrznych powierzchni to empiryczne prawo ma postać:
gdzie zdolność emisyjna e jest wielkością zależną od substancji i od temperatury. Rl dla ciała doskonale czarnego zmienia się z temperą tak jak na rysunku poniżej.
Długość fali, dla której przypada maksimum emisji jest odwrotnie proporc. do temp. ciała (krzywe te zależą tylko od temp. i są całkiem niezależne od materiału oraz kształtu i wielkości ciała czarnego).
Na przełomie XIX / XX w. Rayleigh i Jeans wykonali obliczenia energii promieniowania we wnęce, czyli promieniowania ciała doskonale czarnego stosując fizykę klasyczną. Zgodnie z fizyką klasyczną, energia każdej fali może przyjmować dowolną wartość od zera do nieskończoności. Dla wyższych częstotliwości wyniki teoretyczne dążą do nieskończoności, podczas gdy gęstość energii zawsze pozostaje skończona. Ten sprzeczny z rzeczywistością wynik rozważań klasycznych nazywany jest „katastrofą w nadfiolecie”.
W 1900 roku Max Planck przedstawił empiryczny wzór opisujący widmową zdolność emisyjną dający wyniki zgodne z doświadczeniem (modyfikacja znanego już prawa Wiena).Próbując znaleźć taką teorię Planck założył, że atomy ścian zachowują się jak oscylatory elektromagnetyczne, które emitują (i absorbują) energię do wnęki, z których każdy ma charakterystyczną częstotliwość drgań. Doprowadziło to do przyjęcia dwóch założeń:
1. Oscylator nie może mieć dowolnej energii, lecz tylko energie dane wzorem E = nhv gdzie v oznacza częstość oscylatora, h -stałą (zwaną obecnie stałą Plancka), n ‑ pewną liczbę całkowitą (zwaną obecnie liczbą kwantową). Z powyższego wzoru wynika, że energia jest skwantowana i może przyjmować tylko ściśle określone wartości. Tu jest zasadnicza różnica, bo teoria klasyczna zakładała dowolną wartość energii od zera do nieskończoności.
2. Oscylatory nie wypromieniowują energii w sposób ciągły, lecz porcjami, czyli kwantami. Kwanty są emitowane, gdy oscylator przechodzi z jednego stanu o danej energii do drugiego o innej energii DE = Dnhv = hv gdy n zmienia się o jedność. Dopóki oscylator pozostaje w jednym ze swoich stanów kwantowych (stany stacjonarne) dopóty ani nie emituje ani nie absorbuje energii.
rafulus