Radiometrie

Radiometrie ist die Wissenschaft von der Messung elektromagnetischer Strahlung und ihre Anwendung in Physik, Astronomie und Geophysik. Sie ist mit der Photometrie verwandt und stellt die Erweiterung dieser „Messung des Lichts“ in die Bereiche des Infraroten und Ultravioletten, aber auch der Gammastrahlen dar.

Grundlagen

Die quantitative Messung von Strahlungsintensitäten erfolgt mit verschiedenen Arten von Detektoren. Sie wandeln einen Teil der Strahlung in Wärme oder ein elektrisches Signal um, woraus unter anderem auf die Art der strahlenden Oberfläche und ihre Temperatur geschlossen werden kann. Als Vergleich dient oft der theoretisch ideale „schwarze Strahler“ und die für diesen geltenden Strahlungsgesetze.

Radiometrische Größen

Um die Eigenschaften von Strahlungsquelle, Empfänger und bestrahltem Material beschreiben zu können, hat man sieben radiometrische Größen definiert. Ihnen entsprechen sieben photometrische Größen, die wegen des begrenzten Wellenlängenintervalls von sichtbarem Licht – der nach CIE genormten Hellempfindlichkeitskurve – ihr spektral gewichteter Sonderfall sind.

radiometrische Größe	Symbol⁠	SI-Einheit	Beschreibung	photometrische Entsprechung⁠	Symbol	SI-Einheit
Strahlungs­fluss Strahlungs­leistung, radiant flux, radiant power	$\Phi _{\mathrm {e} }$	W (Watt)	Strahlungsenergie durch Zeit	Lichtstrom luminous flux	$\Phi _{\mathrm {v} }$	lm (Lumen)
Strahl­stärke Strahlungs­stärke, radiant intensity	$I_{\mathrm {e} }$	W/sr	Strahlungsfluss durch Raumwinkel	Lichtstärke luminous intensity	$I_{\mathrm {v} }$	cd = lm/sr (Candela)
Bestrahlungs­stärke irradiance	$E_{\mathrm {e} }$	W/m2	Strahlungsfluss durch Empfänger­fläche	Beleuchtungs­stärke illuminance	$E_{\mathrm {v} }$	lx = lm/m2 (Lux)
Spezifische Ausstrahlung Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance	$M_{\mathrm {e} }$	W/m2	Strahlungsfluss durch Sender­fläche	Spezifische Lichtausstrahlung luminous exitance	$M_{\mathrm {v} }$	lm/m2
Strahldichte Strahlungsdichte, Radianz, radiance	$L_{\mathrm {e} }$	W/m2sr	Strahlstärke durch effektive Senderfläche	Leuchtdichte luminance	$L_{\mathrm {v} }$	cd/m2
Strahlungs­energie Strahlungsmenge, radiant energy	$Q_{\mathrm {e} }$	J (Joule)	durch Strahlung übertragene Energie	Lichtmenge luminous energy	$Q_{\mathrm {v} }$	lm·s
Bestrahlung Einstrahlung, radiant exposure	$H_{\mathrm {e} }$	J/m2	Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche	Belichtung luminous exposure	$H_{\mathrm {v} }$	lx·s
Strahlungs­ausbeute radiant efficiency	$\eta _{\mathrm {e} }$	1	Strahlungsfluss durch auf­ge­nom­mene (meist elek­trische) Leistung	Lichtausbeute (overall) luminous efficacy	$\eta _{\mathrm {v} }$	lm/W

^a) 

Der Index „e“ dient zur Abgrenzung von den photo­metrischen Größen. Er kann weggelassen werden.

^b) 

Die photometrischen Größen sind die radiometrischen Größen, gewichtet mit dem photo­metrischen Strahlungs­äquivalent K, das die Empfindlich­keit des menschlichen Auges angibt.

Als Strahlungsflussdichte (auch Irradianz) $E$ bezeichnet man den Strahlungsfluss $\Phi$ (physiologisch gewichtet: Lichtstrom $\Phi _{\mathrm {v} }$), der das Flächenelement $\mathrm {d} A$ durchquert. Die Strahlungsenergie, die pro Zeitspanne $\mathrm {d} t$ auf ein Flächenelement $\mathrm {d} A$ einfällt, bezeichnet man als Bestrahlungsstärke $E$, physiologisch gewichtet als Beleuchtungsstärke $E_{\mathrm {v} }$.

$E={\frac {\mathrm {d} ^{2}Q}{\mathrm {d} A\cdot \mathrm {d} t}}\left(\mathrm {\frac {Ws}{m^{2}\cdot s}} \right)={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} A}}\left(\mathrm {\frac {W}{m^{2}}} \right)$

Die Strahlungsenergie, die pro Zeitspanne $\mathrm {d} t$ von einem Flächenelement $\mathrm {d} A$ ausgeht, bezeichnet man als spezifische Ausstrahlung $M$, physiologisch gewichtet als spezifische Lichtausstrahlung $M_{\mathrm {v} }$.

$M={\frac {\mathrm {d} ^{2}Q}{\mathrm {d} A\cdot \mathrm {d} t}}\left(\mathrm {\frac {Ws}{m^{2}\cdot s}} \right)={\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} A}}\left(\mathrm {\frac {W}{m^{2}}} \right)$

Die Strahldichte (auch Radianz) $L$ ist als Gesamtstrahldichte $L_{\Omega }$ die Strahlungsenergie, die pro Zeitspanne durch ein Flächenelement $\mathrm {d} A$ in einer vorgegebenen Richtung in ein Raumwinkelement $\mathrm {d} \Omega$ geht, oder von diesem kommt. Physiologisch gewichtet spricht man von der Leuchtdichte, die die Helligkeitswahrnehmung angibt. $\mathrm {d} A\cos \theta$ ist die scheinbar leuchtende Fläche.

$L_{\Omega }={\frac {1}{\cos \theta }}\cdot {\frac {\mathrm {d} ^{2}\Phi }{\mathrm {d} A\ \mathrm {d} \Omega }}={\frac {\mathrm {d} I(\theta )}{\mathrm {d} A\cos \theta }}\left(\mathrm {\frac {W}{m^{2}\cdot sr}} \right)$

$\theta$ ist hierbei der Winkel zwischen Lichtquelle und Flächennormale

Radiometer

Die Detektoren zur physikalischen Messung von Strahlungsgrößen heißen Radiometer. Von den obgenannten fünf Größen werden hauptsächlich Strahlungsmenge, Bestrahlungsstärke und Strahldichte gemessen.

Ein Radiometer besteht aus der Eingangsoptik (beziehungsweise der Messöffnung/Antenne), dem spektralen Filter, dem eigentlichen Sensor, der zugehörigen Elektronik und dem Anzeigegerät beziehungsweise Display.

Gamma-Radiometrie

→ Hauptartikel: Radiometrische Datierung

Die Radiometrie von Gammastrahlung ist in der Geophysik und anderen Geowissenschaften eine wichtige Methode zur Bestimmung von Gesteinen und ihrem Stoffgehalt. Grundlage ist die Radioaktivität der in ihnen enthaltenen Nuklide, also ihre spontane Umwandlung in andere chemische Elemente. Die bei Zerfallsprozessen entstehende hochenergetische Gamma-Strahlung hat für jedes Nuklid eine typische Energieverteilung, das sog. Gammaspektrum. Die quantitative Analyse der natürlichen Isotope (vor allem Uran, Thorium, Kalium-40 und Kohlenstoff-14) erlaubt eine Charakterisierung der Gesteine.

Literatur

• Noboru Ohta, Alan R. Robertson: Colorimetry: Fundamentals and Applications, Wiley-IS&T Series, West Sussex 2006. ISBN 978-0-470-09473-0
• Bergmann, Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik Bd. 3 "Optik", De Gruyter, Berlin, New York, 1993

Weblinks

Commons: Radiometry – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Infrarot-Radiometrie (Memento vom 16. Mai 2006 im Internet Archive)