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 fünf radiometrische Größen definiert. Ihnen entsprechen fünf photometrische Größen, die wegen des begrenzten Wellenlängenintervalls von sichtbarem Licht - der nach CIE genormten Hellempfindlichkeitskurve - ihr spektral gewichteter Sonderfall sind.

Größe Symbol SI-Einheit Beschreibung photometrische Entsprechung Symbol
Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) $ \mathit{\Phi} $ W Strahlungsenergie pro Zeit Lichtstrom $ \mathit{\Phi}_\mathrm{v} $
Strahlungsenergie (Strahlungsmenge) $ Q $ J Die Energie einer Anzahl von Photonen Lichtmenge $ Q_\mathrm{v} $
Strahlungsstärke (Strahlstärke, Strahlungsintensität) $ I $ W/sr Strahlungsfluss pro Raumwinkel Lichtstärke $ I_\mathrm{v} $
Bestrahlungsstärke (Strahlungsstromdichte) $ E $ W/ Strahlungsfluss pro effektiver Empfängerfläche Beleuchtungsstärke $ E_\mathrm{v} $
Spezifische Ausstrahlung (Ausstrahlungsstromdichte) $ M $ W/ Strahlungsfluss pro effektive Senderfläche Spezifische Lichtausstrahlung $ M_\mathrm{v} $
Bestrahlung $ H $ J/ Strahlungsmenge pro effektiver Empfängerfläche Belichtung $ H_\mathrm{v} $
Strahldichte $ L $ W·m–2·sr–1 Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro effektive Senderfläche Leuchtdichte $ L_\mathrm{v} $

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

$ E=\frac{\mathrm{d}^2Q}{\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 Zeiteinheit $ \mathrm{d}t $ von einem Flächenelement $ \mathrm{d}A $ ausgeht, bezeichnet man als spezifische Ausstrahlung $ M $, physiologisch gewichtet als spezifische Lichtausstrahlung.

$ M=\frac{\mathrm{d}^2Q}{\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 Strahlungsdichte (auch Radianz) $ L $ ist als Gesamtstrahldichte $ L_\Omega $ die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit durch ein Flächenelement $ \mathrm{d}A $ in einer vorgegebenen Richtung in ein Raumwinkelement $ 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), 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 Isotope, also ihre spontane Umwandlung in andere chemische Elemente. Die bei Zerfallsprozessen entstehende hochenergetische Gamma-Strahlung hat für jedes Isotop 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.

Weblinks

 Commons: Radiometry – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

12.01.2021
Quantenoptik
Schnellere und stabilere Quantenkommunikation
Einer internationalen Forschungsgruppe ist es gelungen, hochdimensionale Verschränkungen in Systemen aus zwei Photonen herzustellen und zu überprüfen.
11.01.2021
Quantenoptik - Teilchenphysik
Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern
Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern.
11.01.2021
Galaxien
ALMA beobachtet, wie eine weit entfernte kollidierende Galaxie erlischt
Galaxien vergehen, wenn sie aufhören, Sterne zu bilden.
08.01.2021
Optik - Teilchenphysik
Umgekehrte Fluoreszenz
Entdeckung von Fluoreszenzmolekülen, die unter normalem Tageslicht ultraviolettes Licht aussenden.
08.01.2021
Festkörperphysik - Teilchenphysik
Weyl-Punkten auf der Spur
Ein Material, das leitet und isoliert – gibt es das? Ja, Forschende haben erstmals 2005 sogenannte topologische Isolatoren beschrieben, die im Inneren Stromdurchfluss verhindern, dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig sind.
07.01.2021
Raumfahrt - Festkörperphysik - Quantenoptik
MOONRISE: Schritt für Schritt zur Siedlung aus Mondstaub
Als Bausteine sind sie noch nicht nutzbar – aber die mit dem Laser aufgeschmolzenen Bahnen sind ein erster Schritt zu 3D-gedruckten Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub.
07.01.2021
Astrophysik - Relativitätstheorie
Konstanz von Naturkonstanten in Raum und Zeit untermauert
Moderne Stringtheorien stellen die Konstanz von Naturkonstanten infrage. Vergleiche von hochgenauen Atomuhren bestätigen das jedoch nicht, obwohl die Ergebnisse früherer Experimente bis zu 20-fach verbessert werden konnten.
05.01.2021
Thermodynamik
Weder flüssig noch fest
E
05.01.2021
Quantenoptik
Mit quantenlimitierter Genauigkeit die Auflösungsgrenze überwinden
Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es gelungen, eine neue Methode zur Abstandsmessung für Systeme wie GPS zu entwickeln, deren Ergebnisse so präzise wie nie zuvor sind.
22.12.2020
Galaxien - Sterne
Wie sich Sterne in nahe gelegenen Galaxien bilden
Wie Sterne genau entstehen, ist nach wie vor eines der grossen Rätsel der Astrophysik.