Radiometrie
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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 | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): I_\mathrm{v} |
| Bestrahlungsstärke (Strahlungsstromdichte) | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): E | W/m² | Strahlungsfluss pro effektiver Empfängerfläche | Beleuchtungsstärke | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): E_\mathrm{v} |
| Spezifische Ausstrahlung (Ausstrahlungsstromdichte) | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): M | W/m² | Strahlungsfluss pro effektive Senderfläche | Spezifische Lichtausstrahlung | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): M_\mathrm{v} |
| Bestrahlung | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): H | J/m² | Strahlungsmenge pro effektiver Empfängerfläche | Belichtung | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): H_\mathrm{v} |
| Strahldichte | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L | W·m–2·sr–1 | Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro effektive Senderfläche | Leuchtdichte | Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L_\mathrm{v} |
Als Strahlungsflussdichte (auch Irradianz) Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): E bezeichnet man den Strahlungsfluss Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Phi oder Lichtstrom Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Phi , der das Flächenelement Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathrm{d}A durchquert. Die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathrm{d}t auf ein Flächenelement Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathrm{d}A einfällt, bezeichnet man als Bestrahlungsstärke Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): E , physiologisch gewichtet als Beleuchtungsstärke.
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 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 Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathrm{d}A ausgeht, bezeichnet man als spezifische Ausstrahlung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): M , physiologisch gewichtet als spezifische Lichtausstrahlung.
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 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) Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L ist als Gesamtstrahldichte Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): L_\Omega die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit durch ein Flächenelement Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \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. Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mathrm{d}A\cos\theta ist die scheinbar leuchtende Fläche.
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 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)
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \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
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
- http://www.metas.ch/de/labors/7/7.html#Einh (radiometrische Größen)
- http://klimt.iwr.uni-heidelberg.de/PublicFG/ProjectB/CFT/disshhaus/node30.html (Infrarot-Radiometrie)