Radiometrie

Radiometrie

Radiometrie ist die Wissenschaft von der Messung elektromagnetischer Strahlung und ihre Anwendung in Physik, Astronomie und Geophysik. Sie ist mit der Fotometrie (Lichtmessung) verwandt und stellt ihre Erweiterung in die Bereiche des Infraroten und Ultravioletten, aber auch der Gammastrahlen dar.

Inhaltsverzeichnis

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 u.a. auf die Art der strahlenden Oberfläche und ihre Temperatur geschlossen werden kann. Als Vergleich dient oft der theoretisch ideale Strahler (Schwarzer Körper) und seine Strahlungsgesetze.

Radiometrische Größen

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

Größe Symbol SI-Einheit Beschreibung fotometrische Entsprechung Symbol
Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) Φ W Strahlungsenergie pro Zeit Lichtstrom Φv
Strahlungsenergie (Strahlungsmenge) Q J Die Energie einer Anzahl von Photonen Lichtmenge Qv
Strahlungsstärke (Strahlstärke, Strahlungsintensität) I W/sr Strahlungsfluss pro Raumwinkel Lichtstärke Iv
Bestrahlungsstärke (Strahlungsstromdichte) E W/ Strahlungsfluss pro effektiver Empfängerfläche Beleuchtungsstärke Ev
Spezifische Ausstrahlung (Ausstrahlungsstromdichte) M W/ Strahlungsfluss pro effektive Senderfläche Spezifische Lichtausstrahlung Mv
Bestrahlung H J/ Strahlungsmenge pro effektiver Empfängerfläche Belichtung Hv
Strahldichte L W·m–2·sr–1 Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro effektive Senderfläche Leuchtdichte Lv

Als Strahlungsflussdichte (auch Irradianz) E bezeichnet man den Strahlungsfluss Φ oder Lichtstrom Φ, der das Flächenelement dA durchquert. Die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit dt auf ein Flächenelement dA 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 dt von einem Flächenelement dA emittiert wird, 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 LΩ die Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit durch ein Flächenelement dA in einer vorgegebenen Richtung in ein Raumwinkelement dΩ geht, oder von diesem kommt. Physiologisch gewichtet spricht man von der Leuchtdichte, die die Helligkeitswahrnehmung angibt. dAcos θ 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)
θ 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

siehe 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

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