Elektromagnetische Energie

Strahlungsenergie ist eine physikalische Größe aus dem Gebiet der Optik und Photometrie (strahlungsphysikalische Größe). Sie bezeichnet die Energie elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht.

Hintergrund

Die komplexen Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie führten in der Geschichte der Physik zu zwei grundsätzlich verschiedenen Modellvorstellungen. So kann – je nach betrachteten Problem – elektromagnetische Strahlung sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden (siehe Hauptartikel: Welle-Teilchen-Dualismus). Eine verallgemeinerte Beschreibung von elektromagnetischer Strahlung ist auf diesem Weg nicht möglich. Daher wird in der heutigen Physik die Quantenmechanik verwendet, die jedes „Teilchen“ (sogenannte Quanten) durch eine Wellenfunktion beschreibt. Das Quant des elektrischen Feldes wird Photon genannt (häufig nicht ganz korrekt als Lichtteilchen bezeichnet)

Beschreibung

Betrachtet man einfallende elektromagnetische Strahlung (in Folge nur als Licht bezeichnet) vereinfacht als Strom von Photonen, das heißt als Lichtstrahl (vgl. Geometrische Optik), so beschreibt die Strahlungsenergie die im Lichtstrahl transportierte Energie.

Die Energie eines Photons, ist lediglich von der Frequenz abhängig:

$E=h \cdot f$

mit h dem planckschen Wirkungsquantum und f der Frequenz der Welle.

Für Monochromatisches Licht (einfarbiges Licht) hängt die Strahlungsenergie daher von der Zahl der Photonen und ihrer Energie ab:

$E_\mathrm{g}=N \cdot h \cdot f$

wobei N die Zahl der Photonen ist.

Elektromagnetisches Spektrum. In der Mitte ist die wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der Sonneneinstrahlung nach der Absorption durch die Atmosphäre zu sehen

In der Regel besteht Licht jedoch aus einer Mischung von Photonen unterschiedlicher Energie (Polychromatisches Licht), das heißt mehrfarbiges das Licht. Die Verteilung der Strahlungsenergie über die Wellenlänge kennzeichnet die Farbe des Lichtes und damit die Farbe der Oberflächen, die man bei Beleuchtung mit diesem Licht sieht (vgl. Additive Farbsynthese).

Zur Beschreibung der Gesamtstrahlungsenergie muss daher die spektrale Verteilung berücksichtigen:

$n(f) = \frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}f}$

Für die Strahlungsenergie ergibt sich daher:

$E_\mathrm{g} = h \int_0^{\infty} n(f) \cdot f \ \mathrm{d}f$.

Ein weiterer wichtiger Begriff in diesem Themenbereich ist die Strahlungsleistung Φ_e (auch Strahlungsfluss genannt). Die Strahlungsleistung beschreibt die Strahlungsenergie bezogen auf eine bestimmt Zeit. Sie wird durch Differentiation der Strahlungsenergie nach der Zeit berechnet. Mithilfe des Quantenstromes $\phi=\tfrac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}$ ergibt sich für monochromatisches Licht (unter der Voraussetzung f = const) die Strahlungsleistung:

$\Phi_\mathrm{e}=\phi \cdot E_\mathrm{g}$

Analog ergibt sich für polychromatisches Licht:

$\Phi_\mathrm{e}=h \int_0^{\infty} \frac{\mathrm{d}\phi}{\mathrm{d}f} f \mathrm{d}f$.

Verwendung in der Photometrie

In der Photometrie wird für die Strahlungsenergie (oben als E_g bezeichnet) das Formelzeichen Q_e verwendet. Hierbei steht der Index e für eine energetische Messgröße, die eine objektive Messgröße ist; es fließen nicht die speziellen Eigenschaften der menschlichen Wahrnehmung ein. Im Gegensatz dazu wird der Index v (für visuell) bei Messgrößen gesetzt, bei denen die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Auges einfließen. Ein Beispiel wäre der Helligkeitsvergleich.