Ergänzung 1.7: Strahlungsgrößen und Radiometrie      (1/4)

 

In den SEOS-Lerneinheiten werden viele Strahlungsgrößen genutzt, deren Bedeutung nicht immer ganz offensichtlich ist. Dies gilt auch für die als Radiometrie bezeichnete Methodik der Messung von Strahlungsgrößen. Manche Bezeichnungen werden etwa in der Astronomie und Kernphysik anders gewählt als in der physikalischen Optik, an der wir uns hier orientieren. Hinzu kommt, dass manche Größen - sehr verwirrend - in verschiedenen Sprachen unterschiedlich bezeichnet werden. So bedeutet der englischsprachige Begriff intensity eine Strahlungsleistung (Watt) in einem Raumwinkel (Steradiant), während die Intensität physikalisch nicht definiert ist und eher umgangssprachlich genutzt wird; die intensity ist auf deutsch die Strahlstärke.

Hier werden daher die wichtigsten Größen definiert, und es werden auch die englischen Bezeichnung angegeben.

Von den physikalischen Größen sind physiologische Größen abzugrenzen, die sich auf die eher subjektive Wahrnehmung des Lichts mit dem Auge beziehen und durch das spektrale visuelle Sehvermögen zu erklären sind: im Blauen und Grünen wird die gleiche physikalische Strahlungsleistung unterschiedlich hell empfunden, was für die Beleuchtungstechnik sehr bedeutsam ist. Als Beispiele solcher Größen aus der Lichttechnik oder Fotometrie sei das Lumen für die visuelle Helligkeit einer Lampe und das Lux als Maß für ihre Beleuchtungsstärke auf einer Fläche genannt. Dies hat in der physikalischen Optik vergleichsweise geringe Bedeutung und wird daher hier nicht weiter betrachtet.

Strahlungsleistung (engl.: radiant flux oder radiant power)

Lampe

Die Strahlungsleistung, auch als Strahlungsfluss bezeichnet, entspricht der in allen Richtungen vorhandenen Leistung elektro­magnetischer Wellen oder Photonen. Dies kann die Ausstrahlung eines Strahlers sein, die auf ein Objekt fallende Strahlung, oder auch die an einer bestimmten Stelle im Raum vorhandene Strahlung weit entfernter Quellen.


Formelzeichen: Φ oder P; wir verwenden Φ
Maßeinheit: Watt, [ Φ ]=W

Beispiele:

  • Die Gesamtstrahlung der Sonne in den Weltraum hat die Leistung 387,5·1024 W.
  • Die Strahlungsleistung einer LED-Leuchte, die 9 W elektrische Leistung aufnimmt, ist etwa 4 W. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 40 bis 50%; viel höher als der Wirkungsgrad einer Glühlampe, die nur etwa 5% beträgt.
Gleichungen ↓

Spektrale Größen

Spektrale Eigenschaften zu berücksichtigen ist für alle Strahlungsgrößen fast immer erforderlich. Dies geschieht mit Differenzialquotienten und mit den Indizes f für die Frequenz bzw. λ für die Wellenlänge. Am Beispiel der Strahlungsleistung wird dies folgendermaßen geschrieben:

Φ f = dΦ df     mit     [ Φ f ]= W Hz
Φ λ = dΦ dλ     mit     [ Φ λ ]= W m

Oft ist es zweckmäßig, Leistungen in mW, kW oder MW anzugeben, um praktikable Zahlenwerte zu erhalten. Gleiches gilt für Frequenzen und für Wellenlängen, die in kHz, MHz bzw. in nm, µm oder mm angegeben werden können. Für die Umrechnung von Größen, die auf Wellenlängen bezogen sind, zu frequenz­bezogenen Größen und umgekehrt gilt:

Φ f = λ 2 c Φ λ     und     Φ λ = f 2 c Φ f

Die Größe c ist die Lichtgeschwindigkeit. Der Beweis findet sich auf einer Seite zum Thema Plancksches Strahlungs­gesetz in der Frage: Wie rechnet man um von Frequenzen nach Wellenlängen? Wegen der quadratischen Ausdrücke in λ und f ist der Zusammenhang nichtlinear. Dies erkennt man beispielsweise im Spektrum des sichtbaren Lichts, das linear über die Wellenlänge, aber nichtlinear über die Photonenenergie E=hf dargestellt ist.

Strahlungsenergie (engl.: radiant energy)

Die Strahlungsenergie entspricht der zeitlichen Integration der Strahlungs­leistung. Umgekehrt ist die Strahlungsleistung gleich der zeitlichen Ableitung der Strahlungsenergie:

Q=∫ Φ dt        Φ= dQ dt

Formelzeichen: Q
Maßeinheit: Joule, [ Q ]=J

Der Parameter ist für beispielsweise die Photosynthese der Vegetation von Bedeutung, oder auch für die Ausbeute der Photovoltaik in Regionen mit unterschiedlichen Sonnenscheindauern.

Das Formelzeichen Q ist der Thermodynamik entlehnt; dort bezeichnet es eine Wärmemenge. Das in der Mechanik für die kinetische Energie gängige Zeichen E ist für die Strahlungsenergie nicht sinnvoll, da E in der Radiometrie vielfach für die Bestrahlungsstärke genutzt wird. In der Quantenphysik bedeutet E die Photonenenergie. In der Ergänzung 1.6 über den Strahlungsdruck kommt sowohl die Photonenenergie als auch die Bestrahlungsstärke vor; zur Unterscheidung wird in SEOS daher das Formelzeichen E rad für die Bestrahlungsstärke genutzt.