Radiometrie

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

Während die zentrale Problemstellung der Photometrie lautet, optische Größen zu bestimmen, die eng mit der Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges in Verbindung stehen, behandelt die Radiometrie die Messung von Energie pro Zeiteinheit (= Leistung gemessen in Watt), die von Lichtquellen abgegeben wird oder auf eine bestimmte Oberfläche trifft. Daher sind die Einheiten sämtlicher radiometrischer Größen auf Watt (W) basierend.

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 radiometrische Größen definiert. Ihnen entsprechen für sichtbares Licht jeweils photometrische Größen, die die spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigen.

radiometrische Größe	Symbol ^a)	SI-Einheit	Beschreibung	photometrische Entsprechung^b)	Symbol	SI-Einheit
Strahlungsfluss Strahlungsleistung, radiant flux, radiant power	$\Phi_\mathrm{e}$	W (Watt)	Strahlungsenergie durch Zeit	Lichtstrom luminous flux	$\Phi_\mathrm{v}$	lm (Lumen)
Strahlstärke Strahlungsstärke, radiant intensity	$I_{{\mathrm {e}}}$	W/sr	Strahlungsfluss durch Raumwinkel	Lichtstärke luminous intensity	$I_{{\mathrm {v}}}$	cd = lm/sr (Candela)
Bestrahlungsstärke irradiance	$E_{{\mathrm {e}}}$	W/m²	Strahlungsfluss durch Empfängerfläche	Beleuchtungsstärke illuminance	$E_{{\mathrm {v}}}$	lx = lm/m² (Lux)
Spezifische Ausstrahlung Ausstrahlungsstromdichte, radiant exitance	$M_{\mathrm {e} }$	W/m²	Strahlungsfluss durch Senderfläche	Spezifische Lichtausstrahlung luminous exitance	$M_{{\mathrm {v}}}$	lm/m²
Strahldichte Strahlungsdichte, Radianz, radiance	$L_{\mathrm {e} }$	W/m²sr	Strahlstärke durch effektive Senderfläche	Leuchtdichte luminance	$L_{{\mathrm {v}}}$	cd/m²
Strahlungsenergie Strahlungsmenge, radiant energy	$Q_{{\mathrm {e}}}$	J (Joule)	durch Strahlung übertragene Energie	Lichtmenge luminous energy	$Q_{{\mathrm {v}}}$	lm·s
Bestrahlung Einstrahlung, radiant exposure	$H_{\mathrm {e} }$	J/m²	Strahlungsenergie durch Empfängerfläche	Belichtung luminous exposure	$H_{{\mathrm {v}}}$	lx·s
Strahlungsausbeute radiant efficiency	$\eta _{{\mathrm {e}}}$	1	Strahlungsfluss durch aufgenommene (meist elektrische) Leistung	Lichtausbeute (overall) luminous efficacy	$\eta _{{\mathrm {v}}}$	lm/W

^a) Der Index „e“ dient zur Abgrenzung von den photometrischen Größen. Er kann weggelassen werden.

^b) Die photometrischen Größen sind die radiometrischen Größen, gewichtet mit dem photometrischen Strahlungsäquivalent K, das die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angibt.

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/Antenne), 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 Nuklide, also ihre spontane Umwandlung in andere chemische Elemente. Die bei Zerfallsprozessen entstehende hochenergetische Gamma-Strahlung hat für jedes Nuklid 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.

Literatur

Noboru Ohta, Alan R. Robertson: Colorimetry: Fundamentals and Applications, Wiley-IS&T Series, West Sussex 2006. ISBN 978-0-470-09473-0
Bergmann, Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik Bd. 3 "Optik", De Gruyter, Berlin, New York, 1993

Basierend auf einem Artikel in:

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