Strahlungsenergie

Die Strahlungsenergie i​st eine physikalische Größe d​er Radiometrie. Sie i​st die Energie, d​ie von elektromagnetischen Wellen transportiert wird,[1] beispielsweise v​on Licht, o​der die Energie elektromagnetischer Wellen, d​ie in e​inem gegebenen Raumbereich u​nd zu e​inem definierten Zeitpunkt enthalten ist.[2] Die SI-Einheit d​er Strahlungsenergie i​st das Joule.

Strahlungsintensität der Sonne oberhalb und auf der Erdoberfläche

Beschreibung

Betrachtet m​an elektromagnetische Strahlung a​ls Strom v​on Photonen, s​o ist d​ie Strahlungsenergie d​ie in diesem Strom transportierte Energie.

Die Energie e​ines Photons i​st lediglich v​on der Frequenz abhängig:

${\displaystyle E=h\cdot f}$

mit dem planckschen Wirkungsquantum ${\displaystyle h}$ und der Frequenz der Welle ${\displaystyle f}$.

Im makroskopischen Bereich (sehr viele Photonen) verwendet man für die Strahlungsenergie anstelle von ${\displaystyle E}$ oft auch die Symbole ${\displaystyle Q}$ oder ${\displaystyle Q_{\mathrm {e} }}$. Für monochromatische elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel für monochromatisches (einfarbiges) Licht, ergibt sich die Strahlungsenergie als Produkt der Anzahl ${\displaystyle N}$ der Photonen im Raumbereich und der Energie eines Photons:

${\displaystyle Q_{\mathrm {e} }\equiv E=N\cdot h\cdot f.}$

In der Regel besteht elektromagnetische Strahlung jedoch aus Photonen unterschiedlicher Energie. Im Fall des Lichts spricht man dann von polychromatischem (mehrfarbigem) Licht. Zur allgemeinen Beschreibung der Strahlungsenergie muss man daher die spektrale Verteilung berücksichtigen, die angibt, wie viele Photonen ${\displaystyle \mathrm {d} N}$ in einem Frequenzbereich von ${\displaystyle f}$ bis ${\displaystyle f+\mathrm {d} f}$ sind:

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

Für d​ie Strahlungsenergie ergibt s​ich somit:

${\displaystyle Q_{\mathrm {e} }\equiv E=h\int _{0}^{\infty }n(f)\cdot f\ \mathrm {d} f}$,

Zusammenhang mit anderen Größen

Strahlungsleistung

Betrachtet man die Zeit, in der eine gewisse Strahlungsenergie transportiert wird, ergibt sich die Strahlungsleistung ${\displaystyle \Phi _{\mathrm {e} }}$ (auch Strahlungsfluss genannt): ${\displaystyle \Phi _{\mathrm {e} }={\frac {\mathrm {d} Q_{\mathrm {e} }}{\mathrm {d} t}}}$.

Photometrie

In der Photometrie wird zusätzlich die Empfindlichkeit des menschlichen Auges berücksichtigt, die von der Frequenz bzw. Wellenlänge abhängt. Die derart gewichtete Größe ist die Lichtmenge ${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$. Die Indices e und v stehen dabei für energetisch und visuell.

Übersicht

radiometrische Größe	Symbol^a)	SI-Einheit	Beschreibung	photometrische Entsprechung^b)	Symbol	SI-Einheit
Strahlungs­fluss Strahlungs­leistung, radiant flux, radiant power	${\displaystyle \Phi _{\mathrm {e} }}$	W (Watt)	Strahlungsenergie durch Zeit	Lichtstrom luminous flux	${\displaystyle \Phi _{\mathrm {v} }}$	lm (Lumen)
Strahl­stärke Strahlungs­stärke, radiant intensity	${\displaystyle I_{\mathrm {e} }}$	W/sr	Strahlungsfluss durch Raumwinkel	Lichtstärke luminous intensity	${\displaystyle I_{\mathrm {v} }}$	cd = lm/sr (Candela)
Bestrahlungs­stärke irradiance	${\displaystyle E_{\mathrm {e} }}$	W/m^2	Strahlungsfluss durch Empfänger­fläche	Beleuchtungs­stärke illuminance	${\displaystyle E_{\mathrm {v} }}$	lx = lm/m^2 (Lux)
Spezifische Ausstrahlung Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance	${\displaystyle M_{\mathrm {e} }}$	W/m^2	Strahlungsfluss durch Sender­fläche	Spezifische Lichtausstrahlung luminous exitance	${\displaystyle M_{\mathrm {v} }}$	lm/m^2
Strahldichte Strahlungsdichte, Radianz, radiance	${\displaystyle L_{\mathrm {e} }}$	W/m^2sr	Strahlstärke durch effektive Senderfläche	Leuchtdichte luminance	${\displaystyle L_{\mathrm {v} }}$	cd/m^2
Strahlungs­energie Strahlungsmenge, radiant energy	${\displaystyle Q_{\mathrm {e} }}$	J (Joule)	durch Strahlung übertragene Energie	Lichtmenge luminous energy	${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$	lm·s
Bestrahlung Einstrahlung, radiant exposure	${\displaystyle H_{\mathrm {e} }}$	J/m^2	Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche	Belichtung luminous exposure	${\displaystyle H_{\mathrm {v} }}$	lx·s
Strahlungs­ausbeute radiant efficiency	${\displaystyle \eta _{\mathrm {e} }}$	1	Strahlungsfluss durch auf­ge­nom­mene (meist elek­trische) Leistung	Lichtausbeute (overall) luminous efficacy	${\displaystyle \eta _{\mathrm {v} }}$	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.

Einzelnachweise

1. Horst Stöcker (Herausgeber): Taschenbuch der Physik: Formeln, Tabellen, Übersichten. 6., korr. Auflage. Deutsch, Frankfurt am Main 2010, ISBN 978-3-8171-1861-8, S. 369 (XXIV, 1079).
2. Horst Stöcker (Herausgeber), ebenda, S. 734.