Strahlungsenergie

Die Strahlungsenergie ist eine physikalische Größe der Radiometrie. Sie ist die Energie, die von elektromagnetischen Wellen transportiert wird,[1] beispielsweise von Licht, oder die Energie elektromagnetischer Wellen, die in einem gegebenen Raumbereich und zu einem definierten Zeitpunkt enthalten ist.[2] Die SI-Einheit der Strahlungsenergie ist das Joule.

Strahlungsintensität der Sonne oberhalb und auf der Erdoberfläche

Beschreibung

Betrachtet man elektromagnetische Strahlung als Strom von Photonen, so ist die Strahlungsenergie die in diesem Strom transportierte Energie.

Die Energie eines Photons ist lediglich von der Frequenz abhängig:

E=h\cdot f

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

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

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 $\mathrm {d} N$ in einem Frequenzbereich von $f$ bis $f+\mathrm {d} f$ sind:

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

Für die Strahlungsenergie ergibt sich somit:

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 $\Phi _{\mathrm {e} }$ (auch Strahlungsfluss genannt): $\Phi _{\mathrm {e} }={\frac {\mathrm {d} Q_{\mathrm {e} }}{\mathrm {d} t}}$ .

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 $Q_{\mathrm {v} }$ . 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	$\Phi _{\mathrm {e} }$	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.

Einzelnachweise

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).
Horst Stöcker (Herausgeber), ebenda, S. 734.

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[Stoecker_2010-1] 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.

a)

b)