Strahlungsspektren

Optische Strahlung besteht im allgemeinen aus einem Frequenz- und Richtungsgemisch elektromagnetischer Wellen. Durch Zerlegung des Frequenzgemischs erhalten wir ein Spektrum. Die Zerlegung erfolgt so, dass jedem Teil der Zerlegung ein bestimmter Anteil der Gesamtheit zugordnet wird. Es besteht also ein funktionaler Zusammenhang. Für optische Strahlung wird in der Regel nach der Frequenz $\nu$ zugeordneten Wellenlänge $\lambda = \nu /$   c unterschieden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Technisch geschieht die Zerlegung mit einem Beugungsgitter und einem Empfänger, der die aufgespalteten Spektralbereiche an festen Positionen aufnimmt. Die festen Positionen werden über eine Wellenlängenkalibrierung entsprechenden Wellenlängen zugeordnet und entsprechen deshalb praktisch nie glatten Wellenlängenwerten. Im folgender Abbildung ist zum Beispiel die spektrale Zerlegung der Strahlung eines Metallhalogenidstrahlers E (blau) in energetischen Größen aufgetragen. Die vertikale Achse ist dabei nur relativ beschriftet, das heißt der gemessene Maximalwert wurde auf 1 gesetzt. Türkisfarben sind Wellenlängen des Quecksilbers (Hg) markiert, die zur Wellenlängenkalibrierung dienen können.

Figure: Beispielspektrum eines Metallhalogenidstrahlers

Die aufgenommenen Intensitäten eines Messgerätes sind zunächst einmal Counts oder einfach Skalenteile des Detektors. Üblicherweise werden diese Counts mittels einer Kalibrierung umgerechnet auf energetische Größen wie zum Beispiel Watt pro Quadratmeter und Nanometer, W/(m$^2$ nm). Für chemische und biologische Anwendungen interessieren oft nicht die energetischen Größen, sondern die Anzahl der Photonen. Sie kann man umrechnen mittels

$$1 \frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{nm}} = 1 \frac{\text{J} ... ...c{\text{h} \cdot \text{c}\cdot \text{s}}{\lambda \; \text{m}^2 \cdot \text{nm}}$$ (1)

wobei h das plancksche Wirkungsquantum, J die Energieinhalt Joule und s die Zeiteinheit Sekunde ist. Wichtig ist hierbei, dass der zusätzliche Faktor $1/\lambda$ hinzukommt und somit spektral selektiv ist. Eine Energieeinheit blauer Photonen bei 400 nm ergibt also nur halb so viele Photonen wie die gleiche Energieeinheit roter Photonen bei 800 nm. Ein umgerechnetes Spektrum aus Abbildung müsste also so verzerrt werden, dass es rechts deutlich höhere Werte anzeigt indem man Wert für Wert mittels Gleichung umrechnet.

Müssen in technischen Fragestellungen weitere Unterschiede wie zum Beispiel Polarisation der Strahlungsbestandteile berücksichtigt werden, dann muss das Spektrum weiter aufspalten werden. Wie bei den einzelnen Wellenlängen geht man die Anteile separat mit ihren jeweiligen Besonderheiten an und kann anschließend das Gesamtergebnis betrachten. Polarisation kann zum Beispiel eine Rolle spielen bei Wirkungen auf rechts- oder linksdrehende organische Moleküle oder bei Reflexion oder Transmission an Grenzflächen. In Alltagsuntersuchungen werden solche Effekte wie auch quantenmechanische Spezialitäten nicht berücksichtigt und werden hier auch nicht weiter vertieft.

Der Wertebereich von Spektren ist positiv, und der Wert Null kommt schon aufgrund der Unschärferelation nicht vor. Bei einer Strahlungsbilanzierung kann es jedoch scheinbar zu negativen Ansätzen kommen wie in folgendem Beispiel. Eine sehr kalte Oberfläche in der Nähe unserer Haut lässt uns eine Art Kältestrahlung spüren, die jedoch nur scheinbar negativ ist. Sie ergibt sich aus dem Unterschied der von unserer Haut ausgehenden Wärmestrahlung und der von der kalten Oberfläche weniger zurückgestrahlte Wärme. Bezogen auf einen angenommenen Gleichgewichtszustand erscheint die Rückgestrahlte Strahlung negativ, obwohl der absolute Anteil natürlich positiv bleibt. Es kann sinnvoll sein, mit negativen Spektralwerten zu rechnen, man muss jedoch aufpassen.