Emission und Absorption

Die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Ein Teil des elektromagnetischen Spektrums ist z.B. das sichtbare Licht. Das elektromagnetische Spektrum wird auch, in Abhängigkeit vom jeweiligen Wellenlängenbereich, nach der Art der jeweiligen Strahlung eingeteilt. Beispiele dafür sind Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung und Infrarotstrahlung. Der jeweilige Anteil des eletromagnetischen Spektrums wird als Spektralbereich bezeichnet.

Infrarotstrahlung erfolgt überwiegend im Spektralbereich von 0,7 µm bis 80 µm. Die Emission elektromagnetischer Wellen in diesem Spektralbereich ist gleichbedeutend mit der Ausbreitung von Wärmestrahlung. Die Emission von Strahlung anderer Spektralbereiche liefert dagegen nur einen geringen Beitrag zur Wärmestrahlung. Die Ausbreitung der Infrarotstrahlung erfolgt, in Abhängigkeit von der Geometrie der Strahlungsquelle, in alle Richtungen (Beispiel Sonne) oder gerichtet wie bei ebenen Strahlungsquellen. Die Strahlung, die als IR-Strahlung von der Strahlungsquelle freigesetzt wird, breitet sich wellenförmig im Raum aus. Die IR-Strahlung wird nicht nur gleichmäßig mit einer bestimmten Wellenlänge (z.B. 8,5 µm) emittiert.

IR-Strahlung enthält Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen. Von technischer Bedeutung ist der jeweils betrachtete Wellenlägenbereich, z.B. 3 – 10 µm. Der Spektralbereich Infrarot wird aus physikalisch-technischen Gründen in 3 Bänder unterteilt. Dies sind gemäß DIN 5031 die Bänder IR-A (kurzwelliges IR 0,7 – 1,4 µ), IR-B (mittelwelliges IR 1,4 – 3,0 µ), IR-C (langwelliges IR 3,0 – 80,0 µ).

Wenn IR-Strahlung auf einen Körper trifft, wird ein Anteil der IR-Strahlung von diesem absorbiert. Die Absorption dieses Strahlungsanteils entspricht einer Zufuhr von Energie und bewirkt eine Temperaturerhöhung des Körpers.

Dass ein Körper die auf ihn treffende IR-Strahlung nur anteilig absorbieren kann, hat unterschiedliche Ursachen. Eine für den Absorptionsprozess maßgebliche physikalische Tatsache ist, dass Wärmeenergie nur von Körpern höherer Temperatur auf Körper niedrigerer Temperatur übertragen werden kann. Dies gilt auch unabhängig von der Energieübertragung durch Strahlung (z.B. Kontakterwärmung). Zu beachten ist auch, dass zwischen Emitter und Absorber eine Strahlungs-Wechselwirkung erfolgt, das heißt, dass während des Absorptionsprozesses der Absorber IR-Strahlung emittiert.

Ein Grund dafür, dass ein Körper die gesamte auf ihn treffende IR-Strahlung nur anteilig absorbieren kann, liegt in der Beschaffenheit seiner molekularen Struktur. Die Art der molekularen Struktur eines Körpers definiert gleichzeitig seine Fähigkeit, IR-Strahlung in einem definierten Wellenlängenbereich aufzunehmen. Dieser Wellenlängenbereich stellt sein Absorptions-Spektrum dar. Zu beachten ist, dass es Körper, bzw. Werkstoffe gibt, die über mehrere Absorptionsmaxima verfügen, in denen sie IR-Strahlungsanteile ähnlich gut absorbieren. Ebenso wie ein Emitter IR-Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen aussendet, verhält es sich bei einem Körper oder Werkstoff, auf den die IR-Strahlung trifft. Da Werkstoffe über einen unterschiedlichen molekularen Aufbau verfügen, kann bei ihnen bei einer bestimmten Temperatur (z.B. Raumtemperatur) ein individuelles Absorptionsspektrum nachgewiesen werden. Strahlungsanteile, die diesem Absorptionsspektrum nicht entsprechen, werden durchgelassen (Transmission) oder reflektiert. Diese Strahlungsanteile tragen nicht zur Erwärmung des Werkstoffs bei.

Aus den zuvor erläuterten physikalischen Gesetzmäßigkeiten lässt sich nun die allgemeingültige Grundregel ableiten, dass ein guter Absorber auch gleichzeitig ein guter Emitter sein muss. Es gibt jedoch zum Teil erhebliche Unterschiede im Hinblick darauf, in welchem Wellenlängenbereich ein bestimmtes Material bei gegebener Temperatur stärker absorbiert als emittiert. Die nachfolgende Aufstellung vergleicht exemplarisch den Gesamtabsorptionsgrad a für Sonneneinstrahlung und den Gesamt-Emissionsgrad e bei T = 300 K für die folgenden Materialien:

Dachpappe a = 0,82 | e = 0,91 und Schnee a = 0,30 | e = 0,95

Am Beispiel Schnee lässt sich erkennen, dass dieser die Sonnenstrahlung mit nur a 0,30 absorbieren kann. Der Grund dafür ist seine reflektierende, weiße Oberfläche bei gegebenem Spektralbereich der Sonnenstrahlung. Der Schnee schmilzt trotz Sonneneinstrahlung nur langsam. Wird dem Schnee jedoch eine langwelligere IR-Strahlung, z.B. durch Abstrahlung einer warmen Hauswand zugeführt, wäre der Absorptionsgrad des Schnees größer. Er könnte dabei einen Wert bis e 0,91 erreichen, welches gleichzeitig sein Emissionsmaximum ist. In diesem Beispiel wird die Wirkung der Konvektion vernachlässigt. Ein weiteres Beispiel für materialbedingte Unterschiede hinsichtlich Emission und Absorption, sind speziell beschichtete Metallfolien, die zur Herstellung von Sonnenkollektoren verwendet werden. Bei ihnen beträgt der Absorptionsgrad a 0,95 und der Emissionsgrad e liegt bei etwa 0,05.

Die Beobachtung dieser materialbedingten Unterschiede im Hinblick auf Absorption und Emission stehen nicht im Widerspruch dazu, dass ein guter Emitter gleichzeitig auch ein guter Absorber ist. Die in den Beispielen genannten Unterschiede sollen verdeutlichen, dass Absorption und Emission von der jeweiligen Strahlungsintensität innerhalb eines Wellenlängenbereiches abhängig sind.

Nachfolgend werden einige Strahlungsgesetze erwähnt, mittels derer die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der IR-Strahlung theoretisch und experimentell nachvollziehbar sind:

Plancksches Strahlungsgesetz
Verteilung der Strahlungsintensität des idealen Schwarzen Strahlers in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der absoluten Temperatur

Kirchhoffsches Strahlungsgesetz
Emission und Absorption entsprechen einander

Stefan Boltzmann-Gesetz
Strahlungsleistung eines Körpers ist proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur

Wiensches Verschiebungsgesetz
Gibt an, bei welcher Wellenlänge ein Schwarzer Köper, je nach seiner Temperatur, die größte Strahlungsleistung abgibt

Abstandsgesetz
Beschreibt den Betrag der Abnahme der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Entfernung zur Strahlungsquelle