Absorptionsgrad

Der Absorptionsgrad ist das Verhältnis der von einer Oberfläche absorbierten elektromagnetischen Strahlung zur Gesamtstrahlung, die auf die Oberfläche trifft. Er wird als Dezimalzahl zwischen 0 und 1 oder als Prozentsatz angegeben. Eine Oberfläche mit einem Absorptionsgrad von 0,9 nimmt 90 Prozent der eingehenden Strahlungsenergie auf; die restlichen 10 Prozent werden entweder reflektiert oder gehen durch das Material hindurch. Diese Eigenschaft hängt von der Wellenlänge, dem Oberflächenmaterial, der Temperatur und der Oberflächengeometrie ab und ist daher keine universelle Konstante für einen bestimmten Stoff.

Der Begriff wird oft mit Emissivität und Reflektionsgrad verwechselt, aber sie beschreiben unterschiedliche Phänomene. Der Reflektionsgrad misst das zurückgeworfene Licht, die Transmission misst das durchgelassene Licht und der Absorptionsgrad misst nur das, was das Material als Wärme oder chemische Energie aufnimmt. Bei einer undurchsichtigen Oberfläche ergibt Absorptionsgrad plus Reflektionsgrad 1, da nichts übertragen wird. Kirchhoffs Gesetz der Wärmestrahlung besagt, dass bei thermischem Gleichgewicht der Absorptionsgrad eines Materials bei einer bestimmten Wellenlänge und Temperatur gleich seiner Emissivität unter denselben Bedingungen ist.

Praktische Messung und Anwendung

Der Absorptionsgrad wird mit Spektrophotometern oder Ulbrichtkugel-Instrumenten gemessen, die den von einer Probe reflektierten Strahlungsfluss mit einem Referenzstandard vergleichen. Die Werte variieren je nach Wellenlänge erheblich: eine weiße Beschichtung kann im sichtbaren Licht einen Absorptionsgrad von 0,1 haben, im Infrarot aber 0,9. Selektive Beschichtungen für thermische Solarkollektoren nutzen diesen Effekt: Sie absorbieren im sichtbaren und nahinfraroten Bereich (0,85 bis 0,95) stark, während sie im fernen Infrarot schwach abstrahlen und damit Strahlungsverluste minimieren.

Bei der Bildgebung und beim Sensordesign beeinflusst der Absorptionsgrad die Signalstärke und Empfindlichkeit direkt. Ein Sensor mit niedrigem Absorptionsgrad in seinem Betriebsbereich erfasst weniger Photonen und erzeugt schwache Signale. Optische Beschichtungen, Schwarzkörper-Standards und Wärmeisolationssysteme hängen alle von einer präzisen Kontrolle des Absorptionsgrades in bestimmten Spektralbereichen ab. Oberflächenrauheit, Oxidationszustand und Verschmutzung verändern den Absorptionsgrad unvorhersehbar, weshalb Referenzstandards sorgfältig gelagert und regelmäßig neu kalibriert werden müssen.

Die Unterscheidung zwischen Absorptionsgrad und Absorptivität ist in der technischen Praxis wichtig: Absorptivität ist eine Materialeigenschaft, während der Absorptionsgrad die tatsächliche gemessene Absorption einer bestimmten Probe unter ihren besonderen Bedingungen beschreibt. Eine angelaufene Aluminiumoberfläche und eine frisch polierte zeigen sehr unterschiedliche Absorptionsgradwerte, obwohl beide aus Aluminium sind.