Absorptionskoeffizient

Absorptionskoeffizient

Dieser Artikel beschreibt die Schwächung elektromagnetischer Strahlung in Materie. Für weitere Bedeutungen siehe Absorptionskoeffizient (Begriffsklärung).
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Der Absorptionskoeffizient, auch Dämpfungskonstante oder linearer Schwächungskoeffizient, ist ein Maß für die Verringerung der Intensität elektromagnetischer Strahlung beim Durchgang durch ein gegebenes Material. Er wird in der Optik und in Bezug auf Röntgenstrahlung und Gammastrahlung verwendet. Sein übliches Formelsymbol ist in der Optik $ \alpha $ oder $ \alpha' $, bei Röntgen- und Gammastrahlung $ \mu $. Seine Dimension ist 1/Länge, die übliche Einheit 1/cm. Ein großer Absorptionskoeffizient bedeutet, dass das Material die betrachtete Strahlung relativ stark abschirmt, ein kleiner dagegen, dass es durchlässiger für die Strahlung ist.

In der Bezeichnung Absorptionskoeffizient ist der Begriff Absorption nicht im engeren Sinn der Abgabe von Strahlungsenergie an das Medium zu verstehen. Zur hier gemeinten Intensitätsabnahme (Extinktion) tragen vielmehr auch Streuprozesse bei, die die Strahlung nur aus ihrer Richtung ablenken.

Anwendung

Gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz klingt die Intensität $ I $ nach Durchlaufen eines Absorbers der Dicke $ z $ bzw. in einer Eindringtiefe $ z $ exponentiell ab:

$ \begin{align} I(z) & = I_0 \cdot e^{-\alpha z}\\ & = I_0 \cdot \exp\left(-2 n'' \, \frac{\omega}c \, z\right) \end{align} $

mit

Herleitung

Ersetzt man in

$ \vec{E} = \vec{E}_{0} \cdot e^{i \left[ \vec{k} \, \vec{r} - \omega t \right]} = \vec{E}_{0} \cdot e^{i \left[ k z - \omega t \right]} $

die Kreiswellenzahl $ k $ aus dem Wellenvektor $ \vec{k} = k \, \hat{e}_z $ wie folgt

$ k = \frac{\omega}{c} n = \frac{\omega}{c} (n' + \mathrm i n'') $,

(darin ist $ n $ der komplexe Brechungsindex)

so erhält man:

$ \begin{align} \vec{E} & = \vec{E}_{0} \cdot e^{\mathrm i \left[ (n' + \mathrm i n'') \frac{\omega}{c} z - \omega t \right]}\\ & = \vec{E}_{0} \cdot e^{- n'' \frac{\omega}{c} z} \cdot e^{\mathrm i \left[ n '\frac{\omega }{c} z - \omega t \right]} \end{align} $

Es gilt $ I\propto|E|^2 $.

Extinktionskoeffizient und Absorptionsindex

Aus dem Absorptionskoeffizienten einer Probe lassen sich der Extinktionskoeffizient $ n'' $ und der Absorptionsindex $ \kappa = \frac{n''}{n'} $ berechnen:

$ \alpha \, \frac{c}{2\omega} = n'' = n' \cdot \kappa $

Optik

Den Quotienten $ I(d)/I_0 $ nach Durchqueren einer Schichtdicke $ d $ bezeichnet man als Transmissionsgrad $ T $:

$ T = \frac{I}{I_0} = e^{-\alpha d} $

Der inverse Transmissionsgrad heißt Opazität $ O $:

$ O = T^{-1} = \frac{I_0}{I} = e^{\alpha d} $

Der negative dekadische Logarithmus des Transmissionsgrads, also der dekadische Logarithmus der Opazität ist die Extinktion $ E $:

$ E = -\lg(T) = \lg(O) = \lg\left(\frac{I_0}{I}\right) = \lg(e)\,\alpha\, d\approx 0{,}434 \, \alpha\, d $

Röntgen- und Gammastrahlung

Als Faustregel für Photonenenergien über 50 keV gilt: Je höher die Energie, je weniger dicht das Material und je kleiner die Kernladungszahl des Materials, umso geringer ist der lineare Schwächungkoeffizient. Auch bei niedrigeren Energien steigt $ \mu $ mit der Kernladungszahl Z des Materials steil an (proportional zur 4. Potenz). Deshalb ist Blei mit seiner hohen Dichte das bevorzugte Material für Abschirmungen.

Für praktische Zwecke wird oft der Massenschwächungskoeffizient bevorzugt. Er ergibt multipliziert mit der Dichte des Materials den linearen Schwächungskoeffizienten.

Siehe auch

  • Halbwertsdicke

Literatur


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