พลังงานการแผ่รังสี

พลังงานการแผ่รังสี (อังกฤษ: Radiant Energy) เป็นพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คำนวณได้จากผลรวมของฟลักซ์ (flux หรือ กำลัง) ที่แผ่ออกมาเมื่อเทียบกับเวลา มีหน่วยเป็น จูล พลังงานจะถูกส่งออกมาจากแหล่งใดแหล่งหนึ่งสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบ อาจมองเห็นหรืออาจมองไม่เห็นได้ด้วยตาเปล่า

คำศัพท์เฉพาะทาง

คำว่า "พลังงานการแผ่รังสี" ส่วนใหญ่จะถูกใช้ในสาขาการวัดรังสี, พลังงานจากดวงอาทิตย์, การให้ความร้อนและแสงสว่าง และโทรคมนาคม การส่งกำลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งก็ถือว่าเป็นการแผ่รังสี แต่เราจะเรียกว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แทนที่จะเรียกว่าพลังงาน

การวิเคราะห์

เนื่องจากการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) สามารถถูกนิยามได้ว่าเป็นลำแสงของโฟตอน พลังงานที่แผ่รังสีออกไป ก็สามารถมองได้ว่าพลังงานถูกพาไปกับโฟตอน หรืออีกทางหนึ่ง การแผ่รังสีของ EM สามารถถูกมองได้ว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่นำพาพลังงานในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของมันเอง การมองทั้งสองแบบนี้เหมือนกันและใช้แทนกันได้ในทฤษฎีสนามควอนตัม

การแผ่รังสีของ EM มีหลากหลายความถี่ แถบความถี่ของสัญญาณ EM ใดๆอาจถูกกำหนดได้ชุดเจน อย่างที่เห็นในแถบความถี่ของอะตอม หรืออาจมีแถบความถี่ที่กว้าง เหมือนการแผ่รังสีของวัตถุดำ ในภาพของโฟตอน พลังงานมี่ถูกนำพาไปในแต่ละโฟตอนมีอัตราส่วนกับความถี่ ในภาพของคลื่น พลังงานของคลื่นสีเดียวมีอัตราส่วนกับความเข้ม นี่หมายความว่าถ้าสองคลื่น EM มีความเข้มเท่ากันแต่ความถี่ต่างกับ ตัวที่มีความถี่สูงกว่าจะมีพลังงานน้อยกว่า

เมื่อคลื่น EM ตกกระทบวัตถุ พลังงานของคลื่นจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน หรือเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ถ้าเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ คลื่น EM อาจจะสะท้อนหรือกระจาย พลังงานก็จะสะท้อนหรือกระจายเหมือนกัน

ระบบเปิด

พลังงานแผ่รังสีเป็นหนึ่งในกลไกโดยที่พลังงานสามารถเข้าไปหรือออกมาจากระบบเปิด^[1]ได้ ระบบนี้อาจเป็นสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น ตัวเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ หรือ ตัวเก็บอากาศที่มีตามธรรมชาติ ในสาขาธรณีวิทยา แก๊สในบรรยากาศส่วนมากรวมทั้งแก๊สเรือนกระจก ยอมให้พลังงานที่แผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ที่ความยาวคลื่นสั้นผ่านทะลุลงมายังผิวโลกได้ พลังงานนี้ให้ความร้อนกับพื้นดินและมหาสมุทร พลังงานของดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับไว้บางส่วนถูกสะท้อนกลับไปด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกว่า (นำโดยคลื่นอินฟราเรด) พลังงานบางส่วนถูกดูดซับไว้โดยแก๊สเรือนกระจก พลังงานที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นเป็นผลจากปฏิกิริยานิวเคลียร์

การนำไปประยุกต์ใช้งาน

เครื่องปฏิกรณ์การถ่ายภาพรังสีด้วยนิวตรอน ที่ศุนย์การทดสอบเชื้อเพลิงร้อน ห้องทดลองแห่งชาติไอดาโฮ ขนาด 250 kW ประกอบด้วยหลอดลำแสง 2 หลอด และสถานีแยกรังสี 2 สถานี อุปกรณ์นี้ถูกใช้สำหรับการถ่ายภาพรังสีด้วยนิวตรอนสำหรับวัตถุขนาดเล็ก แสงวาบสีฟ้าเกิดจากการแผ่รังสีเชเรนคอฟ น้ำใส ๆ รอบแกนกลางใช้ป้องกันผู้สังเกตการณ์จากการแผ่รังสี

พลังงานแผ่รังสีถูกใช้สำหรับแผ่รังสีความร้อน สามารถให้แสงสว่างกับหลอดอินฟราเรด หรือทำให้น้ำร้อน พลังงานความร้อนจะถูกส่งออกไปจากแหล่งผลิตใต้พื้น หรือหลังฝาผนังหรือบนฝ้า เพื่อให้ความอบอุ่นกับคนหรือสิ่งของที่อยู่ในห้องแทนที่จะให้ความร้อนโดยตรงด้วยอากาศร้อน วิธีนี้ อุณหภูมิของอากาศอาจต่ำกว่าการทำอาคารให้ร้อนโดยวิธีเดิม

นอกเหนือจากนี้ก็ยังมีการนำไปใช้ในลักษณะดังต่อไปนี้

การตรวจโรคและการรักษาโรค
การแยกและเรียงลำดับ
ตัวกลางในการควบคุม
ตัวกลางในการสื่อสาร

การนำไปประยุกต์ใช้งานเหล่านี้ต้องใช้แหล่งพลังงานที่แผ่รังสีและตรวจจับสัญญาณการแผ่รังสีที่บอกลักษณะสมบัติของรังสีที่แผ่ออกมา ตัวตรวจจับพลังงานที่แผ่รังสีนี้ จะสร้างสภาวการณ์ให้ทำการเพิ่มหรือลดการแผ่รังสีโดยวิธีทางกระแสไฟฟ้าหรือวิธีอื่น เช่นการปรับเปลี่ยนแผ่นฟิล์มที่รับแสงเป็นต้น

หนึ่งในโทรศัพท์ไร้สายยุคแรก ที่มีพื้นฐานมาจากพลังงานแผ่รังสีถูกประดิษฐ์โดย นิโคลา เทสลา อุปกรณ์ใช้เครื่องส่งและเครื่องรับที่มีการสั่นพ้องที่ความถี่เดียวกัน ทำให้มีการสื่อสารระหว่างกันได้ ในปี ค.ศ. 1916 เขานำเอาการทดลองที่เคยทำเมื่อปี ค.ศ. 1896 ^[2] มาศึกษาใหม่ เขาพบว่า "เมื่อไรก็ตามทีผมได้รับผลกระทบของเครื่องส่ง หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด (ในการตรวจจับการส่งสัญญาณแบบไร้สาย) คือ ป้อนสนามแม่เหล็กให้เกิดกระแสในตัวนำ และเมื่อผมทำอย่างนั้น ความถี่ต่ำให้เสียงออกมา"

หน่วยวัดรังสี

หน่วยเอสไอของการวัดปริมาณการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Radiometry)

ปริมาณ		หน่วย		มิติ	หมายเหตุ
ชื่อ	สัญลักษณ์^{[nb 1]}	ชื่อ	สัญลักษณ์	สัญลักษณ์	หมายเหตุ
พลังงานการแผ่รังสี (Radiant energy)	Q_e^{[nb 2]}	จูล (joule)	J	M⋅L²⋅T⁻²	พลังงาน
ฟลักซ์การแผ่รังสี (Radiant flux)	Φ_e^{[nb 2]}	วัตต์ (watt)	W	M⋅L²⋅T⁻³	พลังงานการแผ่รังสีต่อหน่วยเวลา หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งได้ว่า "กำลังการแผ่รังสี"
ฟลักซ์เชิงสเปกตรัม (Spectral flux)	Φ_eλ^{[nb 2]}^{[nb 3]}	วัตต์ต่อเมตร	W⋅m⁻¹	M⋅L⋅T⁻³	พลังงานการแผ่รังสีต่อความยาวคลื่น
ความเข้มของการแผ่รังสี (Radiant intensity)	I_e	วัตต์ต่อสเตอเรเดียน	W⋅sr⁻¹	M⋅L²⋅T⁻³	กำลังต่อหน่วยมุมตัน
ความเข้มเชิงสเปกตรัม (Spectral intensity)	I_eλ^{[nb 3]}	วัตต์ต่อสเตอเรเดียนต่อเมตร	W⋅sr⁻¹⋅m⁻¹	M⋅L⋅T⁻³	ความเข้มการแผ่รังสีต่อความยาวคลื่น
ความแผ่รังสี (Radiance)	L_e	วัตต์ต่อสเตอเรเดียนต่อตารางเมตร	W⋅sr⁻¹⋅m⁻²	M⋅T⁻³	power per unit solid angle per unit projected source area. confusingly called "intensity" in some other fields of study.
ความแผ่รังสีเชิงสเปกตรัม (Spectral radiance)	L_eλ^{[nb 3]} or L_eν^{[nb 4]}	วัตต์ต่อสเตอเรเดียนต่อลูกบาศก์เมตร หรือ วัตต์ต่อสเตอเรเดียนต่อตารางเมตรต่อเฮิรตซ์	W⋅sr⁻¹⋅m⁻³ หรือ W⋅sr⁻¹⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅L⁻¹⋅T⁻³ หรือ M⋅T⁻²	commonly measured in W⋅sr⁻¹⋅m⁻²⋅nm⁻¹ with surface area and either wavelength or frequency.
ความรับอาบรังสี (Irradiance)	E_e^{[nb 2]}	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m⁻²	M⋅T⁻³	power incident on a surface, also called radiant flux density. sometimes confusingly called "intensity" as well.
ความรับอาบรังสีเชิงสเปกตรัม (Spectral irradiance)	E_eλ^{[nb 3]} or E_eν^{[nb 4]}	วัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร หรือ วัตต์ต่อตารางเมตรต่อเฮิรตซ์	W⋅m⁻³ หรือ W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅L⁻¹⋅T⁻³ หรือ M⋅T⁻²	commonly measured in W⋅m⁻²⋅nm⁻¹ or 10⁻²²W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹, known as solar flux unit.^{[nb 5]}
ความเปล่งรังสี (Radiant emittance)	M_e^{[nb 2]}	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m⁻²	M⋅T⁻³	power emitted from a surface.
ความเปล่งรังสีเชิงสเปกตรัม / (Spectral radiant emittance)	M_eλ^{[nb 3]} or M_eν^{[nb 4]}	วัตต์ต่อลูกบาศก์เมตร หรือ วัตต์ต่อตารางเมตรต่อเฮิรตซ์	W⋅m⁻³ หรือ W⋅m⁻²⋅Hz⁻¹	M⋅L⁻¹⋅T⁻³ หรือ M⋅T⁻²	power emitted from a surface per wavelength or frequency.
Radiosity	J_e หรือ J_eλ^{[nb 3]}	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m⁻²	M⋅T⁻³	emitted plus reflected power leaving a surface.
Radiant exposure	H_e	จูลต่อตารางเมตร	J⋅m⁻²	M⋅T⁻²
ความหนาแน่นของพลังงานการแผ่รังสี (Radiant energy density)	ω_e	จูลต่อลูกบาศก์เมตร	J⋅m⁻³	M⋅L⁻¹⋅T⁻²
ดูเพิ่ม SI · การวัดรังสี (Radiometry) · การวัดแสง (Photometry)

↑ Standards organizations recommend that radiometric quantities should be denoted with a suffix "e" (for "energetic") to avoid confusion with photometric or photon quantities.
↑ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 ^2.4 Alternative symbols sometimes seen: W or E for radiant energy, P or F for radiant flux, I for irradiance, W for radiant emittance.
↑ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 ^3.5 Spectral quantities given per unit wavelength are denoted with suffix "λ" (Greek) to indicate a spectral concentration. Spectral functions of wavelength are indicated by "(λ)" in parentheses instead, for example in spectral transmittance, reflectance and responsivity.
↑ ^4.0 ^4.1 ^4.2 Spectral quantities given per unit frequency are denoted with suffix "ν" (Greek)—not to be confused with the suffix "v" (for "visual") indicating a photometric quantity.
↑ NOAA / Space Weather Prediction Center includes a definition of the solar flux unit (SFU).

ดูเพิ่ม

อ้างอิง

↑ Moran, M.J. and Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Chapter 4. "Mass Conservation for an Open System", 5th Edition, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2.
↑ Anderson, Leland I. (editor), Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, 2002, ISBN 1-893817-01-6.

[note-suffix-e-3] Standards organizations recommend that radiometric quantities should be denoted with a suffix "e" (for "energetic") to avoid confusion with photometric or photon quantities.

[note-alternative-symbol-radiometric-4] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 ^2.4 Alternative symbols sometimes seen: W or E for radiant energy, P or F for radiant flux, I for irradiance, W for radiant emittance.

[note-suffix-lambda-5] 3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 ^3.5 Spectral quantities given per unit wavelength are denoted with suffix "λ" (Greek) to indicate a spectral concentration. Spectral functions of wavelength are indicated by "(λ)" in parentheses instead, for example in spectral transmittance, reflectance and responsivity.

[note-suffix-nu-6] 4.0 ^4.1 ^4.2 Spectral quantities given per unit frequency are denoted with suffix "ν" (Greek)—not to be confused with the suffix "v" (for "visual") indicating a photometric quantity.

[note-NOAA-SFU-7] NOAA / Space Weather Prediction Center includes a definition of the solar flux unit (SFU).

[1] Moran, M.J. and Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Chapter 4. "Mass Conservation for an Open System", 5th Edition, John Wiley and Sons. ISBN 0-471-27471-2.

[2] Anderson, Leland I. (editor), Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, 2002, ISBN 1-893817-01-6.

[1]

[2]

[nb 1]

[nb 2]

[nb 3]

[nb 4]

[nb 5]