تدفق الإشعاع: دليل شامل
يُستخدم مصطلح التدفق الإشعاعي لوصف كمية الطاقة الإشعاعية المنبعثة أو المنعكسة أو المنقولة أو المستلمة بواسطة جسم في وحدة زمنية. الطاقة الإشعاعية هي الطاقة التي تحملها الموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء وموجات الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية وأشعة إكس. يُعرف التدفق الإشعاعي أيضًا بالقوة الإشعاعية أو القوة البصرية (في حالة الضوء).
يعتبر التدفق الإشعاعي مفهومًا مهمًا في علم القياس الإشعاعي، وهو العلم الذي يتناول قياس وتحليل الإشعاع الكهرومغناطيسي. يمكن استخدام التدفق الإشعاعي لتوصيف أداء مصادر الضوء والكاشفات والأجزاء البصرية وأنظمة الأجهزة. كما يمكن استخدامه لحساب كميات إشعاعية أخرى مثل الشدة الإشعاعية والإشعاع والتسخين الإشعاعي والانبعاث الإشعاعي والإنارة الإشعاعية.
في هذا المقال، سنشرح ما هو التدفق الإشعاعي وكيف يتم قياسه وحسابه وكيف يرتبط بكميات إشعاعية وبصرية أخرى وما هي بعض تطبيقاته وأمثلته.
ما هو التدفق الإشعاعي؟
يُعرَّف التدفق الإشعاعي بأنه معدل تغير الطاقة الإشعاعية بالنسبة للوقت. رياضيًا، يمكن التعبير عنه كالتالي:
حيث:
Φe هو التدفق الإشعاعي بوحدة الواط (W)
Qe هي الطاقة الإشعاعية بوحدة الجول (J)
t هو الزمن بوحدة الثواني (s)
الطاقة الإشعاعية هي الكمية الإجمالية للطاقة التي يتم نقلها بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية عبر سطح أو داخل حجم. يمكن أن تنبعث من مصدر (مثل المصباح الكهربائي) أو تنعكس من سطح (مثل المرآة) أو تنتقل عبر وسيط (مثل الهواء أو الزجاج) أو تمتص بواسطة جسم (مثل لوحة الطاقة الشمسية).
يمكن أن يكون التدفق الإشعاعي إيجابيًا أو سلبيًا اعتمادًا على اتجاه نقل الطاقة. على سبيل المثال، إذا انبعث من مصدر ضوء 10 واط من التدفق الإشعاعي، فهذا يعني أنه يفقد 10 جول من الطاقة في الثانية. من ناحية أخرى، إذا استقبل كاشف 10 واط من التدفق الإشعاعي، فهذا يعني أنه يكتسب 10 جول من الطاقة في الثانية.
يعتمد التدفق الإشعاعي على طول الموجة أو التردد للموجات الكهرومغناطيسية. ولكل طول موجة طاقة مختلفة ويتفاعل بشكل مختلف مع المادة. على سبيل المثال، الضوء المرئي له طاقة أعلى من الإشعاع تحت الحمراء ويمكن رؤيته بالعين البشرية. الإشعاع فوق البنفسجي له طاقة أعلى حتى من الضوء المرئي ويمكن أن يسبب حروق الشمس والسرطان الجلدي.
يُطلق على التدفق الإشعاعي لكل وحدة طول موجة أو تردد اسم التدفق الطيفي أو القوة الطيفية. يمكن تسميته Φe(λ) للطول الموجي أو Φe(ν) للتردد. يمكن الحصول على التدفق الإشعاعي الإجمالي لمدى من الأطوال الموجية أو الترددات عن طريق دمج التدفق الطيفي:
حيث:
λ هو الطول الموجي بوحدة المتر (m)
ν هو التردد بوحدة هرتز (Hz)
λ1 و λ2 هما الحدود الدنيا والعليا لمدى الطول الموجي
ν1 و ν2 هما الحدود الدنيا والعليا لمدى التردد
كيف يتم قياس التدفق الإشعاعي؟
يمكن قياس التدفق الإشعاعي باستخدام أنواع مختلفة من الأجهزة تسمى الراديومترات. يتكون الراديومتر من كاشف يقوم بتحويل الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى إشارة كهربائية وجهاز عرض يقوم بعرض أو تسجيل الإشارة.
يمكن أن يكون الكاشف مبنيًا على مبادئ مختلفة، مثل الآثار الحرارية (مثل الثرموبيل) أو الآثار الضوئية الكهربية (مثل الفوتودايود) أو الآثار الكمومية (مثل أنبوب الضوء المتعدد). يمكن أن يكون الكاشف أيضًا ذو خصائص مختلفة، مثل الحساسية والاستجابة الخطية والمدى الديناميكي ومستوى الضوضاء والاستجابة الطيفية والاستجابة الزاوية والمعيار.
يمكن أن يكون جهاز العرض آنيًا أو رقميًا ويمكن أن يظهر وحدات قياس مختلفة، مثل الواط أو الفولت أو الأمبير أو العد. يمكن أن يكون جهاز العرض أيضًا ذو ميزات مختلفة، مثل دقة العرض والدقة والثبات ومعدل الاستعيان وخزن البيانات.
بعض الأمثلة على الراديومترات هي:
البيرانومتر: يقيس الإشعاع الشمسي العالمي (التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة من الشمس والسماء) على سطح أفقي
البيرهيليومتر: يقيس الإشعاع الشمسي المباشر (التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة من الشمس فقط) على سطح عمودي على الشمس
البيرجيريومتر: يقيس الإشعاع الطويل (التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة من الإشعاع تحت الحمراء) على سطح أفقي
الراديومتر: يقيس التدفق الإشعاعي من أي مصدر أو اتجاه
الспектروراديومتر: يقيس التدفق الطيفي (التدفق الإشعاعي لكل وحدة طول موجة أو تردد) من أي مصدر أو اتجاه
الفوتومتر: يقيس التدفق الضوئي (التدفق الإشعاعي الموزون حسب حساسية العين البشرية) من أي مصدر أو اتجاه.
كيف يتم حساب التدفق الإشعاعي؟
يمكن حساب التدفق الإشعاعي باستخدام صيغ ونماذج مختلفة اعتمادًا على نوع وهندسة المصدر والوسط والمستقبل. بعض الصيغ والنماذج الشائعة هي:
قانون بلانك: يحسب التدفق الطيفي لجسم أسود (جسم مثالي يمتص وينبعث منه جميع الأطوال الموجية للإشعاع) عند درجة حرارة معينة
قانون ستيفان-بولتزمان: يحسب التدفق الإشعاعي الإجمالي لجسم أسود عند درجة حرارة معينة
قانون لامبرت للجيب: يحسب الشدة الإشعاعية (التدفق الإشعاعي لكل وحدة زاوية صلبة) لمصدر لامبرتي (جسم مثالي ينبعث منه أو يعكس الإشعاع بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات) عند زاوية معينة
قانون التربيع العكسي: يحسب التسخين الإشعاعي (التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة) لمصدر نقطة (جسم مثالي ينبعث منه الإشعاع من نقطة واحدة) عند مسافة معينة
قانون بير-لامبرت: يحسب التقليل (النقص) في التدفق الإشعاعي أثناء مروره عبر وسيط ممتص
معادلات فريسnel: تحسب الانعكاس والانتقال للتدفق الإشعاعي عند مواجهة واجهة بين وسطين ذات مؤشرات انكسار مختلفة
قانون سنيل: يحسب الانكسار (الانحناء) للتدفق الإشعاعي أثناء مروره من وسط إلى آخر ذات مؤشرات انكسار مختلفة
التشتت رايلي: يحسب التشتت (إعادة التوجيه) للتدفق الإشعاعي بواسطة جزيئات أصغر من طول الموجة للإشعاع
التشتت مي: يحسب التشتت للتدفق الإشعاعي بواسطة جزيئات مماثلة أو أكبر من طول الموجة للإشعاع
كيف يرتبط التدفق الإشعاعي بكميات إشعاعية وبصرية أخرى؟
التدفق الإشعاعي هو أحد الكميات الإشعاعية الأساسية التي يمكن استخدامها لاستنتاج كميات إشعاعية وبصرية أخرى. بعض هذه الكميات هي:
الشدة الإشعاعية: التدفق الإشعاعي لكل وحدة زاوية صلبة المنبعث من مصدر نقطة في اتجاه معين. الوحدة الدولية هي الواط لكل ستيراديان (W/sr).
الإشعاع: التدفق الإشعاعي لكل وحدة زاوية صلبة لكل وحدة مساحة منقوشة المنبعثة من سطح أو حجم في اتجاه معين. الوحدة الدولية هي الواط لكل ستيراديان لكل متر مربع (W/sr/m2).
التسخين الإشعاعي أو التعرض الإشعاعي: التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة واقعة على سطح أو داخل حجم. الوحدة الدولية هي الواط لكل متر مربع (W/m2) أو الجول لكل متر مربع (J/m2).
الانبعاث الإشعاعي أو الانبعاث: التدفق الإشعاعي لكل وحدة مساحة المنبعثة من سطح أو داخل حجم. الوحدة الدولية هي الواط لكل متر مربع (W/m2).
الإنارة الإشعاعية: الانبعاث الإشعاعي بالإضافة إلى التسخين الإشعاعي المنعكس من سطح. الوحدة الدولية هي الواط لكل متر مربع (W/m2).
الكميات البصرية مشابهة للكميات الإشعاعية، ولكنها موزونة حسب حساسية العين البشرية للأطوال الموجية المختلفة للضوء. الدالة الوزنية تسمى دالة الكفاءة الضوئية، ولها قيمة قصوى تبلغ 683 لومين/وات عند 555 نانومتر. بعض الكميات البصرية هي:
التدفق الضوئي: التدفق الإشعاعي الموزون بدالة الكفاءة الضوئية. الوحدة الدولية هي اللومين (lm).
الشدة الضوئية: التدفق الضوئي لكل وحدة زاوية صلبة المنبعث من مصدر نقطة في اتجاه معين. الوحدة الدولية هي الكاندلا (cd).
الإضاءة: التدفق الضوئي لكل وحدة زاوية صلبة لكل وحدة مساحة منقوشة المنبعثة من سطح أو حجم في اتجاه معين. الوحدة الدولية هي الكاندلا لكل متر مربع (cd/m2).
الإنارة أو التعرض للإنارة: التدفق الضوئي لكل وحدة مساحة واقعة على سطح أو داخل حجم. الوحدة الدولية هي اللوكس (lx) أو اللومين ثانية لكل متر مربع (lm·s/m2).
الانبعاث الضوئي أو الانبعاث الضوئي: التدفق الضوئي لكل وحدة مساحة المنبعثة من سطح أو داخل حجم. الوحدة الدولية هي اللوكس (lx).
الإنارة: الانبعاث الضوئي بالإضافة إلى الإنارة المنعكسة من سطح. الوحدة الدولية هي اللوكس (lx).
ما هي بعض التطبيقات والأمثلة للتدفق الإشعاعي؟
التدفق الإشعاعي هو كمية مفيدة للعديد من التطبيقات والأمثلة المتعلقة بالإشعاع الكهرومغناطيسي. بعضها هي:
الإنارة: يمكن استخدام التدفق الإشعاعي لقياس ومقارنة الإخراج والكفاءة لمصادر الضوء المختلفة، مثل المصباح المتوهج والفلوريسنت والـ LED أو الليزر. كما يمكن استخدامه لتصميم وتحسين أنظمة الإنارة لأغراض مختلفة، مثل الإنارة الداخلية والخارجية أو المسرحية.
طاقة الشمس: يمكن استخدام التدفق الإشعاعي لقياس وتقدير كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض أو لوح شمسي. كما يمكن استخدامه لحساب الطاقة والقدرة الناتجة عن الخلايا الشمسية وأنظمة الطاقة الشمسية.
الاستشعار عن بعد: يمكن استخدام التدفق الإشعاعي لقياس وتحليل خصائص وسمات الأجسام والظواهر من مسافة بعيدة، مثل در
