พลังงานรังสี: คู่มือที่ครอบคลุม

พลังงานรังสีเป็นคำที่ใช้บรรยายปริมาณของพลังงานรังสีที่ถูกปล่อยออกมา สะท้อน ส่งผ่าน หรือรับโดยวัตถุในหน่วยเวลาหนึ่ง พลังงานรังสีคือพลังงานที่ถูกนำพาโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสง คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด ยูวี และรังสีเอกซ์ พลังงานรังสียังเรียกว่ากำลังรังสีหรือกำลังแสง (ในกรณีของแสง)

พลังงานรังสีเป็นแนวคิดสำคัญในเรดิโอมิเตอรี ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ในการวัดและวิเคราะห์การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานรังสีสามารถใช้เพื่อแสดงสมรรถนะของแหล่งกำเนิดแสง เครื่องตรวจจับ ส่วนประกอบแสง และระบบต่างๆ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการคำนวณปริมาณเรดิโอมิเตอรีอื่น ๆ เช่น ความเข้มรังสี ความสว่างรังสี การแผ่รังสี กำลังรังสีออก และความสว่างรังสี

ในบทความนี้ เราจะอธิบายว่าพลังงานรังสีคืออะไร วัดและคำนวณอย่างไร มีความเกี่ยวข้องกับปริมาณเรดิโอมิเตอรีและโฟโตเมทริกอย่างไร และมีการประยุกต์ใช้งานและตัวอย่างใดบ้าง

พลังงานรังสีคืออะไร?

พลังงานรังสีถูกกำหนดว่าเป็นอัตราของการเปลี่ยนแปลงพลังงานรังสีเทียบกับเวลา ทางคณิตศาสตร์สามารถแสดงได้ว่า:

โดยที่:

• Φe คือ พลังงานรังสีในหน่วยวัตต์ (W)

• Qe คือ พลังงานรังสีในหน่วยจูล (J)

• t คือ เวลาในหน่วยวินาที (s)

พลังงานรังสีคือปริมาณรวมของพลังงานที่ถูกถ่ายโอนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าข้ามพื้นผิวหรือภายในปริมาตร มันสามารถถูกปล่อยออกจากแหล่งกำเนิด (เช่น หลอดไฟ) สะท้อนจากพื้นผิว (เช่น กระจก) ส่งผ่านผ่านสื่อ (เช่น อากาศหรือแก้ว) หรือถูกดูดซับโดยวัตถุ (เช่น แผงโซลาร์เซลล์)

พลังงานรังสีอาจเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับทิศทางของการถ่ายโอนพลังงาน ตัวอย่างเช่น ถ้าแหล่งกำเนิดแสงปล่อยพลังงานรังสี 10 W หมายความว่ามันสูญเสียพลังงาน 10 J ต่อวินาที ในทางกลับกัน ถ้าเครื่องตรวจจับรับพลังงานรังสี 10 W หมายความว่ามันได้รับพลังงาน 10 J ต่อวินาที

พลังงานรังสีขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นหรือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่นต่าง ๆ มีพลังงานและความสามารถในการปฏิสัมพันธ์กับสารต่าง ๆ แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น แสงที่เห็นได้มีพลังงานสูงกว่ารังสีอินฟราเรดและสามารถเห็นได้ด้วยตาของมนุษย์ รังสียูวีมีพลังงานสูงกว่าแสงที่เห็นได้และสามารถทำให้เกิดการไหม้แดดและมะเร็งผิวหนัง

พลังงานรังสีต่อหน่วยความยาวคลื่นหรือความถี่เรียกว่าพลังงานรังสีสเปกตรัมหรือกำลังสเปกตรัม สามารถเขียนเป็น Φe(λ) สำหรับความยาวคลื่นหรือ Φe(ν) สำหรับความถี่ ปริมาณรวมของพลังงานรังสีในช่วงความยาวคลื่นหรือความถี่สามารถได้จากการหาปริพันธ์ของพลังงานรังสีสเปกตรัม:

โดยที่:

• λ คือ ความยาวคลื่นในหน่วยเมตร (m)

• ν คือ ความถี่ในหน่วยเฮิรตซ์ (Hz)

• λ1 และ λ2 คือ ขอบล่างและขอบบนของช่วงความยาวคลื่น

• ν1 และ ν2 คือ ขอบล่างและขอบบนของช่วงความถี่

วัดพลังงานรังสีอย่างไร?

พลังงานรังสีสามารถวัดได้โดยใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เรียกว่าเรดิโอมิเตอร์ เรดิโอมิเตอร์ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับที่แปลงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัญญาณไฟฟ้าและอุปกรณ์แสดงผลที่แสดงหรือบันทึกสัญญาณ

เครื่องตรวจจับอาจทำงานตามหลักการต่าง ๆ เช่น ผลกระทบทางความร้อน (เช่น เทอร์โมไพล์) ผลกระทบทางโฟโตอิเล็กทริก (เช่น โฟโตไดโอด) หรือผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับควอนตัม (เช่น โฟโตมัลติเพียร์ทิวบ์) เครื่องตรวจจับอาจมีคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น ความไว ความตอบสนอง การเชิงเส้น ช่วงพลังงาน ระดับเสียงรบกวน การตอบสนองสเปกตรัม การตอบสนองมุม และการสอบเทียบ

อุปกรณ์แสดงผลอาจเป็นแบบอนาล็อกหรือดิจิทัลและสามารถแสดงหน่วยการวัดต่าง ๆ เช่น วัตต์ โวลต์ แอมแปร์ หรือนับจำนวน อุปกรณ์แสดงผลอาจมีคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น ความละเอียดการแสดงผล ความแม่นยำ ความถูกต้อง ความเสถียร ความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง และการจัดเก็บข้อมูล

ตัวอย่างบางอย่างของเรดิโอมิเตอร์คือ:

• ไพแรนโนมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีทั่วโลก (พลังงานรังสีต่อพื้นที่จากดวงอาทิตย์และท้องฟ้า) บนพื้นผิวแนวนอน

• ไพร์เฮลิโอมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีโดยตรง (พลังงานรังสีต่อพื้นที่จากดวงอาทิตย์เท่านั้น) บนพื้นผิวที่ตั้งฉากกับดวงอาทิตย์

• ไพร์เจโอมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีอินฟราเรด (พลังงานรังสีต่อพื้นที่จากรังสีอินฟราเรด) บนพื้นผิวแนวนอน

• เรดิโอมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีจากแหล่งกำเนิดหรือทิศทางใด ๆ

• สเปกโตรเรดิโอมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีสเปกตรัม (พลังงานรังสีต่อความยาวคลื่นหรือความถี่) จากแหล่งกำเนิดหรือทิศทางใด ๆ

• โฟโตมิเตอร์: วัดพลังงานรังสีที่ถูกถ่วงน้ำหนักโดยความไวของตาของมนุษย์ จากแหล่งกำเนิดหรือทิศทางใด ๆ

คำนวณพลังงานรังสีอย่างไร?

พลังงานรังสีสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรและแบบจำลองต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับประเภทและรูปทรงของแหล่งกำเนิด สื่อ และตัวรับ บางสูตรและแบบจำลองที่พบบ่อยคือ:

• กฎของพลังค์: คำนวณพลังงานรังสีสเปกตรัมของวัตถุดำ (วัตถุที่ดูดซับและปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกความยาวคลื่น) ที่อุณหภูมิหนึ่ง

• กฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์: คำนวณพลังงานรังสีรวมของวัตถุดำที่อุณหภูมิหนึ่ง

• กฎของแลมเบิร์ต: คำนวณความเข้มรังสี (พลังงานรังสีต่อหน่วยมุมทั้งหมด) ของแหล่งกำเนิดแลมเบิร์ต (วัตถุที่ปล่อยหรือสะท้อนรังสีอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทาง) ที่มุมหนึ่ง

• กฎของกำลังสองผกผัน: คำนวณการแผ่รังสี (พลังงานรังสีต่อพื้นที่) ของแหล่งกำเนิดจุด (วัตถุที่ปล่อยรังสีจากจุดเดียว) ที่ระยะทางหนึ่ง

• กฎของบีเออร์-แลมเบิร์ต: คำนวณการลดลงของพลังงานรังสีเมื่อมันผ่านสื่อที่ดูดซับ

• สมการเฟรสเนล: คำนวณการสะท้อนและการส่งผ่านของพลังงานรังสีเมื่อมันพบกับสื่อที่มีดัชนีหักเหต่างกัน

• กฎของสเนล: คำนวณการหักเห (การโค้ง) ของพลังงานรังสีเมื่อมันผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งที่มีดัชนีหักเหต่างกัน

• การกระจายเรลเลย์: คำนวณการกระจาย (การเปลี่ยนทิศทาง) ของพลังงานรังสีโดยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของรังสี

• การกระจายมี: คำนวณการกระจายของพลังงานรังสีโดยอนุภาคที่มีขนาดเท่ากับหรือใหญ่กว่าความยาวคลื่นของรังสี

พลังงานรังสีมีความสัมพันธ์กับปริมาณเรดิโอมิเตอริกและโฟโตเมทริกอย่างไร?

พลังงานรังสีเป็นปริมาณเรดิโอมิเตอริกพื้นฐานที่สามารถใช้ในการสร้างปริมาณเรดิโอมิเตอริกและโฟโตเมทริกอื่น ๆ บางปริมาณคือ:

• ความเข้มรังสี: พลังงานรังสีต่อหน่วยมุมทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจุดในทิศทางหนึ่ง หน่วยเอสไอคือวัตต์ต่อสเตอร์เรเดียน (W/sr)

• ความสว่างรังสี: พลังงานรังสีต่อหน่วยมุมทั้งหมดต่อพื้นที่โปรเจคที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวหรือปริมาตรในทิศทางหนึ่ง หน่วยเอสไอคือวัตต์ต่อสเตอร์เรเดียนต่อตารางเมตร (W/sr/m2)

• การแผ่รังสีหรือการรับรังสี: พลังงานรังสีต่อพื้นที่ที่ตกกระทบบนพื้นผิวหรือภายในปริมาตร หน่วยเอสไอคือวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2) หรือจูลต่อตารางเมตร (J/m2)

• กำลังรังสีออกหรือกำลังรังสี: พลังงานรังสีต่อพื้นที่ที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวหรือภายในปริมาตร หน่วยเอสไอคือวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)

• ความสว่างรังสี: กำลังรังสีออกบวกการแผ่รังสีที่สะท้อนกลับจากพื้นผิว หน่วยเอสไอคือวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)

ปริมาณโฟโตเมทริกคล้ายกับปริมาณเรดิโอมิเตอริก แต่ถูกถ่วงน้ำหนักโดยความไวของตาของมนุษย์ต่อความยาวคลื่นของแสง ฟังก์ชันการถ่วงน้ำหนักเรียกว่าฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่าง และมีค่าสูงสุด 683 lm/W ที่ 555 nm บางปริมาณโฟโตเมทริกคือ:

• พลังงานส่องสว่าง: พลังงานรังสีที่ถูกถ่วงน้ำหนักโดยฟังก์ชันประสิทธิภาพการส่องสว่าง หน่วยเอสไอคือลูเมน (lm)

• ความเข้มส่องสว่าง: พลังงานส่องสว่างต่อหน่วยมุมทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจุดในทิศทางหนึ่ง หน่วยเอสไอคือแคนเดลา (cd)

• ความสว่างส่องสว่าง: พลังงานส่องสว่างต่อหน่วยมุมทั้งหมดต่อพื้นที่โปรเจคที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวหรือปริมาตรในทิศทางหนึ่ง หน่วยเอสไอคือแคนเดลาต่อตารางเมตร (cd/m2)

• ความสว่าง