本頁使用了標題或全文手工轉換
本頁使用了標題或全文手工轉換

輻射能

維基百科,自由的百科全書
跳至導覽 跳至搜尋
Solar energy.jpg

輻射能是指電磁輻射所具有的能量[1]。它的大小可以通過計算輻射通量關於時間的積分得到。和所有形式的能量一樣,輻射能的SI制單位是焦耳。這個術語常被用於描述電磁輻射被發射到環境中的情況,而這種輻射未必是肉眼可見的。[2][3]

術語的使用和歷史[編輯]

輻射能這個詞語常常被用於輻射度量學太陽能等領域,不過有時也會在其他方面(比如遠程通信)用到。「輻射能」這個詞本身有時被用來指代電磁波,而不是它的一種屬性。在過去,也曾使用「電輻射能」這個詞。[4]

分析[編輯]

由於電磁輻射可被認為是光子組成的粒子流,所以這些光子所攜帶的能量就可以視為對應電磁輻射的輻射能。單個光子的能量用以下方程表達[5]

其中,是一個光子具有的能量,普朗克常量是該光子的頻率。

另一方面,也可認為電磁輻射是一種通過電場磁場振盪而攜帶能量的。波動模型中電磁波的能量,一半以電場形式表現,一半以磁場形式表現,這可以用以下方程表達[6]

其中,是某處電磁場的能量密度(單位體積具有的能量),是該處電場強度大小,是該處磁感應強度大小,真空介電常數真空磁導率

量子場論這兩種模型是相互協調的。(參見波粒二象性

在電磁波的粒子模型中,光子攜帶的能量和它對應的電磁波的頻率成正比。而在電磁波的波動模型中,電磁波攜帶的能量與它的強度成正比。也就是說,如果有兩束光強相同的電磁波,頻率高者較頻率低者擁有更少的光子,而每個光子擁有更多的能量。

當一個物體吸收了電磁輻射之後,輻射的能量便被轉化為或通過光電效應而轉化為電能。關於電磁輻射的能量轉化為熱量的一個熟悉的例子是照射太陽光後,物體變得更溫暖。通常,在紅外線波段,電磁輻射的熱效應較為明顯[7],而事實上每個頻率的電磁波都能產生熱效應。

開放系統[編輯]

輻射是一種能量進入或離開一個開放系統的機制[8][9][10]。這樣一個系統可以是人造的,比如太陽能收集器;或者是天然的,比如地球的大氣層。在地球物理學中,大氣層中大多數氣體,包括溫室氣體,都允許太陽的短波輻射穿過大氣達到地面。被吸收的太陽輻射一部分被以長波輻射(主要是紅外線)的形式重新進入太空,另一部分被溫室氣體吸收。輻射能在太陽內部通過核聚變產生。[11]

應用[編輯]

電熱絲通過釋放輻射能來加熱周邊物體

輻射能的一個重要應用是加熱。[12] 電流通過電熱絲使之放出輻射能、吸收太陽輻射都是利用輻射能的例子。熱能從一個溫度較高的物體以輻射能的形式釋放,被人和物體吸收,以直接加熱物體而不是加熱整個空間中的空氣。因此在冬季以這種方式保持室溫的建築中的空氣的溫度比用一般方式的建築要低,但室內的人仍然能感覺舒適。

許多輻射能的應用包括一個輻射源和一個描繪輻射信號的輻射探測器。輻射探測器會對不正常的輻射信號(意外增強或減弱)作出反應。

特斯拉發明的電話是最早的無線電話之一,它是基於電磁輻射能攜帶能量而設計的。這台設備中包含了同一頻率的發射設備和接受設備,使得兩者之間能互相通信。[13]

參見[編輯]

國際單位制的輻射量單位
物理量 符號 國際單位制 單位符號 注釋
輻射出射度(Radiant exitance) Me 瓦特每平方米 W·m−2 表面出射的輻射通量
輻射度(Radiosity) Je or J 瓦特每平方米 W⋅m−2 表面出射及反射的輻射通量總和
輻射率(Radiance) Le 瓦特球面度每平方米 W·sr−1·m−2 每單位立體角每單位投射表面的輻射通量
輻射能(Radiant energy) Qe 焦耳 J 能量
輻射能量密度英語Radiant energy density(Radiant energy density) ωe 焦耳每立方米 J⋅m−3
輻射強度(Radiant intensity) Ie 瓦特球面度 W·sr−1 每單位立體角的輻射通量。
輻射曝光量(Radiant exposure) He 焦耳每平方米 J⋅m−2
輻射通量(Radiant flux) Φe 瓦特 W 每單位時間的輻射能量,亦作「輻射功率」。
輻照度(Irradiance) Ee 瓦特每平方米 W·m−2 入射表面的輻射通量。
光譜輻射出射度(Spectral radiant emittance) M

M
瓦特每立方米

瓦特每平方米每赫茲

W⋅m−3
or
W⋅m−2⋅Hz−1
表面出射的輻射通量的波長或頻率的分布
光譜輻射率(Spectral radiance) L

L

瓦特球面度每立方米

瓦特球面度每平方米每赫茲

W⋅sr−1m−3

W⋅sr−1⋅m−2Hz−1
常用W⋅sr−1⋅m−2⋅nm−1
光譜輻照度(Spectral irradiance) Eλ

Eν
瓦特每立方米
瓦特每平方米每赫茲
W·m−3

W·m−2·Hz−1
通常測量單位為 W·m−2·nm−1
光譜功率(Spectral power) Φ 瓦特每米 W⋅m−1 輻射通量的波長分布
光譜強度英語Radiant intensity(Spectral intensity) I 瓦特球面度每米 W⋅sr−1⋅m−1 輻射強度的波長分布

參考資料[編輯]

  1. ^ "Radiant energy 頁面存檔備份,存於網際網路檔案館". Federal standard 1037C
  2. ^ George Frederick Barker, Physics: Advanced Course, page 367
  3. ^ Hardis, Jonathan E., "Visibility of Radiant Energy 頁面存檔備份,存於網際網路檔案館". PDF.
  4. ^ Examples: US 1005338 "Transmitting apparatus", US 1018555 "Signaling by electroradiant energy", and US 1597901 "Radio apparatus".
  5. ^ 張大同. 创新班和理科班用. 物理. 高中. 下册. 上海: 上海教育出版社. 2012年8月: P270. ISBN 978-7-5444-4044-8 (中文). 光子的能量跟它的頻率成正比 
  6. ^ Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamental of Physics 7th. USA: John Wiley and Sons, Inc. 2005: pp. 897–899. ISBN 0-471-23231-9. 
  7. ^ Michael Agnes. Webster's New World College Dictionary (Fourth Edition). Macmillan. : P733. ISBN 0-02-863118-8 (英語). Infrared … and have a penetrating heating effect. 
  8. ^ 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.
  9. ^ Robert W. Christopherson, Elemental Geosystems, Fourth Edition. Prentice Hall, 2003. Pages 608. ISBN 0-13-101553-2
  10. ^ James Grier Miller and Jessie L. Miller, The Earth as a System.
  11. ^ Energy transformation 頁面存檔備份,存於網際網路檔案館. assets.cambridge.org. (excerpt)
  12. ^ US 1317883 "Method of generating radiant energy and projecting same through free air for producing heat"
  13. ^ 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.