辐射能

辐射能（英語：radiant energy）是通过辐射度量学方法，测量电磁辐射和引力辐射所得的能量[1]；其大小可以通过计算辐射通量关于时间的积分得到。和所有形式的能量一样，辐射能的SI制单位是焦耳。这个术语常被用于描述电磁辐射被发射到环境中的情况，而这种辐射未必是肉眼可见的。[2][3]

术语的使用和历史

辐射能这个词语常常被用于辐射度量学、太阳能、光和热等领域，不过有时也会在其他方面（比如远程通信）用到。“辐射能”这个词本身有时被用来指代电磁波，而不是它的一种属性。在过去，也曾使用“电辐射能”这个词。[4]

分析

由于电磁辐射可被认为是光子组成的粒子流，所以这些光子所携带的能量就可以视为对应电磁辐射的辐射能。单个光子的能量用以下方程表达[5]：

其中，是一个光子具有的能量，是普朗克常量，是该光子的频率。

另一方面，也可认为电磁辐射是一种通过电场和磁场振荡而携带能量的波。波动模型中电磁波的能量，一半以电场形式表现，一半以磁场形式表现，这可以用以下方程表达[6]：

；

其中，是某处电磁场的能量密度（单位体积具有的能量），是该处电场强度大小，是该处磁感应强度大小，是真空介电常数，是真空磁导率。

在量子场论这两种模型是相互协调的。（参见波粒二象性）

在电磁波的粒子模型中，光子携带的能量和它对应的电磁波的频率成正比。而在电磁波的波动模型中，电磁波携带的能量与它的强度成正比。也就是说，如果有两束光强相同的电磁波，频率高者较频率低者拥有更少的光子，而每个光子拥有更多的能量。

当一个物体吸收了电磁辐射之后，辐射的能量便被转化为热或通过光电效应而转化为电能。关于电磁辐射的能量转化为热量的一个熟悉的例子是照射太阳光后，物体变得更温暖。通常，在红外线波段，电磁辐射的热效应较为明显[7]，而事实上每个频率的电磁波都能产生热效应。

开放系统

主条目：开放系统 (热力学)

辐射是一种能量进入或离开一个开放系统的机制[8][9][10]。这样一个系统可以是人造的，比如太阳能收集器；或者是天然的，比如地球的大气层。在地球物理学中，大气层中大多数气体，包括温室气体，都允许太阳的短波辐射穿过大气达到地面。被吸收的太阳辐射一部分被以长波辐射（主要是红外线）的形式重新进入太空，另一部分被温室气体吸收。辐射能在太阳内部通过核聚变产生。[11]

应用

电热丝通过释放辐射能来加热周边物体

辐射能的一个重要应用是加热。[12] 电流通过电热丝使之放出辐射能、吸收太阳辐射都是利用辐射能的例子。热能从一个温度较高的物体以辐射能的形式释放，被人和物体吸收，以直接加热物体而不是加热整个空间中的空气。因此在冬季以这种方式保持室温的建筑中的空气的温度比用一般方式的建筑要低，但室内的人仍然能感觉舒适。

许多辐射能的应用包括一个辐射源和一个描绘辐射信号的辐射探测器。辐射探测器会对不正常的辐射信号（意外增强或减弱）作出反应。

由特斯拉发明的电话是最早的无线电话之一，它是基于电磁辐射能携带能量而设计的。这台设备中包含了同一频率的发射设备和接受设备，使得两者之间能互相通信。[13]

参见

SI 輻射度量學單位
物理量 單位 量綱 備註
名稱 符號[nb 1] 名稱 符號
辐射能（Radiant energy） Qe[nb 2] 焦耳 J M⋅L2⋅T−2 電磁輻射的能量。
輻射能密度（Radiant energy density） we 焦耳每立方公尺 J/m3 M⋅L−1⋅T−2 單位體積的輻射能。
輻射通量（Radiant flux） Φe 瓦特 W = J/s M⋅L2⋅T−3 單位時間內發射、反射、傳輸或接收的輻射能。有時也稱為「輻射功率」，在天文學中稱為「光度」。
光譜通量 （Spectral flux） Φe,ν[nb 3] 瓦特每赫茲 W/Hz M⋅L2⋅T −2 單位頻率或波長的輻射通量。後者通常以 W⋅nm−1 為單位進行測量。
Φe,λ[nb 4] 瓦特每公尺 W/m M⋅L⋅T−3
輻射強度 （Radiant intensity） Ie,Ω[nb 5] 瓦特每球面度 W/sr M⋅L2⋅T−3 單位立體角內發射、反射、傳輸或接收的輻射通量。這是一個方向性物理量。
光譜強度 （Spectral intensity） Ie,Ω,ν 瓦特每球面度每赫茲 W⋅sr−1⋅Hz−1 M⋅L2⋅T−2 單位頻率或波長的輻射強度。這是一個方向性物理量。
Ie,Ω,λ 瓦特每球面度每公尺 W⋅sr−1⋅m−1 M⋅L⋅T−3
輻射率 （Radiance） Le,Ω 瓦特每球面度每平方公尺 W⋅sr−1⋅m−2 M⋅T−3 表面在單位立體角、單位投影面積內發射、反射、傳輸或接收的輻射通量。這是方向性物理量，有時易與「強度（intensity）」混淆。
光譜輻射率
（Spectral radiance 或
Specific intensity） 		Le,Ω,ν 瓦特每球面度每平方公尺每赫茲 W⋅sr−1⋅m−2⋅Hz−1 M⋅T−2 表面的單位頻率或波長的輻射率。這是一個方向性物理量，有時也稱為「光譜強度」或「比強度」。
Le,Ω,λ 瓦特每球面度每平方公尺每公尺 W⋅sr−1⋅m−3 M⋅L−1⋅T−3
輻照度 （Irradiance）
通量密度 		Ee 瓦特每平方公尺 W/m2 M⋅T−3 表面單位面積所接收的輻射通量。有時也易與「強度」混淆。
光譜輻照度 （Spectral irradiance）
光譜通量密度（Spectral flux density） 		Ee,ν 瓦特每平方公尺每赫茲 W⋅m−2⋅Hz−1 M⋅T−2 表面單位頻率或波長的輻射照度。非SI 單位包括揚斯基 (Jy)(1 Jy = 10−26 W⋅m−2⋅Hz−1) 與Solar flux unit(1 sfu = 10−22 W⋅m−2⋅Hz−1 = 104 Jy).。
Ee,λ 瓦特每平方公尺每公尺 W/m3 M⋅L−1⋅T−3
輻射度 （Radiosity） Je 瓦特每平方公尺 W/m2 M⋅T−3 單位面積離開表面（發射、反射與傳輸）的輻射通量。有時也易與「強度」混淆。
光譜輻射出射度（Spectral radiosity） Je,ν 瓦特每平方公尺每赫茲 W⋅m−2⋅Hz−1 M⋅T−2 表面單位頻率或波長的輻射出射度。
Je,λ 瓦特每平方公尺每公尺 W/m3 M⋅L−1⋅T−3
輻射出射度（Radiant exitance） Me 瓦特每平方公尺 W/m2 M⋅T−3 單位面積由表面發射出的輻射通量。這是輻射出射度的發射部分。
光譜出射度（Spectral exitance） Me,ν 瓦特每平方公尺每赫茲 W⋅m−2⋅Hz−1 M⋅T−2 表面單位頻率或波長的輻射發散度。
Me,λ 瓦特每平方公尺每公尺 W/m3 M⋅L−1⋅T−3
輻射曝光量（Radiant exposure） He 焦耳每平方公尺 J/m2 M⋅T−2 表面單位面積接收到的輻射能。有時也稱為「輻射通量能」。
光譜曝光量（Spectral exposure） He,ν 焦耳每平方公尺每赫茲 J⋅m−2⋅Hz−1 M⋅T−1 表面單位頻率或波長的輻射曝露量。
He,λ 焦耳每平方公尺每公尺 J/m3 M⋅L−1⋅T−2
另見：
  1. ^ 標準組織建議輻射度量物理量應加下標「e」（代表能量， energetic），以避免與光度量或光子物理量混淆。
  2. ^ 有時可見的替代符號：辐射能用 W 或 E，輻射通量用 P 或 F，輻照度用 I，輻射出射度用 W。
  3. ^ 以單位頻率給出的光譜量標記有下標「ν」（希臘字母 nu，不要與代表光度量的字母「v」混淆）。
  4. ^ 以單位波長給出的光譜量標記有下標「λ」。
  5. ^ 方向性物理量標記有下標「Ω」。

参考资料

  1. ^ "Radiant energy". Federal standard 1037C（页面存档备份，存于互联网档案馆）". Federal standard 1037C
  2. ^ George Frederick Barker, Physics: Advanced Course, page 367
  3. ^ Hardis, Jonathan E., "Visibility of Radiant Energy （页面存档备份，存于互联网档案馆）". PDF.
  4. ^ Examples: US 1005338  "Transmitting apparatus", US 1018555  "Signaling by electroradiant energy", and US 1597901  "Radio apparatus".
  5. ^ 张大同. 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）. 光子的能量跟它的频率成正比 
  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 （英语）. 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
  11. ^ Energy transformation （页面存档备份，存于互联网档案馆）. 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.
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