พลังงานจากการแผ่รังสี

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

ตัวอย่างของพลังงานที่ถูกแผ่รังสีมาจากแหล่งพลังงานดวงอาทิตย์ซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

คำศัพท์เฉพาะทาง

คำว่า "พลังงานจากการแผ่รังสี" 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

พลังงานแผ่รังสีเป็นหนึ่งในกลไกโดยที่พลังงานสามารถเข้าไปหรือออกมาจากระบบเปิดได้ 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 มาศึกษาใหม่ เขาพบว่า "เมื่อไรก็ตามทีผมได้รับผลกระทบของเครื่องส่ง หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด (ในการตรวจจับการส่งสัญญาณแบบไร้สาย) คือ ป้อนสนามแม่เหล็กให้เกิดกระแสในตัวนำ และเมื่อผมทำอย่างนั้น ความถี่ต่ำให้เสียงออกมา"

หน่วยวัดรังสี

หน่วยเอสไอของการวัดปริมาณการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Radiometry)

ปริมาณ		หน่วย		มิติ	หมายเหตุ
ชื่อ	สัญลักษณ์	ชื่อ	สัญลักษณ์	สัญลักษณ์
พลังงานการแผ่รังสี (Radiant energy)	Qe	จูล (joule)	J	M⋅L^2⋅T^−2	พลังงาน
ฟลักซ์การแผ่รังสี (Radiant flux)	Φe	วัตต์ (watt)	W	M⋅L^2⋅T^−3	พลังงานการแผ่รังสีต่อหน่วยเวลา หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งได้ว่า "กำลังการแผ่รังสี"
กำลังเชิงสเปกตรัม (Spectral power)	Φeλ	วัตต์ต่อเมตร	W⋅m^−1	M⋅L⋅T^−3	พลังงานการแผ่รังสีต่อความยาวคลื่น
ความเข้มการแผ่รังสี (Radiant intensity)	Ie	วัตต์ต่อสเตอเรเดียน	W⋅sr^−1	M⋅L^2⋅T^−3	กำลังต่อหน่วยมุมตัน
ความเข้มเชิงสเปกตรัม (Spectral intensity)	Ieλ	วัตต์ต่อสเตอเรเดียนต่อเมตร	W⋅sr^−1⋅m^−1	M⋅L⋅T^−3	ความเข้มการแผ่รังสีต่อความยาวคลื่น
การแผ่รังสี (Radiance)	Le	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.
การแผ่รังสีเชิงสเปกตรัม (Spectral radiance)	Leλ or Leν	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.
ปริมาณความเข้มแสง (Irradiance)	Ee	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m^−2	M⋅T^−3	power incident on a surface, also called radiant flux density. sometimes confusingly called "intensity" as well.
ปริมาณความเข้มแสงเชิงสเปกตรัม (Spectral irradiance)	Eeλ or Eeν	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.
Radiant exitance / Radiant emittance	Me	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m^−2	M⋅T^−3	power emitted from a surface.
Spectral radiant exitance / Spectral radiant emittance	Meλ or Meν	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	Je หรือ Jeλ	วัตต์ต่อตารางเมตร	W⋅m^−2	M⋅T^−3	emitted plus reflected power leaving a surface.
Radiant exposure	He	จูลต่อตารางเมตร	J⋅m^−2	M⋅T^−2
ความหนาแน่นของพลังงานการแผ่รังสี (Radiant energy density)	ωe	จูลต่อลูกบาศก์เมตร	J⋅m^−3	M⋅L^−1⋅T^−2
ดูเพิ่ม SI · การวัดแสง (Radiometry) · การวัดความสว่าง (Photometry)

1. Standards organizations recommend that radiometric quantities should be denoted with a suffix "e" (for "energetic") to avoid confusion with photometric or photon quantities.
2. Alternative symbols sometimes seen: W or E for radiant energy, P or F for radiant flux, I for irradiance, W for radiant emittance.
3. 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. 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.
5. NOAA / Space Weather Prediction Center includes a definition of the solar flux unit (SFU).

ดูเพิ่ม

• การวัดรังสี
• ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
• เซลล์แสงอาทิตย์

อ้างอิง

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.