Strålglans

Inom radiometri är radians det strålningsflöde som sänds ut, reflekteras , sänds eller tas emot av en given yta, per enhet rymdvinkel per enhet projicerad area. Radians används för att karakterisera diffus emission och reflektion av elektromagnetisk strålning och för att kvantifiera emission av neutriner och andra partiklar. SI -enheten för radians är watt per steradian per kvadratmeter ( W·sr ⁻¹ ·m ⁻² ). Det är en riktningsstorhet : strålningen av en yta beror på från vilken riktning den observeras.

Den relaterade kvantiteten spektral radians är radiansen för en yta per enhet frekvens eller våglängd , beroende på om spektrumet tas som en funktion av frekvens eller våglängd.

Historiskt kallades strålning "intensitet" och spektral strålning kallades "specifik intensitet". Många fält använder fortfarande denna nomenklatur. Det är särskilt dominerande inom värmeöverföring , astrofysik och astronomi . "Intensitet" har många andra betydelser inom fysiken , där den vanligaste är kraft per ytenhet .

Beskrivning

Jämförelse av fotometriska och radiometriska storheter

Radians är användbar eftersom den indikerar hur mycket av den effekt som emitteras, reflekteras, sänds eller tas emot av en yta som kommer att tas emot av ett optiskt system som tittar på den ytan från en specificerad synvinkel. I detta fall är rymdvinkeln av intresse den rymdvinkel som täcks av det optiska systemets ingångspupill . Eftersom ögat är ett optiskt system är utstrålning och dess kusinluminans bra indikatorer på hur ljust ett objekt kommer att se ut. Av denna anledning kallas utstrålning och luminans båda ibland "ljusstyrka". Denna användning avråds nu (se artikeln Ljusstyrka för en diskussion). Den icke-standardiserade användningen av "ljusstyrka" för "strålning" kvarstår inom vissa områden, särskilt laserfysik .

Radiansen dividerad med brytningsindexet i kvadrat är invariant i geometrisk optik . Detta betyder att för ett idealiskt optiskt system i luft är radiansen vid utgången densamma som den ingående radiansen. Detta kallas ibland bevarande av strålning . För verkliga, passiva, optiska system är utstrålningen högst lika med ingången, såvida inte brytningsindexet ändras. Som ett exempel, om du bildar en förminskad bild med en lins, koncentreras den optiska kraften till ett mindre område, så irradiansen är högre i bilden. Ljuset vid bildplanet fyller dock en större rymdvinkel så utstrålningen blir densamma förutsatt att det inte finns någon förlust vid linsen.

Spektral strålning uttrycker strålning som en funktion av frekvens eller våglängd. Radians är integralen av den spektrala radiansen över alla frekvenser eller våglängder. För utstrålning som sänds ut av ytan av en idealisk svart kropp vid en given temperatur, styrs spektralstrålning av Plancks lag , medan integralen av dess utstrålning, över halvklotet som dess yta strålar in i, ges av Stefan-Boltzmann-lagen . Dess yta är Lambertian , så att dess utstrålning är enhetlig med avseende på synvinkel, och är helt enkelt Stefan–Boltzmann-integralen dividerad med π. Denna faktor erhålls från rymdvinkeln 2π steradianer av en halvklot minskade genom integration över cosinus för zenitvinkeln .

Matematiska definitioner

Strålglans

Radians av en yta , betecknad L _e,Ω ("e" för "energisk", för att undvika förväxling med fotometriska storheter, och "Ω" för att indikera att detta är en riktad storhet), definieras som

L_{\mathrm {e} ,\Omega }={\frac {\partial ^{2}\Phi _{\mathrm {e } }}{\partial \Omega \,\partial A\cos \theta }},

var

∂ är den partiella derivatans symbol;
Φ _e är det strålningsflöde som emitteras, reflekteras, sänds eller tas emot;
Ω är rymdvinkeln ;
A cos θ är den projicerade arean.

I allmänhet är L _e,Ω en funktion av betraktningsriktningen, beroende på θ till cos θ och azimutvinkel genom ∂Φ _e /∂Ω . För det speciella fallet med en lambertisk yta är ∂ ² Φ _e /(∂Ω ∂ A ) proportionell mot cos θ , och L e _,Ω är isotropisk (oberoende av betraktningsriktning).

När man beräknar strålningen som sänds ut av en källa, hänvisar A till ett område på källans yta och Ω till den rymdvinkel i vilken ljuset sänds ut. Vid beräkning av strålning som tas emot av en detektor, A till ett område på detektorns yta och Ω till den rymda vinkeln som täcks av källan sett från den detektorn. När strålningen bevaras, som diskuterats ovan, är strålningen som sänds ut av en källa densamma som den som tas emot av en detektor som observerar den.

Spektral utstrålning

Spektral radians i frekvensen av en yta , betecknad L _e,Ω,ν , definieras som

L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\nu }={\frac {\partial L_{\mathrm {e} ,\Omega } }{\partial \nu }},

där ν är frekvensen.

Spektral strålning i våglängden på en yta , betecknad L _e,Ω,λ , definieras som

L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\lambda }={\frac {\partial L_{\mathrm {e} ,\Omega } }{\partial \lambda }},

där λ är våglängden.

Bevarande av grundläggande utstrålning

Radians av en yta är relaterad till étendue by

L_{\mathrm {e} ,\Omega }=n^{2}{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {e} }} {\partial G}},

var

n är brytningsindexet i vilket den ytan är nedsänkt;
G är ljusstrålens etendue.

När ljuset färdas genom ett idealiskt optiskt system, bevaras både etendue och strålningsflödet. Därför grundläggande utstrålning definieras av

L_{\mathrm {e} ,\Omega }^{*}={\frac {L_{\mathrm {e} ,\Omega }}{n^ {2}}}

är också bevarad. I verkliga system kan etendue öka (till exempel på grund av spridning) eller strålningsflödet kan minska (till exempel på grund av absorption) och därför kan grundläggande strålning minska. Emellertid kanske etendue inte minskar och strålningsflödet kanske inte ökar och därför kanske den grundläggande utstrålningen inte ökar.

SI-radiometrienheter

SI-radiometrienheter
Kvantitet		Enhet		Dimensionera	Anteckningar
namn	Symbol	namn	Symbol	Symbol	Anteckningar
Strålande energi	Q _e	joule	J	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Energi av elektromagnetisk strålning.
Strålande energitäthet	w _e	joule per kubikmeter	J/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²	Strålningsenergi per volymenhet.
Strålande flöde	Φ _e	watt	W = J/s	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Strålningsenergi som sänds ut, reflekteras, sänds eller tas emot, per tidsenhet. Detta kallas ibland också "strålningskraft", och kallas ljusstyrka inom astronomi.
Spektralt flöde	Φ _{e, ν}	watt per hertz	W/ Hz	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Strålningsflöde per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i W⋅nm ⁻¹ .
Spektralt flöde	Φ _{e, λ}	watt per meter	W/m	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Strålande intensitet	Jag _e,Ω	watt per steradian	Med sr	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Strålningsflöde som sänds ut, reflekteras, sänds eller tas emot, per enhet rymdvinkel. Detta är en riktad storhet.
Spektral intensitet	Jag _{e,Ω, ν}	watt per steradian per hertz	W⋅sr ⁻¹ ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Strålningsintensitet per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i W⋅sr ⁻¹ ⋅nm ⁻¹ . Detta är en riktad storhet.
Spektral intensitet	Jag _{e,Ω, λ}	watt per steradian per meter	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻¹	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Strålglans	L _e,Ω	watt per steradian per kvadratmeter	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻²	M ⋅ T ⁻³	Strålningsflöde som sänds ut, reflekteras, sänds eller tas emot av en yta , per enhet rymdvinkel per enhet projicerad area. Detta är en riktad storhet. Detta kallas ibland också förvirrande "intensitet".
Spektral strålning Specifik intensitet	L _{e,Ω, ν}	watt per steradian per kvadratmeter per hertz	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Radians av en yta per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Detta är en riktad storhet. Detta kallas ibland också förvirrande "spektral intensitet".
Spektral strålning Specifik intensitet	L _{e,Ω, λ}	watt per steradian per kvadratmeter, per meter	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Bestrålningsflödestäthet _	E _e	watt per kvadratmeter	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Strålningsflöde mottaget av en yta per ytenhet. Detta kallas ibland också förvirrande "intensitet".
Spektral bestrålning Spektral flödestäthet	E _{e, ν}	watt per kvadratmeter per hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Bestrålning av en yta per enhet frekvens eller våglängd. Detta kallas ibland också förvirrande "spektral intensitet". Icke-SI-enheter av spektral flödestäthet inkluderar jansky (1 Jy = 10 ⁻²⁶ W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ ) och solfluxenhet (1 sfu = 10 ⁻²² W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ = 10 ⁴ Jy).
Spektral bestrålning Spektral flödestäthet	E _{e, X}	watt per kvadratmeter, per meter	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Radiositet	J _e	watt per kvadratmeter	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Strålningsflöde som lämnar (emitteras, reflekteras och överförs av) en yta per ytenhet. Detta kallas ibland också förvirrande "intensitet".
Spektral radiositet	J _{e, v}	watt per kvadratmeter per hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	ytas radiositet per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Detta kallas ibland också förvirrande "spektral intensitet".
Spektral radiositet	J _{e, X}	watt per kvadratmeter, per meter	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Strålande utgång	M _e	watt per kvadratmeter	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Strålningsflöde som avges av en yta per ytenhet. Detta är den utsända komponenten av radiositet. "Radiant emittance" är en gammal term för denna mängd. Detta kallas ibland också förvirrande "intensitet".
Spektral exitans	M _{e, ν}	watt per kvadratmeter per hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Strålande exitans av en yta per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . "Spektral emittans" är en gammal term för denna kvantitet. Detta kallas ibland också förvirrande "spektral intensitet".
Spektral exitans	M _{e, X}	watt per kvadratmeter, per meter	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Strålningsexponering	H _e	joule per kvadratmeter	J/m ²	M ⋅ T ⁻²	Strålningsenergi som tas emot av en yta per ytenhet, eller ekvivalent bestrålning av en yta integrerad över tiden för bestrålning. Detta kallas ibland även "strålande fluens".
Spektral exponering	H _{e, ν}	joule per kvadratmeter per hertz	J⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻¹	Strålningsexponering av en yta per enhet frekvens eller våglängd. Det senare mäts vanligtvis i J⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Detta kallas ibland också för "spektral fluens".
Spektral exponering	H _{e, X}	joule per kvadratmeter, per meter	J/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²
Se även: SI · Radiometri · Fotometri

Se även

externa länkar

Workshop för internationell belysning i kontrollerade miljöer