輻射通量

輻射通量又稱輻射功率，指單位時間內通過某一截面的輻射能，是以輻射形式發射、傳播或接收的功率，單位為W（瓦），即1W=J/s（焦耳每秒）。它也是輻射能隨時間的變化率Φ=dQ/dt 。目前測量輻射通量的方法一般是由直流電置換輻射通量的等價置換原理進行的。

基本介紹

• 中文名：輻射通量
• 外文名：Radiant flux
• 單位：瓦特（W）
• 學科：輻射度學
• 套用領域：輻射防護
• 別稱：輻射功率

輻射通量簡介

通量

在流體運動中，通量表示單位時間內流經某單位面積的某屬性量，是表示某屬性量輸送強度的物理量。

輻射通量又稱輻射功率，指單位時間內通過某一截面的輻射能，是以輻射形式發射、傳播或接收的功率，單位為W（瓦），即1W=J/s（焦耳每秒）。它也是輻射能隨時間的變化率Φ=dQ/dt 。目前測量輻射通量的方法一般是由直流電置換輻射通量的等價置換原理進行的。

實際上，輻射源所發射的能量往往由很多波長的單色輻射所組成，為了研究各種波長的輻射能量，還須對單一波長的光輻射作相應的規定。前面介紹的幾個重要輻射量，都有與其相對應的光譜輻射量，光譜輻射量又叫輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長的變化率：
Φ(λ)=dΦ/dλ （1）
單位為W/μm（瓦每微米）,或W/nm（瓦每奈米）其中波長為λ的輻射通量與λ值有關。總輻射通量應該是各譜段輻射通量之和或輻射通量的積分值。

（2）

人眼感受到的輻射通量稱為光通量。

輻射通量與波長的關係

輻射通量密度

輻射通量密度指單位時間內，單位面積上所接受的輻射能量。又稱輻照通量密度。符號為E。通常用瓦·米表示。為輻射氣候學和輻射測量學中的一個基本量。在氣象學文獻中又常被稱為輻射強度（radiant intensity），但輻射強度嚴格地說應為輻射源單位立體角上在單位時間內所發射出的輻射通量。兩者有所區別。

通過單位面積的輻射通量，SI單位為瓦/米的平方。等於包含有考慮的位點在內的無限小面積元上照射的輻射通量或輻射功率P除以此面積元的面積。(dP/dS，當在考慮的面積上的輻射功率為常數時，可簡化成：E=P/S)。其SI制單位為w/㎡。對於不被靶物及其環境所散射或反射的垂直入射的平行光束而言，它和積分通量功率相當。

輻射通量密度的峰值

維恩位移定律描述輻射能量峰值波長隨溫度升高向短波長的方向偏移，它表明高溫地物發射波長較短的電磁波，如火山噴溢出的熔岩流發射紅光（波長介於600―700nm）；低溫地物發射波長較長的電磁波；而介於兩者之間的常溫地物，如地物在絕對溫度為290K時，則發射峰值波長為10μm的熱紅外線。因此，維思位移定律將有助於對所要探測的目標，選擇感測器的最佳工作波段。

史蒂芬-波爾茲曼定律指出黑體輻射通量與其絕對溫度四次方成正比，M=σT4。

地物的發射率

上述史蒂芬濟爾茲曼定律、維恩位移定律只適用於黑體輻射。但是在自然界中黑體輻射是不存在的，我們所見到的是一般地物，而一般地物的輻射要比黑體輻射小。如果利用黑體輻射的有關公式，則需增加一個因子，這個因子就是波譜比輻射率ε_λ。所謂地物的波譜比輻射率是指地物單位面積上輻射通量M1與同一溫度下同面積黑體輻射通量M2之比值。即

ε_λ=(M₁ (λ₁T))/(M₂ (λ₂T))； M=εσT^4。

一般地物波譜比輻射率不僅與地面種類、表面狀態、溫度等有關，而且還與波長有關。因此，按波譜比輻射率與波長的不同關係，可以把輻射源分成三類。

①黑體或絕對黑體，其ε_λ=1，ε_λ不隨波長變化。

②灰體，其ε_λ=常數<1，由基爾霍夫輻射定律可知其波譜吸收率α_λ=ε_λ<1為常數。

③選擇性輻射體，其ε_λ隨波長而變化，而且 ε_λ<1，因而波譜吸收率α_λ也隨波長變化，並且α_λ<1。

表示在同一溫度下，每種輻射體發射率的情況。其中黑體的發射率最大（ε=1）。因此，黑體的光譜分布曲線是各種輻射體曲線的包絡線。灰體的發射率是黑體的幾分之一，為一個不變的分數，當灰體的發射率越接近於1時，它就越接近於黑體。選擇性輻射體的發射率隨波長變化，但是不管在那個波長，其發射率值都比黑體發射率小即ε_λ<1。

基爾霍夫定律

在紅外遙感系統設計中，可以把一些紅外輻射體看成灰體（例如人體、噴氣式飛機尾噴管、無動力空間飛行器、地球背景以及空間背景等），也可以在某些波段內把選擇性輻射體看成灰體（如果發射率ε_λ在這些波段內近似不變），這樣就簡化了計算工作。

基爾霍夫在研究輻射傳輸過程中發現：在任一給定的溫度下，地物單位面積上的波譜輻射通量密度和對應波譜吸收率之比，對任何地物都是一個常數，並等於該溫度下黑體對應的波譜輻射通量密度。這就是基爾霍夫定律。它可寫成如下的數學形式：M_λ/α_λ=M_λ(黑體)。

這個定律的含義是，好的吸收體也是好的發射體。

以下簡單地討論地物的吸收率α和發射率ε之間的關係。

根據基爾霍夫定律，在一給定的溫度下，任何地物的發射率，在數值上等於該溫度下的吸收率。對於不透明地物來說，公式可寫成：ε=1-α。

由上述公式可寫成：M=εM_黑=εσT^4

上面公式對於任何地物的紅外發射能量都可以採用。該式表明由於紅外輻射能量與溫度四次方成正比，所以只要地物微小的溫度差異，就會引起紅外輻射能量較顯著變化。這種特徵構成紅外遙感的理論根據。該公式還表明地物輻射紅外能量與它的發射率成正比。

區別

電學中有電通量概念，磁學中有磁通量概念，光學中不僅有光通量概念，還有輻射通量概念。對於前兩個“通量”概念，大家都很熟悉，但對於後兩個“通量”概念，有些人可能就不是那么熟悉了，特別是對光通量和輻射通量這兩個非常相似的概念，很可能一時難以分清，甚至產生錯覺：認為既然光是屬於一定波長範圍內的一種電磁輻射，那么，光通量就是輻射通量。他們殊不知光量是一個包含著主客觀雙重因素的物理量。

的確，光通量概念是起源於輻射通量概念，或者說，光通量概念是在輻射通量概念基礎上發展、建立起來的，兩者有著緊密的聯繫及相似點。因此，要能透徹理解光通量概念，還得先從輻射通量說起。

眾所周知，光的傳播過程也就是能量的傳遞過程，發光體（光源）在發光時要失去能量，而吸收到光的物體就要增加能量。發光體在單位時間內輻射出來的光（包括紅外線、可見光和紫外線）的總能量就是光源的輻射通量。有時為了研究光源表面某一個面積元的輻射情況，又可以用面積元輻射通量概念。所謂面積元輻射通量就是單位時間內由該光源面積元實際傳送出的所有波長的光能量，常用表示。由此可見，輻射通量是一個輻射度學中的純客觀物理量，它具有功率的量綱，常用單位是瓦特。例如，在地面上跟太陽光垂直的面上每平方米所得的太陽輻射通量是1320瓦特。

輻射通量雖然是一個反映光輻射強弱程度的客觀物理量，但是，它並不能完整地反映出由光能量所引起的人們的主觀感覺——視覺的強度（即明亮程度）。因為人的眼睛對於不同波長的光波具有不同的敏感度，不同波長的數量不相等的輻射通量可能引起相等的視覺強度，而相等的輻射通量的不同波長的光，卻不能引起相同的視覺強度。例如，一個紅色光源和一個綠色光源，若它們的輻射通量相同，則綠色光看上去要比紅色光光亮些。具體是人眼對黃綠光最敏感，對紅光和紫光較不敏感，而對紅外光和紫外光，則無視覺反應。關於這方面知識的詳細研究要引出一個視見函式概念，視見函式常以V（）表示，它表示人眼對光的敏感程度隨波長變化的關係。光度學上，把輻射通量與相應的視見函式的乘積稱作為“光通量”，可用表示，即。因為人眼對波長為0.550微米的“綠色光”最敏感，故常把它作為標準，並把這個波長的視見函式V（）定為1。這樣，對於“綠色光”而言，其輻射通量就等於光通量，其他波長的視見函式都小於1，於是，光通量也就小於相應的輻射通量。顯然，光通量也有功率的量綱，但其常用的單位是“流明”。流明和瓦特有著一定的對應關係（或稱光功當量），經實驗測定：當光波長為5550埃時，1瓦特相當於683流明，當光波長為6000埃時，1瓦特相當於391流明。由此可見，同樣發出1流明的光通量，波長為6000埃光所需的輻射通量約為波長為5550埃光的1.75倍左右。

綜上所述，儘管光通量與輻射通量的量綱相同，但是，輻射通量是一個輻射度學概念，是一個描述光源輻射強弱程度的客觀物理量。而光通量是一個光度學概念，是一個屬於把輻射通量與人眼的視覺特性聯繫起來評價的主觀物理量。或者可以說，光通量是按光對人眼所激起的明亮感覺程度所估計的輻射通量。總之，光通量與輻射通量是兩個不同的光學概念，決不能混為一談。