مبادئ الإشعاع (1\2)

إن مبادئ الإشعاع مهمة لفهم الإشعاع الحراري الذي ينبعث من أي جسم حسب درجة حرارته وحسب خصائصه المادية. إن كفاءة امتصاص وانبعاث الإشعاع هي خصائص مادية تحتاج هنا إلى أخذها بعين الإعتبار ويتم تفسير اعتمادها على بعضها البعض من خلال قانون كيرشوف.

يتبع اعتماد الإشعاع المنبعث على درجة الحرارة لقانون ستيفان - بولتزمان. حيث ينبعث الإشعاع في شكل موجات كهرومغناطيسية، وتحسب شدة الإشعاع بدلالة طول الموجة. يتم تفسير الحد الأقصى لإنبعاث الإشعاع الحراري من خلال قانون فين للإزاحة، في حين أن شكل طيف الإشعاع بأكمله يعطى بموجب قانون بلانك.

قانون كيرشوف

تشير كفاءة الانبعاث ε إلى كفاءة جسم معين في إصدار إشعاع حراري، وتتراوح كمية الكفاءة بين 0 (لا يوجد انبعاث على الإطلاق) و 1 (أعلى انبعاث ممكن). تشير كفاءة الامتصاص α للجسم إلى كفاءته لامتصاص الإشعاع الساقط عليه. وتعرف كما يلي

وتتراوح قيمتها بين 0 و 1، حيث يتوافق 1 مع الامتصاص الكلي ويعني 0 الإنعكاس الكلي أو الانتشار الكلي.

ينص قانون كيرشوف، الصادر في سنة 1859، على ما يلي:

إن كفاءة إمتصاص وكفاءة انبعاث جسم ما لهما نفس القيمة. لذلك، فإن الأجسام التي تمتص كل الإشعاع الساقط عليها (α=1) لها أعلى كفاءة انبعاث حراري (ε=1). ويشار إليها على أنها اجسام سوداء باعثة للطاقة، حيث يشير مصطلح أسود إلى أنه لا يوجد إشعاع منعكس. أما الأجسام التي تمتص فقط جزءًا من الإشعاع الساقط عليها (α<1) يُشار إليها على أنها اجسام رمادية باعثة للطاقة.

تعتمد كفاءة الامتصاص والانبعاث على طول الموجة في حالة جسم انتقائي باعث للطاقة. تتوافق كفاءات الامتصاص سواء كانت عالية أو منخفضة لجسم ما في نطاقات طيفية مختلفة مع كفاءات الانبعاث العالية أو المنخفضة لنفس النطاقات الطيفية. لذلك، يمكن كتابة قانون كيرشوف بشكله العام على النحو التالي:

صورة للأرض في الضوء المرئي (يسار) وفي الأشعة تحت الحمراء الحرارية (يمين) ملتقطة من Meteosat في سنة 2004.
المصدر: Beckel 2007

قانون ستيفان - بولتزمان

تم التوصل لهذا القانون نظريًا بواسطة جوزيف ستيفان في سنة 1879 وتم تأكيده تجريبيًا بواسطة لودفيج بولتزمان في سنة 1884، ويوضح هذا القانون اعتماد شدة الإشعاع الحراري المنبعث من جسم على درجة الحرارة. حيث تزداد شدة الإشعاع بقوة مع زيادة درجة الحرارة المطلقة T المعبر عنها بوحدة كلفن (K). وهناك ما يسمى الإصدار الشعاعي M، وهو القدرة الإشعاعية المنبعثة من سطح جسم ما وتقاس بوحدة واط للمتر المربع W/(m²) ويعبر عنه بالمعادلة التالية:

مع قيمة ثابت ستيفان بولتزمان σ=5.7·10^-8 W/(m²K). على سبيل المثال، وبالرجوع للمعادلة فإن زيادة درجة الحرارة المطلقة لجسم ما بما يعادل درجتين ستؤدي إلى زيادة قوة انبعاث الإشعاع الحراري منه إلى 16 ضعف.

يرتبط تغير درجة الحرارة هذا أيضًا مع التغير في طيف الانبعاث، وهو ما يفسره قانون بلانك (انظر الصفحة التالية).