الإشعاع الطيفي

في علم قياس الإشعاع ، يُعرف الإشعاع الطيفي أو الشدة النوعية بأنه إشعاع سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي ، وذلك بحسب ما إذا كان الطيف يُؤخذ كدالة للتردد أو الطول الموجي. وحدة قياس الإشعاع الطيفي في النظام الدولي للوحدات (SI) بالنسبة للتردد هي الواط لكل ستراديان لكل متر مربع لكل هرتز ( W·sr⁻¹ ^· m⁻² ^· Hz⁻¹ ⁾ ، أما بالنسبة للطول الموجي فهي الواط لكل ستراديان لكل متر مربع لكل متر ( W·sr⁻¹ ^· m⁻³ ⁾ ، وتُعرف عادةً بالواط لكل ستراديان لكل متر مربع لكل نانومتر ( W·sr⁻¹ ^· m⁻² ^· nm⁻¹ ⁾ . كما يُستخدم الوميض الميكروي لقياس الإشعاع الطيفي في بعض المجالات. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يُقدّم الإشعاع الطيفي وصفًا إشعاعيًا كاملًا لحقل الإشعاع الكهرومغناطيسي الكلاسيكي من أي نوع، بما في ذلك الإشعاع الحراري والضوء . وهو يختلف مفهوميًا عن الأوصاف الصريحة للحقول الكهرومغناطيسية الماكسويلية أو توزيع الفوتونات . ويشير إلى فيزياء المادة ، على عكس علم النفس الفيزيائي .

بالنسبة لمفهوم الشدة النوعية، يقع خط انتشار الإشعاع في وسط شبه شفاف تتغير خصائصه البصرية باستمرار. ويشير هذا المفهوم إلى مساحة مُسقطة من عنصر مساحة المصدر على مستوى عمودي على خط الانتشار، وإلى عنصر الزاوية المجسمة التي يشكّلها الكاشف عند عنصر مساحة المصدر. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

يُستخدم مصطلح السطوع أحيانًا للدلالة على هذا المفهوم. ^{[ 3 ] [ 10 ]} وينص نظام SI على أنه لا ينبغي استخدام كلمة السطوع لهذا الغرض، بل يجب أن تقتصر على علم النفس الفيزيائي فقط.

الشدة الإشعاعية النوعية هي كمية تصف معدل انتقال الطاقة الإشعاعية عند _النقطة P1 ، وهي نقطة في الفضاء إحداثياتها x ، عند الزمن t . وهي دالة عددية لأربعة متغيرات، تُكتب عادةً ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] على النحو التالي:}$${\displaystyle I(\mathbf {x} ,t;\mathbf {r} _{1},\nu )}$$ أين:

 يُعرَّف I ( x , t ; r ₁ , ν ) على أنه بحيث تكون منطقة مصدر افتراضية، dA ₁ ، تحتوي على النقطة P ₁ ، مصدرًا ظاهريًا لكمية صغيرة ولكنها محدودة من الطاقة dE تنتقل عن طريق إشعاع الترددات ( ν , ν + dν ) في فترة زمنية قصيرة d t ، حيث $${\displaystyle dE=I(\mathbf {x} ,t;\mathbf {r} _{1},\nu )\cos(\theta _{1})\,dA_{1}\,d\Omega _{1}\,d\nu \,dt\,,}$$ حيث θ₁ _هي الزاوية بين خط الانتشار r والعمودي P₁N₁ على _dA₁ ؛ والوجهة الفعلية لـ _dE هي مساحة صغيرة محدودة _dA₂ ، _تحتوي على النقطة P₂ ، والتي _تُحدد زاوية مجسمة صغيرة محدودة _dΩ₁ حول P₁ في _اتجاه r . ويُمثل جيب التمام إسقاط مساحة المصدر dA₁ على مستوى عمودي على خط الانتشار المشار _إليه بـ r .

يشير استخدام الترميز التفاضلي للمساحات dA _i إلى أنها صغيرة جدًا مقارنة بـ r ² ، مربع مقدار المتجه r ، وبالتالي فإن الزوايا المجسمة d Ω _i صغيرة أيضًا.

لا يُعزى أي إشعاع إلى _النقطة P1 _نفسها كمصدر له، لأن P1 نقطة هندسية بلا مقدار. يلزم وجود مساحة محدودة لإصدار كمية محدودة من الضوء.

فيما يخص انتشار الضوء في الفراغ، يسمح تعريف الشدة الإشعاعية النوعية ضمنيًا بقانون التربيع العكسي لانتشار الإشعاع. ^{[ 12 ] [ 14 ]} يفترض مفهوم الشدة الإشعاعية النوعية لمصدر عند النقطة P1 أن الكاشف عند النقطة _{P2 مزود بأجهزة بصرية (عدسات تلسكوبية وما شابه) قادرة على تمييز} تفاصيل مساحة المصدر dA1 _{. عندئذٍ} ، تكون الشدة الإشعاعية النوعية للمصدر مستقلة عن المسافة بين المصدر والكاشف؛ فهي خاصية خاصة بالمصدر وحده. وذلك لأنها تُعرَّف لكل _{وحدة زاوية} مجسمة ، ويشير تعريفها إلى مساحة سطح الكشف dA2 .

يمكن فهم ذلك بالنظر إلى الرسم التوضيحي. يعمل العامل cos θ ₁ على تحويل مساحة الانبعاث الفعالة d A ₁ إلى مساحة إسقاط افتراضية cos θ ₁ dA ₁ = r ² d Ω ₂ بزاوية قائمة على المتجه r من المصدر إلى الكاشف. كما تعمل الزاوية المجسمة d Ω ₁ على تحويل مساحة الكشف d A ₂ إلى مساحة إسقاط افتراضية cos θ ₂ dA ₂ = r ² d Ω ₁ بزاوية قائمة على المتجه r ، بحيث يكون d Ω ₁ = cos θ ₂ dA ₂ / r ² . باستبدال هذا بـ d Ω ₁ في التعبير أعلاه للطاقة المجمعة dE ، نجد أن dE = I ( x , t  ; r ₁ , ν ) cos θ ₁ dA ₁ cos θ ₂ dA ₂ dν dt / r ² : عندما تكون مساحات وزوايا الانبعاث والكشف dA ₁ و dA ₂ و θ ₁ و θ ₂ ثابتة، فإن الطاقة المجمعة dE تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة r بينهما، مع ثبات I ( x , t  ; r ₁ , ν ) .

يمكن التعبير عن ذلك أيضًا بالقول إن I ( x , t  ; r1 _, ν ) ثابتة بالنسبة لطول الشعاع r ؛ أي، إذا كانت الأجهزة البصرية تتمتع بدقة كافية، وكان الوسط الناقل شفافًا تمامًا، كالفراغ مثلاً، فإن شدة المصدر النوعية لا ^{تتأثر بطول} الشعاع r . [ ^{12 ] [ 14 ] [ 15} ] 

بالنسبة لانتشار الضوء في وسط شفاف ذي معامل انكسار غير منتظم وغير موحد ، فإن الكمية الثابتة على طول الشعاع هي شدة الضوء النوعية مقسومة على مربع معامل الانكسار المطلق. ^{[ 16 ]}

في حالة انتشار الضوء في وسط شبه شفاف، لا تكون شدة الضوء ثابتة على طول الشعاع، وذلك بسبب الامتصاص والانبعاث. ومع ذلك، ينطبق مبدأ ستوكس-هيلمهولتز للانعكاس والتبادل ، لأن الامتصاص والانبعاث متماثلان في كلا اتجاهي نقطة معينة في وسط ساكن.

يُستخدم مصطلح "إيتندُو" (étendue) للتركيز تحديدًا على الجوانب الهندسية. وقد أُشير إلى الطبيعة التبادلية لمصطلح "إيتندُو" في المقالة المُخصصة له. يُعرَّف مصطلح "إيتندُو " بأنه تفاضل من الدرجة الثانية. في تدوين هذه المقالة، يُعرَّف التفاضل الثاني لمصطلح _{" إيتندُو} ^{"، d²G} ، لحزمة الضوء التي "تربط" عنصري السطح dA₁ و dA₂ على النحو التالي _:$${\displaystyle d^{2}G=dA_{1}\cos(\theta _{1})\,d\Omega _{1}={\frac {dA_{1}\,dA_{2}\cos(\theta _{1})\cos(\theta _{2})}{r^{2}}}=dA_{2}\cos(\theta _{2})\,د\أوميغا _{2}.}$$

وهذا يمكن أن يساعد في فهم الجوانب الهندسية لمبدأ ستوكس-هيلمهولتز للانعكاس والتبادل.

لأغراض هذه الدراسة، يمكن اعتبار ضوء النجم شعاعًا متوازيًا عمليًا ، ولكن بخلاف ذلك، نادرًا ما يُوجد شعاع متوازي في الطبيعة، على الرغم من إمكانية جعل الأشعة المُصنّعة متوازية تقريبًا. ولبعض الأغراض، يمكن اعتبار أشعة الشمس متوازية عمليًا، لأن الشمس تُغطي زاوية 32 دقيقة قوسية فقط. ^{[ 17 ]} تُعدّ الشدة الإشعاعية النوعية مناسبة لوصف مجال إشعاعي غير متوازي. وتكون تكاملات الشدة الإشعاعية النوعية بالنسبة للزاوية المجسمة، المستخدمة في تعريف كثافة التدفق الطيفي ، شاذة بالنسبة للأشعة المتوازية تمامًا، أو يمكن اعتبارها دوال ديراك دلتا . لذلك، فإن الشدة الإشعاعية النوعية غير مناسبة لوصف شعاع متوازي، بينما تُعدّ كثافة التدفق الطيفي مناسبة لهذا الغرض. ^{[ 18 ]}

تعتمد الشدة الإشعاعية النوعية على فكرة حزمة من أشعة الضوء . ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

في وسط متجانس بصريًا، تكون الأشعة عمودية على جبهات الموجة ، أما في وسط بلوري غير متجانس بصريًا، فإنها عادةً ما تكون بزاوية مع تلك الأعمدة. أي أن الطاقة في بلورة غير متجانسة بصريًا لا تنتشر عادةً بزاوية قائمة على جبهات الموجة. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

إن شدة الإشعاع النوعية مفهوم إشعاعي. ويرتبط بها مفهوم الشدة بدلالة دالة توزيع الفوتونات، ^{[ 5 ] [ 24 ]} والذي يستخدم استعارة ^{[ 25 ]} جسيم الضوء الذي يتتبع مسار الشعاع.

الفكرة المشتركة بين مفهومي الفوتون والقياس الإشعاعي هي أن الطاقة تنتقل على طول الأشعة.

ثمة طريقة أخرى لوصف المجال الإشعاعي وهي باستخدام مجال ماكسويل الكهرومغناطيسي، الذي يتضمن مفهوم جبهة الموجة . تتجه أشعة المجال الإشعاعي والفوتوني على طول متجه بوينتينغ المتوسط ​​زمنيًا لمجال ماكسويل. ^{[ 26 ]} في وسط غير متجانس الخواص، لا تكون الأشعة عمودية على جبهة الموجة بشكل عام. ^{[ 22 ] [ 23 ]}