下列何者為非游離輻射(nonionizing radiation)防護量中,radiant exposure(H)的單位?
詳細解析
本題觀念
本題考的是非游離輻射的輻射度量學(radiometry)單位,關鍵在於先辨認 radiant exposure(H)代表什麼物理量。它不是單純的總能量,也不是某一瞬間的功率,而是接收表面在一段照射時間內,每單位面積累積收到的輻射能量。只要掌握「能量 ÷ 面積」以及「功率 ÷ 面積再對時間積分」這兩種等價表示,就能排除只有功率、只有能量或以立體角為分母的選項。
選項分析
A:W/cm²,錯誤。 W 是瓦特,代表每單位時間的能量,也就是功率。功率再除以面積,得到 W/cm²,表示單位面積在某一時間點或某一時間區間內接收的輻射功率密度,概念上是 irradiance(輻照度)。它描述「流入得多快」,還沒有把照射時間累積進去。若照射時間固定為 t,則 radiant exposure 會由 irradiance 乘上時間得到 H = Eₑ × t;因此 W/cm² 仍缺少時間因子,不能作為 H 的單位。
B:J,錯誤。 J 是焦耳,代表輻射能量本身。Radiant exposure 不是接收表面得到的總能量,而是把入射輻射能量按照接收面積標準化後的量。假設同樣收到 100 J,若分別照在 1 cm² 和 10 cm² 的表面,兩者的 radiant exposure 不同;前者是 100 J/cm²,後者是 10 J/cm²。只有寫 J,沒有「每單位面積」,無法反映面積變化,所以 B 不正確。
C:J/cm²,正確。 Radiant exposure 的定義是單位面積所接收的輻射能量,可寫成 H = dQₑ/dA;若用時間積分表示,則是 irradiance 對照射時間的積分。因為分子是能量 J,分母是面積 cm²,所以選項的 J/cm² 正好符合「能量/面積」的量綱。國際單位制常寫成 J/m²,J/cm² 則是同一物理量以 cm² 為面積單位的表示方式;題目選項中因此應選 C。要注意它與游離輻射的 exposure 概念不同,後者常涉及電離量與 C/kg,不可看到同一個 H 或 exposure 字樣就混為一談。
D:W/sr,錯誤。 sr 是球面度,代表立體角。W/sr 是單位立體角的輻射功率,與 radiant intensity(輻射強度)的概念相關;它回答的是「功率沿某個方向分布得多集中」,不是「表面每單位面積累積收到多少能量」。即使某個光源的 W/sr 很高,仍需知道照射時間與受照面積,才能換算或判定 radiant exposure,因此 D 不是 H 的單位。
答案解析
答案為 C。先用單位做量綱檢查:radiant exposure 的核心是 radiant energy per unit area,所以維度是 J/area。選項 C 的 J/cm² 完整包含能量與面積;A 是功率/面積,B 是未除以面積的能量,D 是功率/立體角。若看到公式 H = ∫Eₑ dt,也能直接確認 A 少了對時間的積分,而積分後 W × s 會變成 J,再除以面積才是 J/cm² 或 J/m²。
整理幾個容易混淆的輻射度量學量:irradiance 是入射輻射功率/面積,常用 W/m²;radiant exposure 是入射輻射能量/面積,常用 J/m²;radiant intensity 是輻射功率/立體角,常用 W/sr;radiance 則還要再除以投影面積,常見單位為 W/(sr·m²)。題目問 H 時,先看分母是面積還是立體角,再看分子是能量還是功率,通常就能快速作答。
核心知識點
- Radiant exposure(H):單位面積接收的輻射能量,H = dQₑ/dA,也可寫成輻照度對時間的積分。
- 單位:SI 為 J/m²;若題目以 cm² 表示,則為 J/cm²,故本題選 C。
- Irradiance:功率/面積,單位 W/m² 或 W/cm²,描述瞬時或時間率,不是累積能量。
- Radiant intensity:功率/立體角,單位 W/sr;sr 是球面度,不是面積。
- J 只有能量量綱,W/cm² 缺少時間積分,W/sr 的分母則是立體角;三者都不能取代 J/cm²。
- 非游離輻射的 radiant exposure 不要和游離輻射 exposure 的電離量混淆;解題要依題目採用的物理定義與符號判讀。