الإشعاع الكهرومغناطيسي

يمكننا رؤية الأشياء المختلفة بمساعدة الضوء. يمكننا أيضًا التواصل مع بعضنا البعض من خلال "الهواتف الذكية" على مسافات كبيرة بمساعدة الإشعاعات. ولكن هل تساءلنا يومًا ما هو هذا "الإشعاع" أو "الضوء" في الواقع؟. من ماذا يتكون؟. هذا "الإشعاع" أو "الضوء" هو في الواقع "إشعاع كهرومغناطيسي". مصطلح "كهرومغناطيسي" هو مزيج من كلمتين "كهربائي" و "مغناطيسي". ويمكننا أيضًا أن نستنتج أن مصطلح "الكهرومغناطيسي" يشير إلى العلاقة بين "المجال الكهربائي" و "المجال المغناطيسي". يمكن اعتبار مصطلح "الإشعاع" بمثابة "موجة". "الموجة" هي ظاهرة فيزيائية تمثل اضطرابًا في وسط مثل الهواء. يمكن أن يكون الوسط صلبًا، أو سائلًا، أو غازيًا، أو كهربائيًا، أو مجالًا مغناطيسيًا.

سنناقش أولاً طبيعة "المجال الكهربائي". هو نوع من القوة التي يتعرض لها جسيم مشحون موضوع في منطقة جسيم مشحون آخر. يمكن للجسيم المشحون أن يكون "إيجابيًا" أو "سلبيًا". يظهر هنا مثال لجسيم مشحون موضوع في مجال جسيم مشحون آخر. يتعرض الجسيم المشحون لقوة ينتجها جسيم مشحون آخر. يُطلق على هذه القوة اسم "المجال الكهربائي" وتتعرض لها الشحنات "الموجبة" أو "السلبية". عندما يتسارع الجسيم المشحون فإنه ينتج تغييرًا في "المجال الكهربائي". يؤدي هذا التغيير في المجال الكهربائي إلى ظهور "مجال مغناطيسي". المجال المغناطيسي هو أيضًا قوة مثل المجال الكهربائي.

يؤدي تغير المجال المغناطيسي أيضًا إلى ظهور مجال كهربائييمكننا القول أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي متماسكان بطبيعتهما. تؤدي هذه المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة إلى ظهور "الإشعاع الكهرومغناطيسي". "الإشعاع الكهرومغناطيسي" هو نوع من الطاقة التي تنتشر عبر الفضاء أو الوسط المادي في شكل "موجة كهرومغناطيسية" تتكون من مجالات "كهربائية" و"مغناطيسية" متغيرة. إن الطبيعة المتماسكة لكلا المجالين تنتج موجات كهرومغناطيسية. في مثل هذه الموجات، يكون المجال الكهربائي عموديًا على المجال المغناطيسي. إنها تنتقل على شكل "موجة عرضية". وبكلمات بسيطة يمكننا القول أن الإشعاع الكهرومغناطيسي هو الطاقة التي تنتشر على شكل اضطرابات متقدمة في المجال الكهربائي والمغناطيسي.

سنناقش الآن خصائص "الإشعاع الكهرومغناطيسي". يظهر الإشعاع الكهرومغناطيسي طبيعة مزدوجة. إنه يظهر الطبيعة الجسيمية ويظهر خصائص تشبه الموجة. أما فيما يتعلق بطبيعة الموجة فهي تنتقل على شكل موجة عرضية. تتمتع الموجة المستعرضة بخصائص معينة. الطول الموجي هو المسافة بين قسمين علويين متجاورين للموجة. ويمكننا أيضًا قياس ذلك عن طريق قياس مسافات قسمين سفليين متجاورين. تُسمى هذه الأشكال بـ "القمم والوديان" للأشكال الموجية. يوضح هذا الشكل الطول الموجي للموجة. يختلف هذا الطول الموجي باختلاف الموجات الكهرومغناطيسية. يحدد طول الموجة أيضًا تردد الإشعاع.

التردد هو عدد الموجات التي تمر عبر نقطة ثابتة في وحدة الزمن. على سبيل المثال، اعتبر الصندوق في الشكل بمثابة مساحة وحدة وتمر من خلاله موجة واحدة في ثانية واحدة. لذا فإن تردده هو 1 هرتز. في المثال الثاني، تمر موجتان عبر مساحة وحدة في ثانية واحدة. لذا فإن تردده هو 2 هرتز. يتم قياس التردد بالهرتز والذي يتم اختصاره إلى Hz. يعني عدد الدورات في الثانية. وبكلمات بسيطة يمكننا القول أن هذا هو عدد الموجات التي تمر عبر وحدة مساحة في ثانية واحدة.

التعبير الرياضي للتردد هو كما هو موضح. في هذا التعبير، يمثل "v" "التردد"، ويمثل "c" "سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي"، ويمثل "λ" "الطول الموجي". ومن هذا التعبير يمكننا أن نستنتج أن التردد 'v' يتناسب عكسيا مع الطول الموجي 'λ'. وهذا يعني أنه كلما زاد الطول الموجي، كلما كان التردد أصغر. دعونا نفهم هذا بمساعدة مثال.

في الرسم التوضيحي، يمكننا أن نرى أن الطول الموجي يكون أكبر في البداية عندما يمر عبر وحدة المساحة. الزمن المستغرق لمرور الموجات عبر وحدة المساحة هو ثانية واحدة. يمكننا أن نلاحظ أن موجة كبيرة واحدة فقط تمر عبر وحدة المساحة في ثانية واحدة، وبالتالي فإن "التردد" هو 1 هرتز. ولكن عندما نقوم بتقليل طول الموجة المارة عبر وحدة المساحة، يمكننا أن نلاحظ أن موجتين تمران عبر وحدة المساحة في ثانية واحدة. التردد الآن هو 2 هرتز. وبذلك نكون قد قمنا بتقليل الطول الموجي وتم زيادة التردد من 1 هرتز إلى 2 هرتز.

في التعبير الموضح دعونا نرى ما هو 'c'. وهو يمثل سرعة الإشعاع "الكهرومغناطيسي". إنه ثابت. تبلغ سرعة أي إشعاع كهرومغناطيسي 299,792,458 متر/ثانية، أي ما يعادل تقريبًا 3×10⁸ متر/ثانية. يعتبر الضوء إشعاعًا كهرومغناطيسيًا. لا تتأثر سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي بتغير الطول الموجي أو التردد. لا يتغير بتغير طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تُستخدم سرعة "الإشعاع الكهرومغناطيسي" كوحدة لقياس "المسافات بين النجوم". على سبيل المثال، الوقت الذي تستغرقه الإشعاعات من الشمس للوصول إلى الأرض هو حوالي 8 دقائق. يمكننا القول أن المسافة بين “الشمس” و “الأرض” هي 8 دقائق ضوئية. 'سنة ضوئية واحدة' هي المسافة التي يقطعها الضوء أو 'الإشعاع الكهرومغناطيسي' في عام واحد.

يمكن أيضًا وصف الإشعاع الكهرومغناطيسي من حيث جزيئات الطاقة التي تسمى الفوتونات. الفوتونات هي عبارة عن حزم كمية من الطاقة. وهذا يعني أنهم موجودون فقط في كمية منفصلة من الطاقة. يتم التعبير عن طاقتهم كما هو موضح. في هذا التعبير، E يمثل "طاقة" الفوتون، h يمثل "ثابت بلانك" و v يمثل "التردد".

لقد تعلمنا العلاقة بين "التردد" و "سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي" و "الطول الموجي". يمكننا استبدال قيمة التردد 'v' في تعبير 'الطاقة'. بمجرد أن نفعل ذلك نحصل على المعادلة الموضحة. E هي طاقة الفوتون. C هي سرعة الإشعاع الكهرومغناطيسي. h هو ثابت بلانك. يتم قياس طاقة الفوتون بالجول.

كما يمكننا أن نرى من التعبير، الطاقة تتناسب عكسيا مع الطول الموجي. وهذا يعني أنه كلما كان الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي أقصر، كلما كانت طاقته أكبر. ويمكننا أيضًا القول إن الفوتونات ذات الطاقة العالية لها طول موجي أقصر وتردد أعلى مقارنة بالفوتونات ذات الطاقة المنخفضة.

بسبب الاختلاف في "الطول الموجي" و"التردد" و"طاقات" الإشعاع الكهرومغناطيسي، يمكن تصنيفها إلى أنواع مختلفة. يتم التعبير عن هذه الأنواع المختلفة من "الإشعاع الكهرومغناطيسي" في شكل "الطيف الكهرومغناطيسي". يظهر "الطيف الكهرومغناطيسي" هذه "الإشعاعات الكهرومغناطيسية" المختلفة. تتراوح من طول موجي كبير يبلغ 10 ميكرومتر إلى طول موجي قصير يبلغ 10⁻⁵ نانومتر. هذه الإشعاعات الكهرومغناطيسية الطويلة هي عبارة عن موجات راديوية. والأشعة القصيرة هي أشعة جاما. لذلك يتراوح الإشعاع الكهرومغناطيسي من "الموجات الراديوية" إلى "أشعة جاما".

يتم تصنيف الإشعاعات الكهرومغناطيسية إلى المناطق التالية. أشعة "جاما" هي إشعاعات كهرومغناطيسية ذات طاقة عالية جدًا ولها أقصر طول موجي. ترددها أعلى من 30 × 10¹⁸ هرتز. بسبب طاقتها العالية جدًا، فهي تتمتع بقدرة اختراق قوية جدًا في المادة. يتم إنشاء هذه الإشعاعات نتيجة للتحلل النووي. وتستخدم أشعة جاما أيضًا في عملية "الإشعاع". "الإشعاع" هو قتل الكائنات الحية الدقيقة وحفظ الطعام من البكتيريا.

يتراوح نطاق تردد "الأشعة السينية" من 30 × 10¹⁵ هرتز إلى 30 × 10¹⁸ هرتز. إنها تمتلك طاقة أعلى من "الأشعة فوق البنفسجية" ولكنها أقل في الطاقة مقارنة بأشعة جاما. تصدر أشعة جاما عن "النواة الذرية" وتصدر الأشعة السينية عن طريق الإلكترونات. "الأشعة السينية" هي فوتونات ذات طاقة عالية جدًا. وبسبب هذا فإنها قادرة على إثارة الإلكترونات في الذرة وتأينها. وتعرف أيضًا باسم "الإشعاعات المؤينة". يمكن لهذه الإشعاعات أيضًا أن تسبب تغييرات في "الروابط الكيميائية". من فوائد "الإشعاعات المؤينة" أنها يمكن أن تستخدم في التشخيص الطبي لأنها قادرة على اختراق الأشياء. ومن الأمثلة على ذلك استخدامها لإجراء تصوير بالأشعة السينية للجزء العلوي من الجسم.

يمكن استخدام الإشعاع المؤين لعلاج السرطان. وبما أن هذه الإشعاعات ذات طاقة عالية ويمكنها تغيير الروابط الكيميائية، فيمكن استخدامها لقتل الخلايا السرطانية. من عيوب الإشعاع المؤين تأثيره الضار على جسم الإنسان. بسبب طبيعتها المؤينة فإنها يمكن أن تسبب أضرارا خطيرة للمادة الوراثية للكائنات الحية. ويظهر في الشكل الضرر الخطير الذي تسببه هذه الإشعاعات على الحمض النووي. كما يمكننا أن نلاحظ أن الإشعاعات المؤينة لها تأثير مباشر وغير مباشر على الحمض النووي. يمكنها أن تؤين الذرات الموجودة في الحمض النووي بشكل مباشر وتسبب أضرارًا خطيرة. ومن ناحية أخرى، يمكن لهذه الإشعاعات أيضًا أن تؤين الماء وتحوله إلى OH⁻أيون و H₃O⁺الأيونات التي يمكن أن تسبب ضررا للحمض النووي.

تتمتع الأشعة فوق البنفسجية بطاقة أقل من الأشعة السينية. يتراوح نطاق ترددها بين 8 × 10¹⁴ إلى 3 × 10¹⁶ هرتز. تأتي الأشعة فوق البنفسجية من الشمس ويمكن أن تسبب أيضًا أضرارًا خطيرة للجلد. لكن معظم هذه الإشعاعات يتم تصفيتها بواسطة طبقة "الأوزون" في الغلاف الجوي لدينا. الأشعة السينية وأشعة جاما والأشعة فوق البنفسجية غير مرئية للعين البشرية. وذلك لأننا لا نستطيع رؤية الإشعاعات إلا في نطاق الطول الموجي 300 نانومتر – 400 نانومتر. من فوائد الأشعة فوق البنفسجية لجسم الإنسان أن هذه الأشعة تجعل الجسم ينتج فيتامين د.

تتراوح أطوال الموجات "للأشعة المرئية" من 380 نانومتر إلى 750 نانومتر. وبما أن هذه الإشعاعات مرئية، فيمكننا رؤية ألوان مختلفة لهذه الإشعاعات استناداً إلى طولها الموجي. يتم توضيح مجموعة ألوان الطيف المرئي هنا. يمكن استخدام هذه الإشعاعات في "اتصالات الألياف البصرية" وفي "التصوير الفوتوغرافي". علاوة على ذلك، يتم استخدام هذه الإشعاعات، عندما تأتي من النجوم البعيدة، لقياس طبيعة النجوم من خلال الفيزياء الفلكية.

تتمتع الأشعة تحت الحمراء بمدى طول موجي أكبر من الأشعة المرئية. أنها غير مرئية للعين البشرية. يمكن امتصاص الأشعة تحت الحمراء أو إصدارها بواسطة الجزيئات. ولذلك يمكن استخدامها لتحديد بنية الجزيئات. تُستخدم هذه الإشعاعات في "الرؤية الليلية" وفي "علم الفلك" لمراقبة طبيعة النجوم والأجسام البعيدة. يمكن استشعار هذه الإشعاعات لأنها تنتج الحرارة.

يتراوح طول الموجة للميكروويف بين 30 سم إلى 1 مم. لديهم تردد منخفض جدًا. بسبب خصائصها الحرارية، يتم استخدامها في أفران الميكروويف لطهي الطعام. "الموجات الراديوية" لها أطول طول موجي في "الطيف الكهرومغناطيسي". يتم استخدامها في "الملاحة" و "البث الإذاعي". يتراوح طولها الموجي بين 1 مم إلى 100 كم.