يتم تعريف الطيف الكهرومغناطيسي و التعرف على الموجات الكهرومغناطيسية و خصائصها و كذلك أنواع الطيف الكهرومغناطيسي و التي تتضمن أشعة الراديو و الميكروويف و الأشعة تحت الحمراء و الضوء المرئي و الأشعة الفوق بنفسيجية إلى أكبر الأشعة طاقة و هم الأشعة السينية و أشعة جاما. و ما هي استخدامات هذه الأشعة.
الموجات الكهرومغناطيسية
الموجات متكونة من مجالات كهربية ومغناطيسية مهتزة بنفس التردد و متعامدة على بعضها البعض و يكون اتجاه انتشارها عمودي على كلا المجالين. و تكون سرعتها في الفراغ 300.000 كم/ث. هذه الموجات تنتقل في الوسط المادى و الفراغ و تنقل معها الطاقة. لا توجد حدود مميزة بين الفئات المختلفة للموجات الكهرومغناطيسية. جميع الموجات الكهرومغناطيسية متشابهة في التركيب و السرعة و الصفات. لكنها تختلف عن بعضها في الطول الموجي أو التردد أو في تفاعلها مع المواد و بالتالي تختلف في إستخدامها. الإختلاف بينها في التردد و الطول الموجي يُكون التَنوع بين هذه الموجات و يُعرف بالطيف الكهرومغناطيسي.
ما هو الطيف الكهرومغناطيسي
الطيف الكهرومغناطيسي هو مصطلح عام يشير إلى مدى هائل من جميع الترددات (أو الأطوال الموجية) الممكنة من الإشعاعات الكهرومغناطيسية.
مناطق الطيف الكهرومغناطيسي
يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من سبع مناطق. ترتيب مناطق الطيف من الأكبر في الطول الموجى (الأقل الطاقة أو التردد) كالأتي موجات الراديو و الموجات الميكروية و الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي و الأشعة الفوق بنفسجية و الأشعة السينية (أكس) و أشعة جاما.
خصائص الطيف الكهرومغناطيسي
- سرعتها 300.000 كم/ث في الفراغ.
- سرعتها في الفراغ أكبر سرعة معرفة حيث لا يسير أي جسيم بسرعة أكبر منها.
- تنتقل في الوسط المادى و الفراغ
- لها خواص موجية (الأنعكاس و الإنكسار و التداخل و الحيود) تحت مسمى النظرية الموجية للضوء.
- لها خصائص جسيمية تم تحديدها من خلال تأثير كومبتون
- يطلق على الكم من الضوء أسم الفوتون و الذي يتميز بخواص فريدة.
انواع الطيف الكهرومغناطيسي واستخداماته
موجات الراديو
لا يشمل هذا الجزء من الطيف موجات الراديو (راديو AM و FM فقط) بل يشمل أيضًا موجات التلفزيون والهاتف المحمول وأشكال الاتصال اللاسلكي الأخرى. من أجل تجنب التداخل (مثل إشارة الهاتف المحمول التي قد تتداخل مع الموجات التي يستقبلها التلفزيون) تنظم الحكومات نطاقات من الأطوال الموجية المخصصة للاستخدامات المختلفة. لتعمل كل شركة إتصالات مثلا ضمن نطاقات ضيقة الطول الموجي. كل موجة هي موجة جيبية نقية بطول موجي وتردد محدد لهذا الحطة (تعرف بالتردد كذا كيلو أو ميجا هرتز). و تحمل المعلومات على هذه الموجة مثل الصوت كما في محطات الراديو. فتنقل موجات الراديو برامج التلفزيون والراديو عن طريق تراكب المعلومات من البرنامج على الموجة الحاملة وتغيير إما اتساعها أو ترددها. و عندما يتم ضبط جهاز الاستقبال على تردد الموجة المراد التقاطها فتحول الإشارة إلى صوت وصور. تخترق بعض ترددات الميكروويف الغلاف الجوي وتُستخدم في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وفي شبكات الهاتف المحمول.
الميكروويف
تكون الموجات الميكرومترية عمومًا أقصر من موجات الراديو. تستخدم الموجات الميكرومترية على نطاق واسع في الاتصالات والرادار. يمكن إنتاج موجات كهرومغناطيسية بواسطة الميكروويف. حيث يتم ضبط تردد الموجات الدقيقة بحيث تدور و تهتز جزيئات الماء داخل الطعام – نظرا لأن الماء مركب قطبي – و الدوران و الاهتزاز يعني طاقة و تصادمات أي حرارة وبالتالي تسخين الطعام بسرعة. و التردد الأمثل لإهتزاز جزيئات الماء في الغذاء على حوالي 10 جيجاهرتز ، ولكن إذا تم ضبط تردد الموجات الميكرومترية على هذه القيمة فإن جزيئات الماء في الطبقات الخارجية للطعام ستمتص كل الموجات كل طاقة الموجات الميكرومترية مما يترك منطقة داخلية باردة غير مطبوخة و الطبقة الخارجية شديدة الحرارة. نتيجة لذلك ، يتم إنتاج في أفران الميكروويف ترددها 2.45 جيجاهيرتز و هو التردد الأمثل لحل هذه المشكلة. و بالتالي يسمح للطبقات الخارجية التأثر به و من ثم تسخين الطبقة الخارجية ببطء و توصيل الحرارة بشكل أعمق في الطعام.
الأشعة تحت الحمراء (IR)
الأشعة تحت الحمراء لها أطوال موجية أقصر من موجات الراديو والميكروويف ، وتتراوح من اللون الأحمر للطيف المرئي عند 700 نانومتر إلى حوالي 1 ملليمتر. و هي الأشعة التي عندما تسقط على جلد الأنسان فإنه يحس بالحرارة و تسمى أحيانا الإشعاع الحراري.
تشع الأرض (كما في ظاهرة إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة حوالي 300 كلفن) أشعة تحت حمراء و المسئولة عن الحرارة. يرتفع معدل الانبعاث بسرعة مع درجة الحرارة. تقوم غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء بامتصاص بعضًا من هذه الأشعة تحت الحمراء و إعادتها للأرض مما ينتج عنه ارتفاع درجة حرارة سطح الكواكب. تستمر درجة الحرارة في الارتفاع كلما زادت نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي نتيجة لحرق الوقود الأحفوري. و تستخدم في أجهزة الرؤيا الليلية. و أيضا يمكن للعديد من الثعابين التي تصطاد بشكل أساسي في الليل أن ترى جيدًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء. يمكن للأشعة تحت الحمراء حمل البيانات في الألياف الضوئية. غالبًا ما تستخدم أجهزة التحكم عن بُعد الأشعة تحت الحمراء لأنها تنتقل في الهواء لمسافة قصيرة فقط.
ضوء مرئي
يغطي الضوء المرئي ذو اللون الفاتح النطاق من حوالي 400 نانومتر إلى 700 نانومتر. على الرغم من أن العين البشرية يمكن أن ترى فقط من 400 نانومتر إلى 700 نانومتر. فإن هذا يمثل حوالي نصف الإشعاع الصادر من الشمس في حين يقع معظم الباقي يقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء.
الأشعة فوق البنفسجية (UV)
الأشعة فوق البنفسجية لها أطوال موجية أقصر من الضوء المرئي من 400 نانومتر إلى حوالي 1 نانومتر. تأتي الموجات فوق البنفسجية بشكل أساسي من انتقالات الإلكترونات بين مستويات الطاقة الذرية. فوتونات الأشعة فوق البنفسجية لديها طاقة أكثر من تلك الموجودة في الضوء المرئي. يحتوي ضوء الشمس على كمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية لذلك عليك تجنب التعرض المفرط لأشعة الشمس.
فعندما تسقط الأشعة فوق البنفسجية على بشرتك يتسبب في جعل خلايا الميلانين تنتج المزيد من الصبغة مما يؤدي إلى تغميق الجلد. كما أنه يضر بالحمض النووي لخلايا الجلد ، مما يؤدي إلى الشيخوخة المبكرة وزيادة مخاطر الإصابة بالسرطان. غاز الأوزون يحمينا من أشعة الشمس فوق البنفسجية. في العقود الأخيرة أدت انبعاثات مركبات الكلورفلوروكربون المستخدمة في الثلاجة و المكيفات إلى تدمير جزء من طبقة الأوزون الواقية.
الأشعة السينية
الطول الموجي للأشعة السينية أقصر من الأشعة فوق البنفسجية. تنتج الأشعة السينية عمومًا عندما تتفاعل الإلكترونات عالية الطاقة مع المادة. إذا تباطأ الإلكترون بشكل مفاجئ يمكن أن يصدر أشعة إكس X ray. يمكن للإلكترون عالي الطاقة أيضًا أن يطرد أحد الإلكترونات في مستويات الطاقة الداخلية في الذرة وعندما يعود إلكترون آخر مكان الإلكترون المنطلق ينبعث فرق الطاقة بين المستويين كأشعة إكس.
تخترق الأشعة السينية الأنسجة الرخوة وبالتالي فهي مهمة في التشخيص الطبي. لقد استخدمت منذ اكتشافها في 1900 لتصوير العظام و من ثم للكشف عن كسور العظام والأمراض العظمية الأخرى. يوازن الأطباء و المتخصصون بين القيمة التشخيصية الأشعة السينية مقابل الضرر التي قد تسببه. يؤدي التعرض للأشعة السينية إلى تعطيل الخلايا وزيادة مخاطر الإصابة بالسرطان.
أشعة جاما
أشعة جاما طول موجي أقصر من الأشعة السينية ، لذا فليس من الغريب أنها تأتي من انتقالات على مستوى النواة و ليس الإلكترونات في مستويات الطاقة. فتنطلق من النواة المشعة حتى تصبح أكثر استقرارا. تستخدم الأشعة السينية عالية الطاقة وأشعة جاما في علاج السرطان عن طريق استهداف الخلايا السرطانية مع الحد من الضرر الذي قد يلحق بالأنسجة المحيطة. لا تخترق أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجات الغلاف الجوي ، لذلك هناك حاجة إلى تلسكوبات فضائية لفحص هذه الأطوال الموجية في الكون.
