سلسلة الأشعّة الكهرومغناطيسية. 1- مقدمة في الأشعّة الكهرومغناطيسية.

ما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي؟

هو شكل من أشكال الطاقة التي تُحيط بنا. ويتجسّد هذا الاشعاع ضمن أنواع عديدة، منها الأشعة الراديوية والأشعة الميكروية والأشعة السينيّة وأشعة غاما وغيرها.

ضوء الشمس هو أيضاً شكل من أشكال الأشعة الكهرومغناطيسية. في الواقع الطيف المرئي الذي تراه عيوننا لا يشكّل سوى جزء ضئيل من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يضم مجموعة واسعة من الأشعةِ بحسب أطوال موجاتها.

النظرية الكهرومغناطيسية:

إعتقد العلماء من قبل أنَّ الكهرباء والمغنطة ظاهرتين منفصلتين. لكن في عام 1873 قام العالم السكوتلاندي كلارك ماكسويل بتطوير نظرية موحَّدة لهاتين الظاهرتين سمّاها النظرية الكهرومغناطيسية. حيث تهدف دراسة الكهرومغناطيسية إلى معرفة كيفيّة تفاعل الجُسيمات المشحونة كهربائيًا مع بعضها البعض ومع الحقول المغناطيسية.

هناك أربعة مبادئ أساسيّة للتفاعلات الكهرومغناطيسية:

1- إن قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات الكهربائية تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينها.

2- الأقطاب المغناطيسية تأتي على شكل أزواج تتجاذب وتتنافر فيما بينها كما يحدث مع الأقطاب الكهربائية.

3- التيار الكهربائي في سلك يُنتج حقل[1] مغناطيسي. وتعتمد اتجاهات هذا الحقل على اتجاه التيار الكهربائي.

4- الحقل الكهربائي[2] المتحرك يُنتج حقل مغناطيسي[3] متحرك، والعكس بالعكس.

كما طوّر ماكسويل مجموعة من الصيغ (سُمّيت معادلات ماكسويل) لتوصيف هذه الظواهر.

الأمواج والحقول:

ينشأ الاشعاع الكهرومغناطيسي عندما يتحرك جُسيم ذريّ (كالإلكترون مثلاً) بفعل حقل كهربائي. هذه الحركة بدورها تُنتج حقلين كهربائي ومغناطيسي متذبذبين. يكونا هذين الحقلين متعامدين مع بعضهما وينتقلان في الفراغ على شكل حزم من الطاقة الخفيفة تسمى الفوتون. تسافر الفوتونات على شكل أمواج متناغمة بأقصى سرعة ممكنة في الكون عبر الفراغ (299،792،458 متر/ثانية). وهي السرعة المعروفة أيضًا بسرعة الضوء. لهذه الأمواج خصائص معيّنة تحدد هويتها مثل (طول الموجة – التواتر – الطاقة).

طول الموجة wavelength: هو المسافة الفاصلة بين قمتي متتاليتين للموجة، وتقدّر بالمتر أو أجزائه.

التواتر أو التردد frequency: هو عدد الموجات التي تتشكل خلال واحدة الزمن. عادةً يُرمز إلى عدد أدوار الموجات خلال ثانية بـ(هرتز) Hz.

كلما كان طول الموجة أقصر كلما كان التواتر أكبر، لأن الموجة سوف تُتم دورتها خلال مدة زمنية أقل. وبنفس المبدأ كلما كان طول الموجة أطول كلما كان التواتر أقل لأن دورة الموجة بحاجة لوقتٍ أطول لتكتمل.

الطيف الكهرومغناطيسي:

يمتد الاشعاع المغناطيسي عبر مدى واسع من أطول الموجات والتواترات المختلفة للإشعاعات. يُسمى هذا المدى بالطيف الكهرومغناطيسي وهو مقسّم إلى 7 مجالات مختلفة حسب تنازل أطوال الموجات وتصاعد الترددات وكمية الطاقة. هذه الأقسام هي: الأشعة الراديوية، الأشعة الميكروية، الأشعة تحت الحمراء، الأشعة المرئية ، الأشعة الفوق بنفسجية، الأشعة السينية، أشعة غاما.

عادةً يتم توصيف الأشعة ذات الطاقة المنخفضة على أساس تواترها (مثل أشعة الراديو)، أما الأشعة ذات الطاقة الأعلى يتم توصيفها حسب طول الموجة (مثل الأشعة الميكروية وتحت الحمراء والمرئية والفوق بنفسجية)، أما الأشعة ذات الطاقة العالية جداً فيتم توصيفها حسب كميّة الطاقة الموجودة في فوتون واحد (مثل الأشعة السينية وأشعة غاما).

فيما يلي بعض التفاصيل عن كل نوع من مناطق الطيف الكهرومغناطيسي:

1- الأشعّة الراديوية Radio waves:

تقع في المجال الأخفض من الطيف الكهرومغناطيسي، تواترها يصل الى 300 غيغا هرتز( 300x 10 ^9هرتز)، يمكن أن يصل طول موجتها إلى آلاف الكيلو مترات. تُستخدم عادة في الاتصالات ونقل البيانات وأجهزة الترفيه.

2-الأشعّة الميكروية Microwaves:

تقع ضمن الطيف الكهرومغناطيسي بين مجالي الأشعّة الراديوية والأشعة تحت الحمراء. يتراوح تواترها من 300 ميغا هرتز (300x 10^6 هرتز) إلى 300 غيغا هرتز. أطوال موجاتها بين 1 ميلي متر و1 متر. تُستخدم في اتصالات النطاق الترددي العريض والرادارات وكمصدر للحرارة في أجهزة المايكرويف المنزلية، كما أنَّ لها بعض التطبيقات الصناعية.

3- الأشعّة تحت الحمراء Infrared:

وهي مجال من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يقع بين الأشعة الميكروية والأشعة المرئية. ترددها بين300 غيغا هرتز و400 تيرا هرتز (400x 10^12 هرتز). طول موجاتها بين 760 نانو متر (760x 10^-9 ) و1 ميلي متر. هذه الأشعة غير مرئية بالنسبة للعين البشرية لكن يمكننا أن نحسّ بها على شكل حرارة إذا كانت شدتها كافية.

4- الأشعّة المرئية Visible light :

وهي مجال من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يقع بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ترددها بين (400 – 800) تيرا هيرتز وطول موجاتها (760 - 380) نانو متر. بشكل عام تُعتبر جميع الأشعة التي تلتقطها العين البشرية أشعة مرئية.

5- الأشعة فوق البنفسجية Ultraviolet :

وهي مجال من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يقع بين الأشعة المرئية والأشعة السينيّة. ترددها بين (8x10^14 و 3x10^16) هرتز وطول موجاتها (380 – 10) نانو متر. الأشعة الفوق بنفسجية هي من مكونات الأشعة الشمسية ولكنها غير مرئية للعين البشرية. لها استعمالات هائلة في الطب والصناعة رغم أن لها تأثير ضار على الأنسجة الحية .

6- الأشعّة السينيّة X-rays :

تُصنّف إلى نوعين: الأشعة السينيّة الناعمة، والأشعة السينيّة القاسية.

الأشعة السنية الناعمة وهي مجال من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يقع بين الأشعة الفوق بنفسجية وأشعة الغاما. ترددها بين (3x 10^16 و3x 10^18) هرتز، وطول موجاتها 10 نانو متر حتى 0٫1 نانو متر.

الأشعة السينيّة القاسية: تحتل تقريبًا نفس المجال الذي تحتله أشعة غاما من الطيف الكهرومغناطيسي، مع اختلاف بسيط بينهما هو أن مصدر الأشعة السينية القاسية هو الإلكترونات المتسارعة. في حين أن مصدر أشعة غاما هو نوى الذرات.

7- أشعّة غاما Gamma-rays :

وهي الأشعة التي تحتل مجالًا من الطيف الكهرومغناطيسي أعلى من الأشعة السينية الناعمة. تردداتها أعلى من3x 10^18 هرتز وطول موجتها أقصر من 0٫1 نانو متر. تُسبّب هذه الأشعة أضراراً جسيمة بالأنسجةِ الحية مما يجعلها مفيدة في قتل الخلايا السرطانية. حيث يجب الحرص على تطبيق كميات قليلة جدًا ومدروسة من هذه الأشعة في مساحاتٍ صغيرةٍ جدًا من الجسم. التعرض العشوائي لهذه الأشعة يُشكّل خطرًا شديدًا على البشر.

هوامش:

[1] ما هو الحقل في الفيزياء:

يلجأ الفيزيائيون إلى فكرة الحقل للتعبير عن علاقة القوة المطبقة على جسمٍ ما بدون حصول تماس مباشر بالضرورة مع مصدر هذه القوة، أو بمعنى أبسط للدلالة على “منطقة التأثير” المحيطة بجسم معين.

أي أن الحقل هو مجموعة نقاط الفراغ المحيط بمصدر قوة ما. بحيث يكون لكل نقطة قيمة معيّنة تَرمز لمقدار القوة واتجاه معين يرمز لاتجاه هذه القوة.

حسب نوع القوة يسمى الحقل. الجسم المغناطيسي يُشكّل قوة مغناطيسية وبالتالي حقل مغناطيسي. الجسم الذي له كتلة يكون له جاذبية وبالتالي له حقل جاذبية. وهكذا...

[2] الحقل الكهربائي:

عندما يقترب جسمٌ له شحنة كهربائية من جسمٍ آخر له شحنة أيضاً، فإنه سوف يؤثر عليه بقوةٍ معيّنة لها اتجاه معين حسب مكان الجسم الثاني، بالتالي نقول إن هناك حقل كهربائي مُحيط بالجسم الأول (حسب التعريف السابق)

[3] الحقل المغناطيسي:

يؤثر المغناطيس على القطع المعدنية المحيطة به بقوى معينة لها قيمة واتجاه حسب مكان تلك القطع. فيكون هناك حقل مغناطيسي في محيط المغناطيس.

المصادر: هنا

هنا

هنا