تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: الطيف الكهرومغناطيسي الفيزياء

في هذا الشارح، سنتعلَّم كيف نحلِّل الطيف الكهرومغناطيسي من خلال التعرُّف على أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي ومصادره ووصْفها.

عندما نتحدَّث عن الإشعاع الكهرومغناطيسي، فإننا نتحدث عن الضوء المرئي أيضًا؛ إذ يُعَد الضوء المرئي نوعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

لنتحدَّث عن مصادر الضوء. أحد مصادر الضوء التي نتعرَّض لها في حياتنا اليومية هو الشمس. كما نستخدم الضوء الصناعي الصادر عن المصابيح، ونستخدم شاشة الكمبيوتر التي ينبعث منها الضوء. جميع هذه المصادر تتبع الآلية الفيزيائية الأساسية نفسها التي تُنتِج الضوء وهي: تعجيل الإلكترونات.

الضوء في الواقع عبارة عن مزيج من المجالين الكهربي والمغناطيسي، ولهذا فالضوء ليس سوى إشعاع كهرومغناطيسي.

مثلها مثل الموجات الأخرى، تحمل الموجات الكهرومغناطيسية طاقة. وإحدى العوامل التي تعتمد عليها كمية الطاقة التي تنقلها الموجة هي سعة الموجة.

كما هو موضَّح في الشكل السابق، فإن سعة الموجة 𝐴 تُقاس من نقطة الصفر إلى قمة الموجة. وكلما زادتْ قيمة 𝐴 زادتِ الطاقة التي تنقلها الموجة.

في الشكل السابق، يوضِّح الخط الأحمر المتقطع موجة ثابتة، ويوضِّح الخط المُتَّصل الأزرق الموجة نفسها، لكنْ بسعة متزايدة باستمرار. على يسار الشكل، تحمل الموجة ذات الخط الأحمر المتقطِّع طاقة أكبر من الموجة ذات الخط الأزرق المُتَّصل. وعندما نَصِل إلى الطرف الأيمن من الشكل، نجد أن طاقة الموجة التي يمثِّلها الخط الأزرق المُتَّصل أكبر من طاقة الموجة ذات الخط الأحمر المتقطِّع.

معنى هذا فيزيائيًّا أن السعة تمثِّل سطوع الضوء. فإذا كنَّا نَقِيس الضوء الصادر من مصباح مزوَّد بمفتاح للتحكُّم في السطوع، فإن تأثير زيادة سطوع الضوء ينجم عن زيادة سعة الموجة الكهرومغناطيسية الناتجة عن المصباح. وهذا لا يغيِّر شيئًا في طبيعة الضوء، فهو يزيد شدَّته فقط.

لنتناول خاصية أخرى لهذه الموجات الكهرومغناطيسية، وهي طولها الموجي. الطول الموجي هو المسافة بين قمَّتَيْ موجة، وعادة ما يُرمَز له بالرمز 𝜆، وهو الحرف اليوناني لامدا. وبما أن الطول الموجي مسافة، يُعبَّر عنه بنفس وحدات قياس أيِّ مسافات أخرى (مثل المتر).

تعريف: الطول الموجي

الطول الموجي للموجة هو المسافة بين قمتين متتاليتين (أو قاعَيْن متتاليين) للموجة نفسها.

ويُعبَّر عن الطول الموجي بوحدات مسافة مثل المتر، ويُمثَّل عادةً بالرمز 𝜆.

في الشكل السابق، يُمكننا قياس الطول الموجي بقياس المسافة بين أيِّ قمَّتين أو قاعَيْن متتاليين. ويظلُّ الطول الموجي، 𝜆، ثابتًا أيًّا كانت القمة التي نتَّخِذها مرجعًا للقياس.

تحمل الموجات ذات الأطوال الموجية الأقصر طاقةً أكبر، وتحمل الموجات ذات الأطوال الموجية الأطول طاقةً أقلَّ.

يُمكن أن تتَّخِذ الموجات الكهرومغناطيسية مجموعة واسعة النطاق من الأطوال الموجية. ويؤدِّي تغيير الطول الموجي للموجة إلى تغيير خواصها جذريًّا، على عكس تغيير السعة. ولذا نقسِّم الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى فئات حسب الطول الموجي. ويُعرَف النطاق الكامل للأطوال الموجية المحتملة للموجات الكهرومغناطيسية باسم الطيف الكهرومغناطيسي.

لمساعدتنا في وصْف الأجزاء المختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي، فإننا عادة ما نقسِّمه إلى سبعة أقسام. ويُساعِدنا هذا في فهْم أصل الطيف الكهرومغناطيسي وخواصه، لكنْ من المُهِمِّ ملاحظة أنه لا تُوجَد حدود مادية بين هذه الفئات.

الصورة الأكثر شيوعًا للموجات الكهرومغناطيسية هي الضوء المرئي. وهذا يُغطِّي نطاق الأطوال الموجية التي يُمكن أن تراها أعيُننا: ويتراوح بين 4×10 m و7×10 m تقريبًا. وتمثِّل الأطوال الموجية المختلفة ضمن هذا النطاق الألوان المختلفة التي نراها بأعيُننا. أقصر طول موجي للضوء المرئي يساوي 𝜆4×10m، وهو اللون البنفسجي كما نراه. وعلى النقيض من ذلك، فإن أطول طول موجي للضوء المرئي يساوي 𝜆7×10m، وهو اللون الأحمر كما نراه.

يوضِّح الجدول الآتي النطاق الكامل لألوان الضوء المرئي والأطوال الموجية المناظِرة لها.

يتولَّد معظم الضوء المرئي من نجوم مثل الشمس.

الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو الطاقة الأعلى في النطاق المرئي هو البنفسجي. وإذا كان الإشعاع يحمل طاقة أكثر قليلًا، أو له طول موجي أقصر قليلًا، فإنه يقع ضمن نطاق طيف الأشعة فوق البنفسجية. الأشعة فوق البنفسجية لها طول موجي يساوي 𝜆10m. وكما هو الحال مع الضوء المرئي، تتولَّد الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، وهي التي تسبِّب حروق الشمس.

الإشعاع ذو الطاقة الأعلى 𝜆10m يُطلَق عليه الأشعة السينية. ويُمكن أن تمرَّ الأشعة السينية خلال المواد الليِّنة مثل اللحم، ولهذا فهي تُستخدَم لتكوين صُوَر أشعة للعظام. حيث تتولَّد عندما تتباطأ الإلكترونات.

الموجات ذات الطاقة الأعلى، التي يبلغ طولها الموجي 𝜆<10m تُدعَى أشعة جاما. وتَنتُج أشعة جاما عند اضمحلال نوى الذرات.

بالرجوع إلى الضوء المرئي، يُمكن أيضًا أن نحصل على إشعاع كهرومغناطيسي ذي طاقة أقلَّ، أو أطوال موجية أطول. أطول طول موجي للضوء المرئي لدينا هو الأحمر؛ لذا إذا كان لدينا أشعة لها أطوال موجية أطول قليلًا من الضوء الأحمر، أو 𝜆10m، فإننا نُسمِّيها الأشعة تحت الحمراء.

تَنتُج الأشعة تحت الحمراء بالأساس من الحركة الحرارية للذرات والجزيئات؛ ومن ثَمَّ فهي تتولَّد من أيِّ شيء دافئ. وتُنتِج الشمس بعضًا من الأشعة تحت الحمراء، لكنها تنبعث أيضًا من الكواكب والبشر والحيوانات. وهذا يُفسِّر إمكانية استخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء لتحديد أماكن الأشخاص والحيوانات في الظلام.

عند الأطوال الموجية الأطول، نحصل على الأشعة الميكروية ذات الطول الموجي 𝜆10m. وهذا هو نوع الموجات الكهرومغناطيسية التي تُنتِجها أفران الميكروويف. قد يبدو من غير المنطقي أن تكون موجات الميكروويف منخفِضة الطاقة نسبيًّا، ولكن هذا هو الطول الموجي المناسب لإثارة جزيئات الماء، وهو ما يؤدِّي إلى تسخينها. والمصدر الأكثر شيوعًا لموجات الميكروويف هو التيار الكهربي المتردِّد (AC).

وأخيرًا: عند الأطوال الموجية الأطول والأقل طاقة، لدينا موجات الراديو. الطول الموجي لموجات الراديو 𝜆>1m. ويُمكن أيضًا إنتاجها من خلال تيارات كهربية متردِّدة ذات تردُّدات أقلَّ من تلك التي تُنتِج موجات الميكروويف. كما تُستخدَم موجات الراديو في الاتصالات لنقْل إشارات الراديو والتليفزيون. ولهذا السبب، ثمَّة اعتقاد خطأ شائع بأنها موجات صوتية. لكنها في الواقع موجات كهرومغناطيسية تُشبه تمامًا الضوء المرئي.

النطاق الكامل لأنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي يكوِّن الطيف الكهرومغناطيسي. وفيما يأتي ملخَّص للتفاصيل المذكورة سابقًا.

الطيف الكهرومغناطيسي
أقصر طول موجي أطول طول موجي
أعلى طاقة أقلُّ طاقة
النوعأشعة جاماالأشعة السينيةالأشعة فوق البنفسجيةالضوء المرئيالأشعة تحت الحمراءالأشعة الميكرويةموجات الراديو
الطول الموجي 𝜆()m<101010101010>1
المصدرالاضمحلال النوويتباطؤ الإلكتروناتالشمسالشمسالحركة الحرارية للذرات والجزيئاتالتيار المتردِّدالتيار المتردِّد

دعونا نتدرَّب على مفهوم الطيف الكهرومغناطيسي من خلال تناول بعض الأمثلة.

مثال ١: المقارنة بين الأطوال الموجية لأنواع الموجات الكهرومغناطيسية

ما اسم نوع الإشعاع الكهرومغناطيسي ذي الأطوال الموجية الأطول؟

الحل

يدور هذا السؤال حول أنواع الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي. للإجابة عن هذا السؤال، يجب علينا تذكُّر أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي السبعة طبقًا لترتيب أطوالها الموجية. وهي أشعة جاما، والأشعة السينية، والموجات فوق البنفسجية، والضوء المرئي، وموجات الأشعة تحت الحمراء، والأشعة الميكروية، وموجات الراديو.

ومن ثَمَّ، فإن نوع الإشعاع الكهرومغناطيسي ذي الطول الموجي الأطول هو موجات الراديو.

مثال ٢: المقارنة بين الأطوال الموجية لأنواع الموجات الكهرومغناطيسية

يوضِّح الجدول مجموعة من أنواع الموجات الكهرومغناطيسية والقِيَم الأُسِّية لأطوالها الموجية.

الراديوالميكرويةتحت الحمراءالمرئيةفوق البنفسجيةالأشعة السينيةأشعة جاما
>1m10 m10 m10 m10 m10 m<10m

  1. باستخدام القِيَم الموضَّحة في الجدول، ما عدد الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية التي يساوي طولها الكلي طولًا موجيًّا واحدًا من الأشعة تحت الحمراء؟ أوجد الإجابة بالصيغة العلمية.
  2. باستخدام القِيَم الموضَّحة في الجدول، ما عدد الأطوال الموجية لأطول طول موجي لأشعة جاما التي يساوي طولها الكلي طولًا موجيًّا واحدًا من الأشعة السينية؟ أوجد الإجابة بالصيغة العلمية.

الحل

في هذا المثال، لدينا الطول الموجي لكلِّ نوع من أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي المختلفة، وعلينا المقارنة بين الأطوال الموجية لتلك الأنواع المختلفة.

الجزء الأول

يطلب منَّا الجزء الأول من السؤال عدد الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية التي تتساوى مع طول موجي واحد من الأشعة تحت الحمراء. أولًا: علينا البحث عن الأطوال الموجية ذات الصلة: الأشعة فوق البنفسجية لها طول موجي يساوي 10 m، والأشعة تحت الحمراء لها طول موجي يساوي 10 m.

علينا إيجاد عدد الأطوال الموجية التي تساوي 10 m التي يحتويها الطول الموجي 10 m، وهذا بمثابة السؤال عن ناتج قسمة 10 m على 10 m.

ثمَّة حيلة مُفيدة يجب أن نتذكَّرها عند إجراء عمليات حسابية مثل هذه تتضمَّن أُسسًا، وهي كالآتي: 1010=10.

في هذه الحالة، 5(8)=3 إذن لدينا: 1010=10.mm

لاحِظ أن وحدتَيِ المتر تَظهَران في بسط الكسر ومقامه؛ ومن ثَمَّ يُلغي كل منهما الآخر ليصبح العدد النهائي بلا وحدات.

الجزء الثاني

يطلب منَّا الجزء الثاني من السؤال إيجاد عدد الأطوال الموجية لأطول طول موجي لأشعة جاما التي يساوي طولها الكلي طولًا موجيًّا واحدًا من الأشعة السينية.

إذا بحثنا عن الطول الموجي لأشعة جاما، سنجد أنه 10>m؛ لذا سيكون أطول طول موجي لأشعة جاما 10 m. والطول الموجي للأشعة السينية يساوي 10 m.

باستخدام الطريقة نفسها التي استخدمناها سابقًا، يُمكننا كتابة: 1010=10.m

لذا فالإجابة هي أن 10 من الأطوال الموجية لأطول طول موجي لأشعة جاما يساوي طولها الكلي طولًا موجيًّا واحدًا من الأشعة السينية.

مثال ٣: فهْم مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي

أيُّ الاختيارات الآتية يُمكن أن يكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء؟

  1. التيارات الكهربية المتردِّدة.
  2. التيارات الكهربية المستمرَّة.
  3. اضمحلال النوى الذرية
  4. الحركة الحرارية للذرات والجزيئات
  5. جميع الاختيارات غير صحيحة.

الحل

لدينا هنا قائمة بمصادر محتملة للإشعاع، وعلينا أن نحدِّد أيٌّ منها يُمكن أن يمثِّل مصدرًا للأشعة تحت الحمراء.

الخيار (أ)، التيارات الكهربية المتردِّدة، وهي تُعَدُّ مصدرًا للإشعاع الكهرومغناطيسي، لكن طولها الموجي أطول من الأشعة تحت الحمراء، وعادة ما تكون في نطاق الموجات الميكروية.

تُنتِج التيارات الكهربية المستمرَّة، أي الخيار (ب)، إشعاعًا كهرومغناطيسيًّا عند تشغيلها وإيقاف تشغيلها، لكنَّ أطوالها الموجية أكثر طولًا، وعادة ما تكون في نطاق موجات الراديو.

الخيار (ج) هو اضمحلال النوى الذرية، وهي عملية تُعرَف باسم الانشطار النووي؛ حيث تتفكَّك نواة الذرة. ويَنتُج عن ذلك كميات هائلة من الطاقة في صورة إشعاع كهرومغناطيسي، لكنَّ هذه الطاقة مرتفعة للغاية، بحيث لا يُمكن أن يكون الإشعاع في النطاق الطيفي للأشعة تحت الحمراء. وهذه هي أشعة جاما.

الخيار (د) هو الحركة الحرارية للذرات والجزيئات. وهذا يعني الطاقة التي تحملها الذرات والجزيئات بفعل درجة حرارتها، وهو ما يؤدِّي إلى انبعاث أنواع معيَّنة من الإشعاع. ويُمكن أن يقع هذا الإشعاع في نطاق طيف الأشعة تحت الحمراء. وهذا هو السبب في أن جسم الإنسان يُضيء أكثر من الطاولة عند رؤيته عبر كاميرا الأشعة تحت الحمراء: فنحن نُصدر مقدارًا أكبر من الأشعة تحت الحمراء، لأن درجة حرارتنا أعلى من درجة حرارة الغرفة.

وعليه فإن الخيار (هـ) الذي ينصُّ على أن جميع الاختيارات غير صحيحة، لا بدَّ أن يكون خطأ، فالإجابة هي الخيار (د)؛ إذ يُمكن أن تُمثِّل الحركة الحرارية للذرات والجزيئات مصدرًا للأشعة تحت الحمراء.

النقاط الرئيسية

  • الإشعاع الكهرومغناطيسي هو الاسم الذي يُطلَق على الإشعاع الصادر عند تسارع الإلكترونات. ويُعَد الضوء المرئي نوعًا منه.
  • الطول الموجي للموجة هو المسافة بين قمَّتين. وعادة ما يُرمز له بالرمز 𝜆.
  • الموجات ذات الأطوال الموجية الأقصر لها طاقة أكبر من الموجات ذات الأطوال الموجية الأطول.
  • يُمكن تلخيص أنواع الموجات الكهرومغناطيسية، والأطوال الموجية المُناظِرة لها، والمصادر الشائعة لتلك الموجات في الجدول الآتي.
    الطيف الكهرومغناطيسي
    أقصر طول موجي أطول طول موجي
    أعلى طاقة أقلُّ طاقة
    النوعأشعة جاماالأشعة السينيةالأشعة فوق البنفسجيةالضوء المرئيالأشعة تحت الحمراءأشعة الميكروويفموجات الراديو
    الطول الموجي 𝜆()m<101010101010>1
    المصدرالاضمحلال النوويتباطؤ الإلكتروناتالشمسالشمسالحركة الحرارية للذرات والجزيئاتالتيار المتردِّدالتيار المتردِّد

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.