شارح الدرس: الطيف الكهرومغناطيسي الفيزياء • الصف الثاني الثانوي

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 تُقاس من نقطة الصفر إلى قمة الموجة. وكلما زادتْ قيمة 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 ، وهو الحرف اليوناني لامدا. وبما أن الطول الموجي مسافة، يُعبَّر عنه بنفس وحدات قياس أيِّ مسافات أخرى (مثل المتر).

في الشكل السابق، يُمكننا قياس الطول الموجي بقياس المسافة بين أيِّ قمَّتين أو قاعَيْن متتاليين. ويظلُّ الطول الموجي، ، 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 m و m تقريبًا. وتمثِّل الأطوال الموجية المختلفة ضمن هذا النطاق الألوان المختلفة التي نراها بأعيُننا. أقصر طول موجي للضوء المرئي يساوي ، وهو اللون البنفسجي كما نراه. وعلى النقيض من ذلك، فإن أطول طول موجي للضوء المرئي يساوي ، 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 . وكما هو الحال مع الضوء المرئي، تتولَّد الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، وهي التي تسبِّب حروق الشمس.

الإشعاع ذو الطاقة الأعلى 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 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 ، 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 . 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 . 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.

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