شارح الدرس: الأشعة تحت الحمراء الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نصف تأثير درجة حرارة جسم ما وسمات سطحه على انبعاث الأشعة تحت الحمراء من هذا الجسم وامتصاصه لها.

الطيف الكهرومغناطيسي هو مجموعة تشمل جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي، المعروف أكثر باسم الضوء. ويعتمد الاسم الذي يطلق على الضوء على طوله الموجي، كما هو موضح في المخطط التالي.

سيركز هذا الشارح على المنطقة التي تقع بين الضوء المرئي والموجات الميكروية، وهي الأشعة تحت الحمراء (التي يشار إليها فيما يلي بـ IR). يكون الطول الموجي للضوء الذي تبدأ عنده الأشعة تحت الحمراء عند أقل جزء من الضوء المرئي، وهو اللون الأحمر. وهذا يساوي تقريبًا 700 nm ويستمر حتى يصل إلى الموجات الميكروية التي يتراوح طولها الموجي عند حوالي 1 mm.

الأشعة تحت الحمراء مثيرة للاهتمام بسبب كيفية تفاعلها مع الحرارة. عندما يكون للجسم درجة حرارة، فإنه يبعث أشعة تحت الحمراء. هذا يعني أن كل جسم تراه يبعث ضوءًا، لكن بأطوال موجية لا يمكن للإنسان كشفها. وهذه هي التكنولوجيا التي تعتمد عليها كاميرات الرؤية الليلية: فهي قادرة على كشف الأشعة تحت الحمراء من الوسط المحيط.

تبعث الأجسام الأكثر سخونة قدرًا أكبر من الأشعة تحت الحمراء، وتبعث الأجسام الأكثر برودة قدرًا أقل من الأشعة. الحالة الوحيدة التي لا يبعث فيها الجسم أشعة تحت الحمراء عندما لا يكون له درجة حرارة على الإطلاق، أي عند الصفر المطلق. عندما تضع يدك بالقرب من مقلاة ساخنة، تأتي الحرارة التي تشعر بها من ضوء غير مرئي في طيف الأشعة تحت الحمراء وهو ما يسخن يدك. يوضح الشكل التالي المقلاة نفسها في غرفة مظلمة، حيث يقارن بين الضوء المرئي وضوء الأشعة تحت الحمراء الذي يبعثه. تعني الألوان الأفتح مزيد من الضوء.

لا تبعث المقلاة أي ضوء مرئي، إنها تبعث فقط أشعة تحت الحمراء.

يرتبط المعدل الذي يمكن أن يبعث به الجسم الأشعة تحت الحمراء بمدى قدرته على امتصاصها. يمكن للأجسام التي تمتص الأشعة تحت الحمراء وتسخن بسرعة أن تبعثها بسرعة أيضًا. وعندما يتفاعل الضوء مع جسم ما، فهذا ليس مجرد امتصاص. توجد ثلاث طرق رئيسية يمكن أن يتفاعل بها الضوء مع جسم، كما هو موضح بالأسفل.

يحدث الانعكاس، عندما ينعكس الضوء عن سطح ما، مثل مرآة، أو ينعكس عن سطح مصقول أو رطب. إذا كان السطح عاكسًا، فإن الأشعة تحت الحمراء سترتد عنه، ما يجعله باردًا نسبيًا. فهو لا يستطيع امتصاص الكثير من الضوء.

النفاذ هو عندما يمر الضوء عبر مادة، مثل نفاذ أشعة الشمس عبر النافذة. إذا مرت الأشعة تحت الحمراء عبر جسم، فهذا يعني أنها لم تنقل الحرارة على نحو فعال.

ويحدث الامتصاص عند يمتص الجسم الضوء الساقط عليه، ومثالًا على ذلك طلاء الجدران الأسود الذي يجعل الغرفة تبدو أكثر ظلامًا. الأجسام ذات الألوان الداكنة تمتص كثيرًا من الضوء، لذلك تكون أفضل في امتصاص وبعث الأشعة تحت الحمراء والحرارة.

هذا يعني أن اللون مؤشر مهم على مقدار الأشعة تحت الحمراء الممتصة والمنبعثة.

لنلق نظرة على مثال.

إلى جانب اللون، العامل الثاني الذي يؤثر على مقدار امتصاص الأشعة تحت الحمراء أو انبعاثها هو انعكاسية السطح. المادة عالية الانعكاسية أو اللامعة، مثل حجر السبج، تمتص وتبعث الأشعة تحت الحمراء بصورة ضعيفة، على الرغم من أن لونها أسود غامق.

وفي المقابل، الأسطح الخشنة مثل القماش والنسيج لن تعكس الأشعة تحت الحمراء جيدًا، وإنما تمتصها جيدًا. كما أنها ستبعث الأشعة تحت الحمراء بسهولة أكبر، ما يجعلها مادة مثالية لتدفئة الأسِرَّة.

لنلق نظرة على مثال.

والعامل الثالث هو درجة حرارة الجسم. لا تؤثر درجة الحرارة على امتصاص الأشعة تحت الحمراء، بل تؤثر على انبعاثها. وأي جسم له درجة حرارة، ما دامت فوق الصفر المطلق، فإنه سيبعث أشعة تحت الحمراء. وتبعث الأجسام الأكثر سخونة المزيد من الأشعة تحت الحمراء، وتتضح من خلال الضوء المنبعث من الأجسام. ويعني اللون الأفتح قدرًا أكبر من الأشعة تحت الحمراء.

أما الأجسام الأكثر سخونة، فتبعث المزيد من الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى أطوال موجية أوسع. على سبيل المثال، فيما يلي تمثيل بياني يوضح شدة (مقدار من الضوء) على المحور والطول الموجي (لنوع من الضوء) على المحور . ويعرض التمثيل البياني الجسم نفسه عند ثلاث درجات حرارة مختلفة: (أ) و(ب)، و(ج).

درجة الحرارة (أ) أكثر سخونة من درجة الحرارة (ب)، ودرجة الحرارة (ب) أكثر سخونة من درجة الحرارة (ج). تغطي الأشعة تحت الحمراء مجموعة كبيرة من الأطوال الموجية من 700 nm إلى 1 mm، وهو ما يعني أن درجات الحرارة الأكثر سخونة تبعث المزيد من الأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية مختلفة.

العامل الرابع الذي يؤثر على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وانبعاثها هو مساحة السطح. ببساطة، لا تنبعث الأشعة تحت الحمراء وتمتص إلا على سطح الجسم: ولا يهم ما بداخله. إذن، الجسم الأكبر هو الأكثر قدرة على بعث الأشعة تحت الحمراء، وله أيضًا مساحة أكبر لامتصاص الأشعة تحت الحمراء القادمة.

يوضح الشكل أعلاه جسمًا صغيرًا، ثم جسمًا أكبر، ثم جسمًا أكبر به ثقوب، وكلها لها درجة الحرارة نفسها. تكون الأجسام الأكبر أكثر قدرة على بعث الأشعة تحت الحمراء وامتصاصها من الجسم الأصغر، ويكون الجسم الذي به فتحات هو الأفضل، وذلك بسبب مساحة سطحه الكبيرة التي توفرها الثقوب.

العديد من الزواحف لها ثنيات جلدية تتمدد وتنكمش، ما يسمح لها بتدفئة نفسها بسرعة تحت أشعة الشمس أو تبريد نفسها حسب الحاجة. ومن الأمثلة القصوى على ذلك، حيوان الديميترودون المنقرض، الذي كانت لديه ثنية جلدية كبيرة سمحت له بتدفئة نفسه أو تبريدها بسرعة كبيرة حسب حاجته، ما ميزه عن الحيوانات الأخرى خلال حقبة الحياة القديمة.

والآن بعد أن عرفنا العوامل التي تؤثر على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وانبعاثها، يمكننا أن نبدأ بالنظر إلى الأجسام التي نصادفها في الحياة اليومية في مجموعة متنوعة من البيئات، ونحدد بوجه عام مدى امتصاصها أو انبعاثها للأشعة تحت الحمراء.

تمتص قطعة قماش داكنة اللون، مثل صوف مصبوغ، الأشعة تحت الحمراء أفضل من قطعة قماش أنعم ذات لونح أفتح مثل النايلون. لن يمتص الجزء الداخلي العاكس من وعاء حافظ للحرارة كمية كبيرة من الأشعة تحت الحمراء، ما يبقي الحرارة في السائل بدلًا من نقلها خارج الوعاء.

لنلق نظرة على بعض الأمثلة.

مثال ٤: الإشعاع الحراري لزجاجة مياه

عُرِّضت زجاجة تحتوي على ماء لضوء شمس ثابت الشدة، فامتصت الأشعة تحت الحمراء. أثناء تعرُّض الزجاجة لأشعة الشمس، ظلَّت درجة حرارة الماء ثابتة. أيُّ عبارة من العبارات الآتية صواب؟

1. يمتص الماء طاقة من الأشعة تحت الحمراء أكبر من الطاقة التي يفقدها بالتبريد.
2. لا يكتسب الماء أي طاقة من ضوء الشمس.
3. يفقد الماء بالتبريد كمية أكبر من الطاقة التي يمتصها من الأشعة تحت الحمراء.
4. يفقد الماء بالتبريد نفس كمية الطاقة التي يمتصها من الأشعة تحت الحمراء.
5. لا يؤثر امتصاص الأشعة تحت الحمراء وانبعاثها على درجة الحرارة.

الحل

إذا امتص الماء طاقة من الإشعاع تفوق الطاقة التي فقدها بالتبريد، فستبدأ درجة حرارته في الارتفاع، لكن درجة حرارته ثابتة. إذن الإجابة ليست (أ).

يمتص الماء الأشعة تحت الحمراء، إذن فهو يكتسب طاقة من أشعة الشمس، ومن ثم فالإجابة ليست الخيار (ب).

إذا فقد الماء بالتبريد طاقة أكبر من الطاقة التي يكتسبها من الشمس، فسيبرد، لكن درجة حرارته ثابتة. إذن الإجابة ليست (ج).

يؤثر امتصاص وانبعاث الأشعة تحت الحمراء بالتأكيد على درجة الحرارة، إذن الإجابة ليست (هـ).

ولكي تظل درجة حرارة زجاجة المياه ثابتة، على الرغم من اكتسابها الطاقة باستمرار من الشمس، لا بد أن تبرد بنفس معدل امتصاصها للأشعة تحت الحمراء. ومن ثم، فالإجابة هي (د).

مثال ٥: الإشعاع الحراري لمكعب بلاستيكي

وُضع جسم بلاستيكي في ضوء الشمس، شدته ثابتة، ويمتص الأشعة تحت الحمراء. خلال تعرض الجسم لأشعة الشمس، تقل درجة حرارته. أي العبارات التالية صواب؟

1. لا يستقبل البلاستيك أي طاقة من ضوء الشمس.
2. امتصاص وانبعاث الأشعة تحت الحمراء لا يؤثر على درجة الحرارة.
3. يفقد البلاستيك بالتبريد طاقة مساوية لطاقة الأشعة تحت الحمراء التي يمتصها.
4. يفقد البلاستيك بالتبريد طاقة أكبر من طاقة الأشعة تحت الحمراء التي يمتصها.
5. يمتص البلاستيك من الأشعة تحت الحمراء طاقة أكبر من الطاقة التي يفقدها بالتبريد.

الحل

يستقبل البلاستيك بالتأكيد طاقة من ضوء الشمس، إذ ذكر السؤال أنه يمتص الأشعة تحت الحمراء، ومن ثم فالإجابة ليست (أ).

يؤثر امتصاص وانبعاث الأشعة تحت الحمراء على درجة الحرارة، لذا فهو ليس الخيار (ب).

إذا فقد البلاستيك بالتبريد طاقة مساوية لطاقة الأشعة تحت الحمراء التي امتصها، فستظل درجة حرارته ثابتة، لكن السؤال ذكر أن حرارته تنخفض. إذن الإجابة ليست (ج).

إذا امتص البلاستيك من الأشعة الحمراء طاقة أكبر من الطاقة التي فقدها، فستزداد درجة حرارته؛ لكنها تنخفض، إذن فالإجابة ليست (هـ).

تقل درجة حرارة البلاستيك، ومن ثم، لا بد أنه يفقد طاقة أكبر من الطاقة التي يكتسبها. وبما أنه يكتسبها فقط عن طريق امتصاص الأشعة تحت الحمراء، فلا بد أنه يفقد بالتبريد طاقة أكبر من طاقة الأشعة تحت الحمراء التي يمتصها. إذن الإجابة هي الخيار (د).

لنلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.