شارح الدرس: الطيف الكهرومغناطيسي الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحلِّل الطيف الكهرومغناطيسي من خلال التعرُّف على أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي ومصادره ووصفها.

عندما نتحدَّث عن الإشعاع الكهرومغناطيسي، فإننا نستخدم في الواقع تعبيرًا علميًّا للإشارة إلى «الضوء».

هيا نبدأ بالتحدُّث عن مصدر الضوء. أحد مصادر الضوء التي نراها في حياتنا اليومية هي الشمس. ونستخدم أيضًا الضوء الاصطناعي المنبعث من المصابيح الكهربية وشاشات الكمبيوتر. كل هذه المصادر تربط بينها آلية فيزيائية أساسية واحدة ينتج عنها الضوء، وهي تسارُع الإلكترونات.

الضوء في الواقع عبارة عن اهتزاز مجالين؛ المجال الكهربي والمجال المغناطيسي؛ ولهذا السبب يُعرَف الضوء أيضًا بالإشعاع الكهرومغناطيسي.

وكما هو الحال مع الموجات الأخرى، تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة. وأحد أسباب تغيُّر كمية الطاقة التي تنقلها أي موجة هو سعة هذه الموجة.

كما هو موضَّح في الشكل السابق، تُقاس سعة الموجة، ، من الصفر إلى قمة الموجة. وكلما زادت قيمة ، زادت كمية الطاقة التي تنقلها الموجة.

في الشكل السابق، يمثِّل الخط الأحمر المتقطِّع موجة ثابتة، ويمثِّل الخط الأزرق المتصل الموجة نفسها، ولكن بسعة متزايدة. على الطرف الأيسر من الشكل، نلاحظ أن للموجة الممثَّلة بالخط الأحمر المتقطِّع طاقة أكبر من طاقة الموجة الممثَّلة بالخط الأزرق المتصل. لكن عندما نصل إلى الطرف الأيمن من الشكل، نجد أن الموجة الممثَّلة بالخط الأزرق المتصل لها طاقة أكبر من طاقة الموجة الممثَّلة بالخط الأحمر المتقطِّع.

ما يعنيه ذلك فيزيائيًّا هو أن السعة هي درجة سطوع الضوء. إذا كنا نقيس شدة الضوء المنبعث من مصباح له مفتاح للتحكُّم في السطوع، فإن تأثير زيادة سطوع الضوء يرجع إلى زيادة سعة الموجة الكهرومغناطيسية الناتجة عن المصباح. وهذا لا يغيِّر شيئًا من طبيعة الضوء؛ إنه فقط يزيد من شدته.

إحدى الخواص الأخرى للموجات الكهرومغناطيسية هي طولها الموجي. والطول الموجي هو المسافة بين أي قمتين متتابعين في الموجة، ويُشار إليه عادةً بالرمز ، وهو الحرف اليوناني لامدا. بما أن الطول الموجي مسافة، فإن وحدة قياسه هي نفس وحدة قياس أي مسافة أخرى (مثل المتر).

في الشكل السابق، نقيس الطول الموجي عن طريق قياس المسافة من أي قمة إلى القمة التي تليها أو أي قاع إلى القاع الذي يليه. ويظل الطول الموجي، ، هو نفسه دون النظر إلى القمة التي نختار القياس منها.

تحمل الموجات ذات الأطوال الموجية القصيرة طاقة أكبر، وتحمل الموجات ذات الأطوال الموجية الطويلة طاقة أقل.

يمكن أن يكون للموجات الكهرومغناطيسية العديد من الأطوال الموجية المختلفة. وأي تغيُّر في الطول الموجي للموجة يؤدِّي إلى تغيُّر خواصها تغيُّرًا جذريًّا؛ الأمر الذي لا يحدث مع تغيُّر سعتها. لذلك يمكننا تقسيم الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى فئات حسب طوله الموجي. ويُعرَف النطاق الكامل للأطوال الموجية المحتملة للضوء باسم الطيف الكهرومغناطيسي.

لمساعدتنا في الحديث عن الأجزاء المختلفة للطيف الكهرومغناطيسي، نقسِّمه عادةً إلى سبعة أقسام. ويفيدنا ذلك في فهم مصدر الطيف الكهرومغناطيسي وخواصه، لكن من المهم ملاحظة أنه لا يوجد حد فاصل فعلي بين هذه الفئات.

أكثر صور الضوء التي نصادفها شيوعًا هو الضوء المرئي. ويشمل الضوء المرئي نطاق الأطوال الموجية التي يمكن أن تراها العين البشرية: من m إلى m تقريبًا. والأطوال الموجية المختلفة التي يتضمَّنها هذا النطاق هي ما نراه في صورة ألوان مختلفة. أقصر طول موجي للضوء في النطاق المرئي هو ، وهو ما نراه بنفسجي اللون. وفي الطرف الآخر من النطاق المرئي للطيف، نجد أطول طول موجي، ، وهو ما نراه أحمر اللون.

يوضِّح الجدول الآتي النطاق الكامل للضوء المرئي والأطوال الموجية المناظرة لكل جزء منه.

يتولَّد أغلب الضوء المرئي من نجوم مثل الشمس.

الإشعاع الكهرومغناطيسي الأعلى طاقةً في النطاق المرئي هو الضوء البنفسجي. وإذا كان الإشعاع يحمل طاقة أكبر قليلًا، أو له طول موجي أقصر قليلًا، فإنه يقع في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (أي «بعد البنفسجية») في الطيف. الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية، أو UV، هو . وكما هو الحال مع الضوء المرئي، تتولَّد الأشعة فوق البنفسجية من الشمس، وهي السبب في الإصابة بحروق الشمس.

الإشعاع الذي له طاقة أعلى من ذلك، ، يُسمَّى الأشعة السينية. يمكن للأشعة السينية النفاذ من المواد اللينة، مثل اللحم؛ ولهذا فهي تُستخدَم لتصوير العظام. وتتولَّد هذه الأشعة عند تباطؤ الإلكترونات.

توجد منطقة طاقة أعلى أيضًا لأشعة أطوالها الموجية ، وهي أشعة جاما. تَنتج أشعة جاما عن اضمحلال نوى الذرات.

بالعودة إلى الضوء المرئي، نجد أنه يوجد كذلك إشعاعات كهرومغناطيسية بطاقات أقل، أو أطوال موجية أطول. أطول طول موجي للضوء المرئي هو الطول الموجي للضوء الأحمر كما ذكرنا؛ لذا إذا كانت لدينا أشعة بطول موجي أطول قليلًا من الضوء الأحمر، أو ، فإننا نقول إنها تحت الحمراء (أي «دون الحمراء»).

المصدر الرئيسي للأشعة تحت الحمراء هو الحركة الحرارية للذرات والجزيئات؛ ومن ثَمَّ، فإنها تتولَّد من أي جسم دافئ. تَنتج بعض الأشعة تحت الحمراء من الشمس، لكنها قد تنبعث أيضًا من الكواكب والإنسان والحيوان. ولهذا السبب، يمكن استخدام الكاميرات الحرارية لتحديد أماكن الأشخاص والحيوانات في الظلام.

عند الأطوال الموجية الأطول، نجد الأشعة الميكروية التي لها الطول الموجي . هذه الأشعة نوعٌ من الموجات الكهرومغناطيسية تَنتج داخل أفران الميكروويف. وعلى عكس ما قد نتوقَّع، تحمل الأشعة الميكروية طاقة منخفضة نسبيًّا، لكن طولها الموجي مناسب بما يكفي لإثارة جزيئات الماء، ما يتسبَّب في تسخينها. والمصدر الأكثر شيوعًا للأشعة الميكروية هو التيارات الكهربية المتردِّدة.

وأخيرًا، عند المنطقة ذات أطول طول موجي وأقل طاقة، توجد موجات الراديو. الطول الموجي لموجات الراديو هو . ويمكن أن تَنتج هذه الموجات أيضًا من التيارات الكهربية المتردِّدة ذات التردُّد الأقل من تردُّد التيارات التي تُنتج الأشعة الميكروية. تُستخدَم موجات الراديو كذلك في الاتصالات لنقل الإشارات الإذاعية والتلفزيونية. ولهذا السبب، ثمة اعتقاد خطأ شائع بأنها موجات صوتية. لكنها في الواقع موجات كهرومغناطيسية شأنها شأن الضوء المرئي.

النطاق الكامل لأنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي يكوِّن الطيف الكهرومغناطيسي. يوضِّح الجدول الآتي ملخصًا لكل ما ذكرناه فيما سبق.

هيا نتدرَّب الآن على تحليل الطيف الكهرومغناطيسي بتناول بعض الأمثلة.