نسخة الفيديو النصية
في هذا الدرس، سوف نتعلم كيف نحلل الطيف الكهرومغناطيسي من خلال التعرف على أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي ومصادره، ووصفها. وسنرى أنه بمجرد أن نفهم هذا الطيف، سنفهم أيضًا العديد من الظواهر الفيزيائية المحيطة بنا.
يمكننا البدء بالسؤال: ما مصدر الضوء؟ نعلم أن الشمس تصدر ضوءًا، وكذلك المصباح الكهربي، والتلفاز، وشاشة الكمبيوتر. ورغم وجود العديد من المصادر المختلفة للضوء، فإن ثمة آلية فيزيائية أساسية تربط جميع هذه المصادر معًا. وإذا نظرنا إلى مستوى الذرات المنفردة، فسنجد أن هذه الآلية هي عجلة الشحنة الكهربية، وتحديدًا الإلكترونات، عند انتقالها بين مستويات الطاقة في الذرة.
عندما يحدث هذا الانتقال، أي عندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة إلى آخر، يكون ذلك مصحوبًا عادة بانبعاث حزمة ضوئية صغيرة تسمى الفوتون. وعندما ينبعث فوتون، تعتمد خواصه، مثل طوله الموجي ومستوى طاقته، على كيفية إنتاجه؛ أي مدى انتقال الإلكترون، أو على النحو نفسه، قيمة العجلة التي تحرك بها الإلكترون.
يوجد سبب محدد لحديثنا هنا عن الفوتونات والضوء. إذا أنعمنا النظر في فوتون منبعث في عملية مثل هذه، فسنلاحظ أن هذه الحزمة الضوئية؛ أي هذا الفوتون، هو في الواقع مجموعة من المجالات المهتزة، وهي مجالات مغناطيسية ومجالات كهربية. عند الحديث عن هذه المجالات، نرمز أحيانًا إلى المجال الكهربي بحرف E كبير وإلى المجال المغناطيسي بحرف B كبير. ويمكننا أن نلاحظ إذن أن الضوء موجات كهرومغناطيسية. فهو مكون من مجال كهربي ومجال مغناطيسي. هذا يعني أن مصطلح الإشعاع الكهرومغناطيسي هو طريقة منمقة للتعبير عن الضوء. وإذا عرفنا مصدر الضوء، فسنعرف مصدر الإشعاع الكهرومغناطيسي. وهو الإشعاع الذي يصفه الطيف الكهرومغناطيسي.
بالعودة إلى الحديث عن الفوتون المنبعث، يشيع تمثيل الفوتون باستخدام خط متعرج، كالخط المرسوم هنا. والسبب في ذلك أن الفوتونات، كما ذكرنا سابقًا، لها طول موجي مرتبط بها. وكما يتضح، يعد الطول الموجي للفوتونات إحدى الطرق التي يمكننا ترتيب الطيف الكهرومغناطيسي طبقًا لها. ويشمل هذا الطيف كل الإشعاعات الكهرومغناطيسية الممكنة. عند أحد طرفي الطيف، وليكن هذا الطرف، لدينا إشعاع طوله الموجي قصير للغاية. وبالتحرك من اليسار إلى اليمين، يزداد الطول الموجي للضوء شيئًا فشيئًا. نلاحظ هنا أننا نستخدم الحرف اليوناني 𝜆 لنرمز إلى الطول الموجي. وهذا اختصار شائع.
تذكر أن الطيف الكهرومغناطيسي يمثل جميع الأطوال الموجية المحتملة للضوء. سنوضح هذا هنا باستخدام هذه الموجة التي تبدأ بطول موجي قصير يزداد أكثر فأكثر كلما اتجهنا من اليسار إلى اليمين. يهدف هذا الشكل الموجي إلى تمثيل جميع الأطوال الموجية المختلفة للضوء. وإذا رأينا صورة الطيف الكهرومغناطيسي من قبل، فلعلنا لاحظنا أنه ينقسم إلى مناطق مختلفة. فتوجد به منطقة للضوء المرئي، ومنطقة للأشعة السينية، ومنطقة للموجات الميكروية، إلى آخره.
في حين أنه من المفيد التفكير في الإشعاع الكهرومغناطيسي وفقًا لهذه المناطق أو الأقسام، فمن المهم أن ندرك أنه من الناحية الفيزيائية، لا وجود لهذا الفصل بين المناطق المختلفة. فبقدر ما يمتد الطيف، نلاحظ في الطبيعة أنه يمكن أن يكون للإشعاع أي طول موجي. لكن لغرضنا هنا، فإننا نقسم الطيف إلى مناطق متعددة لمساعدتنا في فهم هذه الأطوال الموجية المختلفة.
ينقسم الطيف عمومًا إلى منطقة، منطقتين، ثلاث، أربع، خمس، ست، سبع مناطق مختلفة. ويشمل فهم الطيف القدرة على تذكر اسم كل منطقة. إن معرفة أسماء هذه المناطق السبع ليست بالصعوبة التي نتخيلها. ما نفعله هو البدء بنوع واحد من الإشعاع الذي نتيقن من وجوده. وهو الإشعاع الذي يمكننا رؤيته بأعيننا، والمعروف بالضوء المرئي. وهو يقع في المنطقة الوسطى من الطيف. وتشمل هذه المنطقة جميع ألوان قوس قزح؛ الأحمر، والأخضر، والأزرق، والنيلي، والبنفسجي، إلى آخره.
وإذا نظرنا إلى اللونين عند طرفي الطيف المرئي، ففي الطرف ذي الطول الموجي الطويل لهذا الطيف، سنرى اللون الأحمر. وفي الطرف ذي الطول الموجي القصير، سنرى اللون البنفسجي. يساعدنا تمييز هذين اللونين وتذكر موقعيهما عند طرفي الطيف المرئي في معرفة اسمي المنطقتين الموجودتين على جانبي الطيف المرئي.
لنفهم اسمي هاتين المنطقتين، من المفيد أن نتعرف على بادئتين مختلفتين. أولًا لدينا البادئة ultra. وتعني «فوق» أو «يتجاوز». على سبيل المثال، الألترا ماراثون هو ماراثون أطول من الماراثون العادي. أي إنه «يتجاوز» مسافة الماراثون العادي. عندما ننظر إلى المنطقة التي لها أطوال موجية أقصر من الضوء المرئي في الطيف، وهي المنطقة التي تقع على يسار منطقة الضوء المرئي في هذا الرسم التوضيحي، نجد أنها سميت باسم يعكس حقيقة أنها فوق الضوء البنفسجي أو تتجاوزه. فاسم هذه المنطقة من الطيف هو الأشعة فوق البنفسجية. ويرمز لها اختصارًا في الإنجليزية بـ UV.
من أمثلة الموجات فوق البنفسجية، بعض الموجات المنبعثة من الشمس. إن الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية أقصر من الطول الموجي للضوء المرئي؛ وعليه فهي تنقل طاقة أكبر. فهناك علاقة عكسية بين الطول الموجي والطاقة. وكلما كان الطول الموجي للموجة أقصر، زادت الطاقة التي تنقلها، في حين تنقل الموجة ذات الطول الموجي الطويل جدًّا طاقة ضئيلة للغاية. ولأن الأشعة فوق البنفسجية لها طول موجي أقصر من الضوء المرئي، فإن الأشعة فوق البنفسجية تنقل طاقة أكبر.
لننتقل الآن إلى المنطقة التي تقع على الجانب الآخر من الجزء المرئي في الطيف. تساعدنا هنا البادئة الثانية infra، والتي تعني «تحت» أو «دون». وبما أن الضوء المرئي الموجود عند حافة هذا الفاصل بين المنطقتين ضوء أحمر، يمكننا تسمية هذه المنطقة كلها دون الحمراء أو تحت الحمراء. والأشعة تحت الحمراء هي اسم هذه المنطقة من الطيف. لتمثيل هذه المنطقة، غالبًا ما يستخدم الاختصار IR؛ حيث الحرف I هو الحرف الأول من Infra أو «تحت»، والحرف R هو الحرف الأول من الكلمة الإنجليزية radiation والتي تعني «أشعة».
إذا واصلنا التقدم إلى ما بعد المنطقة تحت الحمراء من الطيف في اتجاه الأطوال الموجية الأطول والموجات ذات الطاقة الأقل، فسنصل إلى منطقة الموجات الميكروية من الطيف الكهرومغناطيسي. ثمة طريقة جيدة لتذكر اسم هذه المنطقة، وهي إدراك أنه يشبه اسم جهاز نستخدمه لتسخين الطعام، وهو الميكروويف. من المثير للاهتمام أن الموجات الميكروية، التي يمكن أن نستخدمها لتسخين أي نوع من الطعام تقريبًا، طولها الموجي في حدود 10 أس سالب اثنين أمتار، أو سنتيمتر واحد.
وعندما ننتقل من منطقة الموجات الميكروية إلى المنطقة ذات الطول الموجي الأطول في الطيف بأكمله، نجد منطقة موجات الراديو. وهي نوع الموجات التي تنتقل عبر أبراج الراديو. الطول الموجي لهذه الموجات مقداره متر على الأقل. لاحظ أنه لا يوجد حد أعلى للطول الموجي لموجات الراديو. فموجة طولها الموجي عشرات أو مئات أو حتى آلاف الكيلومترات ستظل تسمى موجة راديو.
الطرف الأيمن للطيف الكهرومغناطيسي، كما رسمناه، له طول موجي أطول وطاقة مناظرة أقل. وهذا يعني أننا إذا انتقلنا في الاتجاه الآخر، فسيكون لدينا إشعاع كهرومغناطيسي ذو طول موجي أقصر وطاقة أعلى. وإذا تجاوزنا نطاق الأشعة فوق البنفسجية وانتقلنا إلى منطقة أعلى في الطاقة، فسنصل إلى ما يعرف بمنطقة الأشعة السينية من الطيف. إحدى خواص الإشعاعات العالية الطاقة، مثل الأشعة السينية، هي قدرتها على النفاذ من المواد. وقد أجرينا جميعًا في الأغلب تصويرًا بالأشعة السينية على أجزاء من أجسامنا؛ إذ إن طاقة هذه الموجات عالية بما يكفي لتنتقل خلال الأنسجة الرقيقة، ولا تحجب أو تتوقف إلا عندما تصل إلى جزء عالي الكثافة مثل العظام. الأطوال الموجية للأشعة السينية قصيرة للغاية؛ فهي في حدود أبعاد الذرة، إذ تساوي 10 أس سالب 10 أمتار.
لكن كما نلاحظ، هناك منطقة في الطيف الكهرومغناطيسي ذات طاقة أعلى. يسمى الإشعاع في هذا الجزء من الطيف بأشعة جاما. الأطوال الموجية لأشعة جاما قصيرة للغاية؛ فهي في حدود أبعاد نواة الذرة. ومصدرها الأكثر شيوعًا هو اضمحلال النوى الذرية. فعند انشطار نواة ذرة مضمحلة؛ أي عند انقسامها، تنبعث عادة أشعة جاما.
إذا أضفنا الأطوال الموجية التقريبية للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، فسنحصل على مخطط كامل للطيف الكهرومغناطيسي. المناطق السبع جميعها مرتبة من الطول الموجي الأقصر والطاقة الأعلى على اليسار إلى الطول الموجي الأطول والطاقة الأقل على اليمين. لكن من المفيد أيضًا إضافة بعض المعلومات عن مصادر هذه الأنواع المختلفة من الإشعاع. على الرغم من أن الإشعاع يصدر بصفة عامة في كل من هذه المناطق من انتقال الإلكترونات المتسارعة، كما لدينا في منطقة أشعة جاما من الطيف، فإننا يمكن أن نكون أكثر تحديدًا بشأن الآليات المعتادة لتوليد الإشعاع.
إحدى الطرق التقليدية لتوليد الأشعة السينية هي إبطاء الإلكترونات. وذلك عن طريق تعجيلها إلى سرعة كبيرة ثم دفعها للاصطدام بهدف ثابت. هذه هي الطريقة العامة التي تولد بها أنابيب الأشعة السينية هذه الأشعة. وفيما يتعلق بالأشعة فوق البنفسجية والأشعة المرئية، فالمصدر الرئيسي لهذا النوع من الأشعة هو الشمس. تصدر الشمس كذلك قدرًا كبيرًا من الأشعة تحت الحمراء. لكن تبين أن الأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة بما يكفي بحيث إن أي جسم محيط بنا يعد مصدرًا لها. ويرجع هذا الإشعاع في المقام الأول إلى ما يسمى الحركة الحرارية للذرات والجزيئات. وهي ببساطة حركة الذرات والجزيئات الناتجة عن الحرارة في درجات الحرارة العادية، مثل درجة حرارة الغرفة. بعبارة أخرى، أي جسم يوجد عند درجة حرارة الغرفة سيبعث أشعة تحت حمراء.
بالانتقال من الأشعة تحت الحمراء إلى الموجات الميكروية وموجات الراديو، نجد أن هذه الأنواع من الإشعاعات تتولد نتيجة للتيارات الكهربية، سواء كانت مترددة أو مستمرة. وفي كلا النوعين من التيار، تعتمد عملية تولد الموجات على التغيرات في التيار. بالنسبة إلى التيار المتردد، يحدث هذا التغير بشكل طبيعي. أما فيما يتعلق بالتيار المستمر، فيحدث هذا التغير عن طريق تشغيل التيار المستمر نفسه ثم إيقافه مرارًا وتكرارًا. وهو ما يجعل التيار المستمر يسلك سلوك التيار المتردد إلى حد كبير.
والآن بعد أن اكتمل المخطط، لننظر بعناية إلى الشاشة ونبذل قصارى جهدنا لتذكر ما نراه عليها. دعونا الآن نراجع ما تعلمناه من خلال مثال.
أي الاختيارات الآتية يمكن أن يكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء؟ (أ) التيارات الكهربية المترددة، (ب) اضمحلال النوى الذرية، (ج) التيارات الكهربية المستمرة، (د) الحركة الحرارية للذرات والجزيئات، (هـ) جميع الاختيارات غير صحيحة.
نلاحظ أن كل خيار من الخيارات (أ) حتى (د) يمكن أن يكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء، وهي نوع معين من الإشعاع في الطيف الكهرومغناطيسي. بينما نفكر أي من هذه الخيارات الأربعة يمكن أن يكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء، لنبدأ باستعراض الخيار (أ) وهو التيارات الكهربية المترددة.
عند استخدام التيارات الكهربية المترددة في توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي، ينتج عن هذا المصدر عادة موجات ميكروية أو موجات راديو. وهذا لأن تردد اهتزاز هذه التيارات منخفض بما فيه الكفاية لإنتاج هذه الأنواع المحددة من الإشعاعات. نلاحظ أن الخيار (أ) ليس الخيار الوحيد الذي يذكر التيارات الكهربية، بل الخيار (ج) أيضًا، لكن التيارات المذكورة فيه هي التيارات الكهربية المستمرة، وهي التيارات التي تشير دائمًا في الاتجاه نفسه.
ورغم أن التيارات المستمرة تشير دائمًا في الاتجاه نفسه، يمكننا تحويلها بكفاءة إلى تيارات مترددة من خلال تشغيل هذه التيارات المستمرة وإيقافها مرارًا وتكرارًا. هذه هي الآلية التي يمكن توليد موجات الراديو من خلالها. نلاحظ أن هذين الخيارين؛ أي التيارات الكهربية المترددة والتيارات الكهربية المستمرة، مصدران للإشعاع الكهرومغناطيسي، لكنهما ليستا مصدرين للأشعة تحت الحمراء. وبدلًا من ذلك فهما تستخدمان عادة لإنتاج الموجات الميكروية وموجات الراديو. ومن ثم، نستبعد هذين الخيارين من قائمة الخيارات.
ننتقل إلى الخيار (ب)، وهو اضمحلال النوى الذرية، وهو عملية تنشطر فيها نواة الذرة أو تنقسم إلى أجزاء أصغر. وهذا يسمى الانشطار، وفي هذه العملية، تتحرر طاقة على صورة إشعاع كهرومغناطيسي. عندما يحدث انشطار مثل هذا، فإن الإشعاع المنبعث عادة ما يكون إشعاع جاما. مرة أخرى، يمثل هذا الخيار مصدرًا لنوع معين من الإشعاع الكهرومغناطيسي، لكنه ليس النوع الذي يهمنا، وهو الأشعة تحت الحمراء. لذلك نستبعد الخيار (ب) أيضًا.
ننتقل بعد ذلك إلى الخيار (د)، وهو الحركة الحرارية للذرات والجزيئات. إليك ما يعنيه هذا الخيار. إن الأجسام العادية، مثل الكراسي، أو الطاولات، أو الأكواب، أو النباتات، أو أي جسم آخر؛ من المرجح أن يوجد عند درجة حرارة مقاربة لدرجة حرارة الغرفة؛ أي حوالي 20 درجة سلزية أو 70 درجة فهرنهايت. وستحصل هذه الأجسام، بفضل درجة حرارتها فحسب، على طاقة حرارية كافية بحيث تتحرك الذرات والجزيئات المكونة لها حركة حرارية. ونتيجة لهذه الحركة الحرارية، ينبعث نوع معين من الإشعاع. وهو الأشعة تحت الحمراء أو دون الحمراء. وأعيننا غير حساسة لهذا النوع تحديدًا من الإشعاع. فلا يمكننا رؤيته، لكنه موجود بالفعل. وهو يتولد من الحركة الحرارية للذرات والجزيئات.
إذن، الخيار (د) يمكن أن يكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء. ومن ثم فالخيار (هـ)، الذي يذكر أن جميع الخيارات غير صحيحة، خطأ. والإجابة النهائية هي أن الحركة الحرارية للذرات والجزيئات يمكن أن تكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء.
لنلخص الآن ما تعلمناه عن الطيف الكهرومغناطيسي. في هذا الدرس، عرفنا أن الإشعاع الكهرومغناطيسي بوجه عام، ومن أمثلته الضوء المرئي، يتولد من عجلة الشحنة الكهربية. وعادة ما تحدث هذه العجلة عند انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة في الذرة.
وعرفنا أن الإشعاعات التي يمكن إنتاجها مرتبة في الطيف الكهرومغناطيسي وفقًا لطاقاتها أو ما يعادلها من طولها الموجي. ورأينا أيضًا أن الطيف ينقسم إلى سبع مناطق مختلفة. ويمكننا ترتيب الطيف من الطول الموجي الأقصر، أي الأعلى طاقة؛ إلى الطول الموجي الأطول، أي الأقل طاقة. وعند ترتيبها بهذه الطريقة، نجد أن المناطق السبع في الطيف الكهرومغناطيسي هي: أشعة جاما، ثم الأشعة السينية، ثم الأشعة فوق البنفسجية، ثم الضوء المرئي، ثم الأشعة تحت الحمراء، ثم الأشعة الميكروية، ثم موجات الراديو. هذا ملخص الطيف الكهرومغناطيسي.
