فيديو الدرس: الأشعة تحت الحمراء الفيزياء

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

٢٤:١٤

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتحدث عن الأشعة تحت الحمراء. للبدء، انظر إلى جانبي هذه الشاشة التي تعرض مجفف شعر كهربيًا. يعمل مجفف الشعر عن طريق دفع الهواء الساخن من الفوهة عند هذا الطرف. لكن إذا نظرنا إلى مجفف الشعر أثناء تشغيله في حياتنا اليومية، فإننا لا نرى هذا الهواء الساخن يخرج من تلك الفوهة. فضلًا عن ذلك، لا يمكننا أن نرى أيًا من أجزاء مجفف الشعر تزداد سخونة عند حدوث ذلك. ولكن إذا حولنا أنظارنا إلى الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من المجفف، بدلًا من النظر إلى الضوء المرئي الصادر منه، فسيمكننا عندئذ ملاحظة الهواء الساخن الخارج من هذا المجفف، وكذلك أجزاء المجفف التي تزداد سخونة. وهذا يقودنا إلى أول حقيقة مهمة، وهي أن الأشعة تحت الحمراء، التي تختصر عادة إلى ‪IR‬‏، ترتبط بالحرارة.

إليكم ما نعنيه بذلك. تخيل أنك تقف إلى جانب نار موقدة في مخيم تدفئ نفسك. بالنظر إلى هذه النار، نعلم أنها تصدر ضوءًا مرئيًا. وذلك الضوء هو الذي يمكننا رؤيته صادرًا عن اللهب. ولكن عندما نقف بالقرب من نار هذا المخيم، يمكننا أيضًا أن نشعر بالحرارة الصادرة عنها. وتلك الحرارة التي نشعر بها ليست بسبب الضوء المرئي، أي اللونين الأصفر والأحمر اللذين نراهما في لهب النار. بل بسبب الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث من النار. إذن، يمكننا ملاحظة أن الضوء المرئي، أي الأشعة التي ترصدها أعيننا، والأشعة تحت الحمراء ليسا الشيء نفسه. ومع ذلك، فهما مرتبطان. فكل منهما مثال على الإشعاع الكهرومغناطيسي.

إذا نظرنا إلى الطيف الكهرومغناطيسي، فسنرى في منتصف الطيف على النحو الذي رسمناه الضوء المرئي، وهو الأشعة التي ترصدها أعيننا، وعلى يمينه مباشرة الأشعة تحت الحمراء. وإذا واصلنا التحرك يمينًا، فسنجد الموجات الميكروية، ثم موجات الراديو ذات الأطوال الموجية الأطول. ثم إذا عدنا إلى الضوء المرئي وتحركنا يسارًا بدلًا من يمينًا، فسنصل إلى الأشعة فوق البنفسجية، والتي يرمز لها اختصارًا بـ ‪UV‬‏، والأشعة السينية، وأخيرًا أشعة جاما.

ما نلاحظه هنا هو أننا عندما نتحرك من يسار هذا الطيف إلى يمينه، يصبح الطول الموجي، الذي يرمز له بالحرف اليوناني ‪𝜆‬‏، أطول. وعندما نتحرك من اليمين إلى اليسار، يصبح الطول الموجي أقصر. بالرجوع إلى الجزء المرئي من الطيف، يتضمن هذا الجزء جميع الألوان التي يمكن أن تراها أعيننا، بما فيها اللون الأحمر والأخضر والأزرق والأصفر، وما إلى ذلك من الألوان التي يمكننا رؤيتها. إذا ذهبنا إلى أقصى يمين الجزء المرئي من الطيف، فسنجد الضوء ذا اللون الأحمر. ويساوي الطول الموجي للضوء الأحمر ‪700‬‏ نانومتر تقريبًا.

تذكر أن النانومتر الواحد يساوي ‪10‬‏ أس سالب تسعة أمتار. بعبارة أخرى، النانومتر الواحد يساوي جزءًا من مليار جزء من المتر. وهذا يخبرنا أن الطول الموجي للضوء الأحمر يبلغ ‪700‬‏ جزء من مليار جزء من المتر. ومن ثم إذا تحركنا يمينًا باتجاه منطقة الأشعة تحت الحمراء، فنجد أن الطول الموجي يصبح أطول. أي إن قيمته تزداد. وإذا انتقلنا إلى أقصى يمين هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي، فسنجد أن الطول الموجي يساوي ‪10‬‏ أس ستة أو مليون نانومتر. في هذه المرحلة، يمكننا أن نتذكر أن النانومتر الواحد لا يساوي فقط جزءًا من مليار جزء من المتر، بل يساوي أيضًا جزءًا من مليون جزء من الملليمتر. إذن يمكننا أن نكتب ‪10‬‏ أس ستة، أو مليون نانومتر، في صورة ملليمتر واحد. وما توصلنا إليه الآن هو أن المدى الكامل للطول الموجي للأشعة تحت الحمراء يتراوح من ‪700‬‏ نانومتر إلى ملليمتر واحد.

لقد ذكرنا في أعلى الشاشة أن الأشعة تحت الحمراء مرتبطة بالحرارة. وهذا صحيح. لكن في الواقع الأشعة تحت الحمراء التي تقع في الطرف الأيمن من هذا النطاق هي المسئولة عن الحرارة التي نشعر بها. وأحيانًا يسمى هذا الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء البعيدة أو الأشعة تحت الحمراء الحرارية. وإذا فكرنا في الصورة التي رأيناها في الشاشة الافتتاحية لمجفف الشعر، فسندرك أن دراسة الأشعة تحت الحمراء، وتحديدًا الأشعة تحت الحمراء الحرارية، قد تكون مفيدة جدًا.

فمثلًا، لنفترض أنك تعمل حارس أمن في متجر متعدد الأقسام. وتشمل مهام عملك رصد النشاط الذي يحدث في موقف السيارات بالخارج أمام المتجر. لفعل ذلك، عليك تثبيت بعض الكاميرات في المتجر والتي يمكنها تسجيل النشاط في موقف السيارات. لكن هناك مشكلة واحدة فقط في النظام على هذه الحالة. وهي أن الكاميرات المثبتة حساسة للضوء المرئي فقط، أي الأشعة التي تراها أعيننا. ومن ثم فإنها ملائمة للغاية لمراقبة موقف السيارات خلال ساعات النهار. ولكن عندما تغرب الشمس، ويصبح موقف السيارات مظلمًا بالكامل، فإن الصورة الكلية التي تسجلها الكاميرات تصبح مظلمة أيضًا. ومن الصعب معرفة ما يحدث هناك. هذا أحد الأماكن التي قد يكون استخدام الأشعة تحت الحمراء بها مفيدًا.

إذا غيرنا هذه الكاميرات بحيث أصبحت الآن حساسة للأشعة تحت الحمراء بدلًا من الضوء المرئي، فسنجد في هذه الحالة أنه حتى في الليل وفي حال عدم وجود ضوء مرئي في موقف السيارات، حين ننظر إلى ما نطلق عليه رؤية المشهد من خلال الأشعة تحت الحمراء، فإننا سنظل قادرين على رؤية الأجسام، ليس بسبب ما تعكسه من الضوء المرئي، إنما بسبب الحرارة التي تنبعث منها. فمثلًا، هذا المشهد يوضح الحرارة الناتجة عن محرك السيارة المتوقفة في موقف السيارات. ويوضح أيضًا الحرارة التي يصدرها الشخص الذي يخرج من السيارة. من خلال النظر بهذه الطريقة إلى الأشياء، أي من خلال الأشعة تحت الحمراء، بدلًا من الضوء المرئي، يمكننا رؤية ما يحدث في أي حالة معينة، بناء على الحرارة المتضمنة فيها بدلًا من الضوء المرئي.

بالحديث عن هذا الاختلاف، من الممتع جدًا أن نقارن بين الكيفية التي يبدو عليها شخص ما في صورة ملتقطة بالضوء المرئي، وهي الصورة التي نراها عادة، بصورة الأشعة تحت الحمراء الملتقطة لذلك الشخص. نظرًا لأن صورة الأشعة تحت الحمراء تعتمد على الحرارة الصادرة، سنلاحظ أن أطراف الأنف تكون عادة أكثر برودة من بقية وجهنا؛ ومن ثم تبدو داكنة أكثر في صورة الأشعة تحت الحمراء، وسنلاحظ كذلك أن العينين والفم أكثر دفئًا. وبشكل عام، نحصل على مشهد لتدرجات الحرارة في أنحاء وجه الشخص العادي. والآن بعد أن ألقينا نظرة على كيفية ظهور الأجسام عند النظر إليها من خلال الأشعة تحت الحمراء، دعونا نتعرف على كيفية تفاعل الأشعة تحت الحمراء مع المواد.

لنفترض أن لدينا قطعة من مادة هنا. وسلطنا عليها أشعة تحت حمراء. كما هو الحال بالضبط مع الضوء المرئي، يمكن لهذه المادة فعل شيء واحد من بين ثلاثة أشياء بمجرد وصول الأشعة إليها. أولًا، يمكن أن تنعكس الأشعة عن سطح المادة. وثانيًا، يمكن أن تنفذ الأشعة خلالها. وثالثًا، يمكن للمادة أن تمتص الأشعة. إذن، توجد هذه الخيارات الثلاثة: امتصاص الأشعة، أي دخولها في المادة، أو انعكاسها، أي ارتدادها عن سطح المادة، أو نفاذها، أي السماح بمرورها خلال المادة.

والآن لنفكر قليلًا في الضوء المرئي، وهو الأشعة التي تراها أعيننا، وليس الأشعة تحت الحمراء. إذا نظرنا حولنا إلى ما يحيط بنا من أشياء، فسنلاحظ أن معظم الأجسام التي نراها ليست شفافة. فلا يمكننا أن نرى من خلالها. بعبارة أخرى، بالنظر إلى معظم الأجسام التي نراها يوميًا، عندما يتعلق الأمر بالضوء المرئي، لا يحدث نفاذ كبير للغاية للضوء خلالها. فالضوء بالكامل تقريبًا إما أن يمتص أو ينعكس عن سطح المادة. وفي الواقع، الأشعة تحت الحمراء تسلك السلوك نفسه. هناك بالتأكيد بعض الاستثناءات. لكن معظم الأشعة تحت الحمراء إما أن يمتصها الجسم أو تنعكس عن سطحه. يمكننا القول إن معظم الأشعة تحت الحمراء الساقطة إما أن تمتصها المادة أو تنعكس عن سطحها. لذا إذا أهملنا أي عملية نفاذ تحدث، بافتراض أن هذا النفاذ ضئيل للغاية، يمكننا البدء في وضع قائمة بالعوامل التي تؤثر على ما إذا كانت المادة ستمتص الأشعة تحت الحمراء الساقطة عليها أم تعكسها.

ولهذا دعونا نضع قائمة بهذه العوامل على الجانب الأيسر من الشاشة. وبينما نمضي قدمًا، سنرى كيف يؤثر تغيير هذه العوامل على ما يحدث هنا في الرسم. أول شيء يمكننا التفكير فيه عندما يتعلق الأمر بما إذا كانت مادة ما ستمتص الأشعة تحت الحمراء أم ستعكسها هو لون هذه المادة. لون هذه المادة التي رسمناها هنا هو اللون الأبيض. اللون الأبيض، تمامًا كما في حالة الضوء المرئي، جيد للغاية في عكس الأشعة تحت الحمراء. هذا يعني أن معظم الأشعة تحت الحمراء التي تصل إلى هذه المادة سترتد عنها. أي ستنعكس الغالبية العظمى منها. ويمتص القليل جدًا. من ناحية أخرى، إذا جعلنا لون المادة أسود، فهذا يعني أنه من غير المرجح بدرجة كبيرة أن تعكس المادة الأشعة، ومن المرجح للغاية أن تمتصها.

والآن لنلق نظرة سريعة على هذا العنوان هنا، وهو العوامل التي تؤثر على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وانبعاثها. يتضح أن هاتين العمليتين، الامتصاص والانبعاث، مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا. إذا كانت المادة تمتص كثيرًا من الأشعة تحت الحمراء، مثل هذه المادة السوداء الموجودة هنا، فمن المرجح أيضًا أن تكون باعثًا جيدًا للغاية للأشعة تحت الحمراء. فهي تصدر هذه الأشعة في صورة حرارة. ولهذا، على سبيل المثال، إذا مشيت فوق أسفلت داكن في أحد أيام الصيف الحارة، فستشعر بدفء أكبر مما لو كنت تمشي على رصيف ذي لون فاتح. على الرغم من أن درجة الحرارة الفعلية للرصيف والأسفلت الداكن ربما تكون واحدة، فإن الأسفلت الداكن أكثر فعالية في امتصاص الأشعة تحت الحمراء ومن ثم انبعاثها. وهذا الانبعاث هو ما نشعر به في صورة حرارة. وهكذا يلعب لون المادة دورًا مهمًا في كيفية امتصاص المادة للأشعة تحت الحمراء ثم انبعاثها منها.

يوجد عامل آخر يؤثر على هاتين الكميتين يسمى الانعكاسية. يمكننا التفكير في الانعكاسية على هذا النحو. لنفترض أن هذه المادة ملساء ومصقولة جيدًا، كمرآة على سبيل المثال. في هذه الحالة، يكون لها درجة انعكاسية عالية جدًا. ومعظم الأشعة تحت الحمراء التي تصل إليها سوف ترتد عنها، تمامًا مثل معظم الضوء الذي يصل إلى المرآة ويرتد عنها. ولكن من ناحية أخرى، ماذا لو استعضنا عن هذا السطح الأملس بسطح خشن للغاية، مثل ورق الصنفرة الخشن. حسنًا، في هذه الحالة، ستنخفض انعكاسية هذه المادة. وبالتالي، من المرجح أن تمتص الأشعة تحت الحمراء ثم تبعثها بدلًا من أن تعكسها.

ننتقل الآن إلى العامل الثالث، وهو درجة حرارة الجسم، والتي لها علاقة بالانبعاث أكثر من علاقتها بالامتصاص. درجة حرارة أي مادة ليس لها تأثير كبير على ما إذا كانت ستمتص الأشعة تحت الحمراء الساقطة عليها أم ستعكسها. ولكنها تلعب دورًا كبيرًا في تحديد كمية الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من تلك المادة. في الواقع لا تعتمد هذه الظاهرة على ما إذا كانت الأشعة تحت الحمراء تسقط على هذه المادة أم لا. بل هي ببساطة إحدى خواص المادة؛ فكلما زادت درجة حرارتها، زاد انبعاث الأشعة منها. جدير بالذكر هنا أن أي مادة عند أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق ستنبعث منها أشعة تحت حمراء، حتى وإن كانت بكمية صغيرة للغاية. وهذا سبب آخر يجعل الأشعة تحت الحمراء مثيرة للاهتمام إلى حد كبير.

في حالة الضوء المرئي، أي الأشعة التي يمكن أن تراها أعيننا، لا يوجد في الغالب سوى عدد قليل من مصادر هذا الضوء التي نصادفها في كل مرة، فربما تكون الشمس إذا وقفنا بالخارج، أو الأضواء في غرفتنا إذا كنا داخل المبنى. فعندما يتعلق الأمر بالضوء المرئي، لا تعد معظم الأجسام مصدرًا له. فهي تعكس الضوء فقط. ولكن على النقيض من ذلك، فإن كل جسم نصادفه يمثل مصدرًا للأشعة تحت الحمراء، حتى وإن كانت هذه الأجسام باردة جدًا. وحتى عندما تكون درجة حرارتها أقل من درجة التجمد، فإنها لا تزال تصدر كمية من الأشعة تحت الحمراء. وبالتالي، فهي تمثل مصدرًا لهذه الأشعة. ولكن، كما ذكرنا سابقًا، الانبعاث يعتمد على درجة الحرارة. فكلما زادت درجة حرارة الجسم، زاد انبعاث الأشعة منه.

والآن، يوجد عامل أخير يؤثر على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وانبعاثها. وهو مساحة السطح، أي مساحة سطح المادة. تخيل أننا ضاعفنا طول جانبي المادة، بحيث تزداد مساحتها الكلية بمقدار أربعة أمثال. حسنًا، في هذه الحالة، يمكن لهذه المادة الأكبر أن تبعث أو تصدر قدرًا أكبر بكثير من الأشعة تحت الحمراء. وبسبب حجمها الأكبر، تصبح هدفًا أكبر للأشعة تحت الحمراء الساقطة. وهذه الحقيقة، التي تنص على أنه كلما زادت مساحة سطح المادة، زادت قدرتها على بعث الأشعة تحت الحمراء، ومن ثم إطلاق الحرارة منها، تستخدم في تبريد الأنظمة الإلكترونية.

ربما تكون قد رأيت قطعة من المعدن يتصل بالجزء الخلفي منها العديد من الزعانف المعدنية الرقيقة. الغرض من كل هذه الزعانف، التي تفصلها فجوات هوائية صغيرة للغاية، هو توفير مساحة سطح كافية لتبديد الحرارة من هذه القطعة المعدنية بالكامل. يستغل التصميم حقيقة أن زيادة مساحة السطح تعني زيادة القدرة على بعث الحرارة. لنلق نظرة الآن على مثال تدريبي يتعلق بموضوع الأشعة تحت الحمراء.

أي الخواص الآتية للأجسام لا تؤثر مباشرة على كمية الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث منها والتي تمتصها؟ (أ) مساحة السطح، (ب) اللون، (ج) الانعكاسية، (د) الكتلة، (هـ) درجة الحرارة.

للإجابة عن هذا السؤال، دعونا نتخيل أن لدينا مادة ما هنا. وتسقط عليها أشعة تحت حمراء. ما يمكننا فعله هو تجربة كل عامل من هذه العوامل لمعرفة أي منها لا يؤثر مباشرة على كمية الأشعة تحت الحمراء التي تبعثها هذه المادة وتمتصها. سنبدأ بالخيار الأول، وهو مساحة السطح. بينما نستكشف هذا الخيار، دعونا نتخيل أن مصدر الأشعة تحت الحمراء، أي الأشعة الساقطة على المادة، ليس مصدرًا نقطيًا. سنقول إنه مصدر ممتد، مثل الشمس، بحيث تسقط الأشعة تحت الحمراء، أي الحرارة الناتجة عن الشمس، على كل مكان، وليس على نقطة واحدة على الأرضية.

نلاحظ الآن أنه نظرًا لمساحة سطح المادة، يمكننا أن نطلق على هذه المساحة ‪𝐴‬‏، نجد أن المادة التي تعنينا محدودة فيما يخص كمية الأشعة التي يمكن أن تمتصها. أما إذا كانت المادة أكبر، أي إذا كانت مساحة سطحها أكبر، فيمكن أن يسقط عليها قدر أكبر من هذه الأشعة. ويمكن أن تمتص كمية أكبر منه. بالإضافة إلى ذلك، كلما كانت مساحة السطح أكبر زادت قدرة المادة على بعث الأشعة تحت الحمراء أو إطلاقها. إذن، هذا العامل، مساحة السطح، يؤثر على كل من معدل التسخين، أي كمية الأشعة التي تمتصها المادة، وكذلك معدل التبريد، أي كمية الأشعة التي تنبعث منها. وبما أن المطلوب منا في السؤال هو إيجاد خاصية لا تؤثر مباشرة على الانبعاث والامتصاص، فإننا نعرف أن مساحة السطح ليست هي الإجابة. فمساحة السطح تؤثر على هاتين العمليتين.

وهذا يقودنا إلى الخيار التالي، وهو اللون. إذا كانت المادة ذات لون فاتح، وليكن أبيض، فمن المرجح بدرجة كبيرة أن تعكس أي أشعة تحت حمراء تسقط عليها. وأي أشعة تنعكس من عليها بالطبع لا تمتص. إذن، تؤثر هذه الخاصية على الامتصاص. من ناحية أخرى، إذا كانت المادة ذات لون داكن، فمن الأرجح أن تمتص الأشعة، ومن الأقل ترجيحًا أن تعكسها. نعلم أيضًا أن المادة التي تمتص الأشعة تحت الحمراء بقوة تبعثها بقوة أيضًا. إذن، لون المادة، سواء أكان داكنًا أم فاتحًا، يؤثر بالفعل على انبعاث الأشعة تحت الحمراء وامتصاصها. لذلك، الخيار (ب) ليس هو الإجابة أيضًا.

الخيار التالي هو الانعكاسية، والذي يتعلق بمدى كفاءة هذه المادة في عكس الأشعة تحت الحمراء الساقطة عليها. إذا كانت المادة ملساء للغاية ومصقولة كالمرآة، فسنحصل على درجة عالية من الانعكاسية، وبالتالي مستوى امتصاص منخفض. ولكن العكس صحيح أيضًا؛ إذ قد تكون المادة خشنة جدًا، وهو ما يجعلها أكثر قدرة على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وأقل قدرة على عكسها. نلاحظ إذن أن خاصية الانعكاسية هذه تؤثر مباشرة على عمليتي الانبعاث والامتصاص.

يشير الخيار (د) إلى أن الكتلة لا تؤثر مباشرة على هذه الخواص. حسنًا، لنتخيل حالة يكون لدينا فيها مادة لها مساحة سطح معينة، ولون محدد، وانعكاسية ما. وبالإضافة إلى ذلك، لنفترض أن هذه المادة كانت محفوظة عند درجة حرارة ثابتة. سنسمي هذه الحرارة ‪𝑇‬‏. والآن، إذا كان بإمكاننا الحفاظ على جميع هذه الخصائص الأربع دون تغيير ولكن مع تغيير كتلة هذه المادة، فالسؤال هو: هل سيؤثر ذلك على انبعاث الأشعة تحت الحمراء وامتصاصها؟ والإجابة هي أنه لن يؤثر، على الأقل ليس بشكل مباشر. وبالتالي، فإن الخيار (د)، أي الكتلة، قد يكون الإجابة. لكن دعونا نلق نظرة على الخيار (هـ) للتأكد.

إذا غيرنا درجة حرارة المادة، بالتسخين مثلًا، فستستجيب المادة عن طريق بعث المزيد من الأشعة تحت الحمراء، أي إطلاقها. لذا نظرًا لأن درجة الحرارة تؤثر مباشرة على هاتين الخاصيتين، فهي ليست الإجابة؛ ما يعني أن كتلة الجسم هي التي لا تؤثر مباشرة على كمية الأشعة تحت الحمراء التي يبعثها الجسم أو يمتصها.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه عن الأشعة تحت الحمراء. أولًا، رأينا أن الأشعة تحت الحمراء، والتي يشار إليها عادة بالرمز ‪IR‬‏، هي إشعاع كهرومغناطيسي طوله الموجي يتراوح بين ‪700‬‏ نانومتر وملليمتر واحد. هذا هو الحيز الذي تشغله الأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي. علمنا كذلك أن الأشعة تحت الحمراء هي نوع الأشعة المسئول عن الحرارة التي نشعر أنها صادرة من الأجسام الساخنة. علاوة على ذلك، فإن جميع الأجسام، ما دامت درجة حرارتها أعلى من الصفر المطلق، تنبعث منها أشعة تحت حمراء. وأخيرًا، عرفنا أن لون المادة، ومساحة سطحها، ودرجة حرارتها، وكذلك انعكاسيتها، كلها خواص تؤثر على الكيفية التي تبعث بها المادة الأشعة تحت الحمراء وتمتصها.

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