فيديو الدرس: الطيف الكهرومغناطيسي الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتحدث عن الطيف الكهرومغناطيسي. هذا الطيف هو نقطة البداية للتعرف على جميع الأنواع المختلفة للإشعاع، ومنها الضوء المرئي. وسنرى أنه بمجرد أن نفهم هذا الطيف، سنفهم أيضًا العديد من الظواهر الفيزيائية المحيطة بنا.

يمكننا بدء هذا الموضوع بطرح السؤال التالي. ما مصدر الضوء؟ في البداية، نعلم أن الشمس تصدر ضوءًا، وكذلك المصباح الكهربائي والتلفاز وشاشة الكمبيوتر. ورغم وجود العديد من المصادر المختلفة للضوء، ثمة آلية فيزيائية أساسية تربط جميع هذه المصادر سويًا.

إذا نظرنا إلى مستوى الذرات المنفردة، فسنجد أن هذه الآلية هي عجلة الشحنة الكهربية، وتحديدًا الإلكترونات، عند انتقالها بين مستويات الطاقة في الذرة. عندما يحدث مثل هذا الانتقال، أي عندما ينتقل إلكترون من مستوى طاقة إلى آخر، يكون ذلك مصحوبًا عادة بانبعاث حزمة ضوئية صغيرة تسمى الفوتون. عندما ينبعث فوتون، تعتمد خواصه، مثل طوله الموجي وطاقته، على كيفية إنتاجه أو مدى انتقال الإلكترون أو مقدار العجلة التي تحرك بها الإلكترون.

يوجد سبب محدد لحديثنا هنا عن الفوتونات والضوء. فإذا أمعنا النظر في فوتون منبعث في عملية مثل هذه، فسنلاحظ أن هذه الحزمة الضوئية، أي هذا الفوتون، هو في الواقع مجموعة من المجالات المهتزة، وهي المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربية. عند الحديث عن هذه المجالات، نرمز أحيانًا إلى المجال الكهربي اختصارًا بحرف ‪𝐸‬‏ كبير، بينما نرمز إلى المجال المغناطيسي بحرف ‪𝐵‬‏ كبير. يمكننا أن نلاحظ إذن أن الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي. فهو مكون من مجال كهربي ومجال مغناطيسي. هذا يعني أن مصطلح «الإشعاع الكهرومغناطيسي» هو طريقة منمقة للتعبير عن الضوء، الأمر الذي يعني بدوره أننا إذا عرفنا مصدر الضوء، فسنعرف مصدر الإشعاع الكهرومغناطيسي. وهو الإشعاع الموضح في الطيف الكهرومغناطيسي.

بالعودة إلى الحديث بإيجاز عن الفوتون المنبعث، يشيع تمثيل هذه الفوتونات باستخدام خط متعرج، كالخط المرسوم هنا. يرجع السبب في ذلك إلى أن الفوتونات، كما ذكرنا سابقًا، لها طول موجي مرتبط بها. والطيف الكهرومغناطيسي، كما يتضح، هو الطيف الذي يشمل جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية الممكنة، ما يعني أنه في أحد طرفي الطيف، وليكن هذا الطرف، لدينا إشعاع طوله الموجي قصير للغاية. وبالتحرك من اليسار إلى اليمين عبر هذا الطيف، يزداد الطول الموجي للضوء شيئًا فشيئًا. نلاحظ هنا أننا نستخدم الحرف اليوناني ‪𝜆‬‏ لنرمز إلى الطول الموجي. وهذا اختصار شائع.

إذا رأيت صورة الطيف الكهرومغناطيسي من قبل، فلعلك لاحظت أنه ينقسم إلى مناطق مختلفة. فتوجد به منطقة للضوء المرئي، ومنطقة للأشعة السينية، ومنطقة للموجات الميكروية، إلى آخره. وفي حين أنه من المفيد أن نفكر في الإشعاع الكهرومغناطيسي وفقًا لهذه المناطق أو الأقسام، فمن المهم أن ندرك أنه من الناحية الفيزيائية، لا وجود لهذا الفصل بين المناطق المختلفة.

إذا رجعنا إلى الرسم التوضيحي للطيف الذي شاهدناه في بداية الفيديو، فسنلاحظ أنه لا يوجد فصل بين المناطق المختلفة له. وإنما يزداد فقط الطول الموجي بشكل سلس ومتواصل عند التحرك من اليسار إلى اليمين. إذن بقدر ما يمتد الطيف، نلاحظ أنه يمكن أن يكون للإشعاع أي طول موجي. لكن لغرضنا هنا، سنعود إلى هذه الحقيقة لاحقًا ونقسم الطيف إلى مناطق متعددة لمساعدتنا في فهم هذه الأطوال الموجية المختلفة.

بشكل عام، ينقسم الطيف إلى منطقة، منطقتين، ثلاث، أربع، خمس، ست، سبع مناطق مختلفة. ويشمل فهم الطيف القدرة على تذكر اسم كل منطقة. ومعرفة أسماء هذه المناطق السبعة ليست بالصعوبة التي نتصورها. ما نفعله هو البدء بنوع واحد من الإشعاع الذي نتيقن من وجوده. وهو الإشعاع الذي يمكننا رؤيته بأعيننا، والمعروف أيضًا بالضوء المرئي. تقع هذه المنطقة في منتصف الطيف بالضبط. وهي تشمل جميع ألوان قوس قزح: الأحمر والأخضر والأزرق والبنفسجي، إلى آخره.

إذا نظرنا إلى اللونين المرئيين في طرفي الطيف المرئي، وليكن الطرف ذا الطول الموجي الطويل لهذا الطيف، فسنرى اللون الأحمر. وفي الطرف ذي الطول الموجي القصير، سنرى اللون البنفسجي. يساعدنا تمييز هذين اللونين وتذكر موقعهما في طرفي الجزء المرئي من الطيف في معرفة اسمي المنطقتين الموجودتين على جانبي الجزء المرئي.

لنتذكر اسمي هاتين المنطقتين، من المفيد أن نعرف بعض المعلومات عن بادئتين مختلفتين. البادئة الأولى هي «فوق»، باللاتينية «ألترا». وتعني «يتجاوز». على سبيل المثال، الألترا ماراثون هو ماراثون أطول من الماراثون العادي. أي إنه «يتجاوز» الماراثون المعتاد.

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 بعض الأحيان بحرف ‪𝑈‬‏ كبير وحرف ‪𝑉‬‏ كبير. هذا النوع من الأشعة تصدره الشمس، وتكون طاقتها أعلى من طاقة الضوء المرئي. وهذا يرجع بالطبع إلى أن طولها الموجي أقصر. يمكننا ملاحظة أنها تقع على يسار الإشعاع المرئي في الطيف. دعونا نضف ذلك إلى وصفنا لما يتضمنه طرفا الطيف الكهرومغناطيسي.

في الطرف الأيسر، لدينا ضوء طوله الموجي قصير نسبيًا وبالتالي طاقته أعلى. بينما في الطرف الأيمن، لدينا ضوء طوله الموجي أطول وبالتالي طاقته أقل. والمنطقة ذات الطاقة الأعلى الملاصقة للضوء المرئي في الطيف تسمى بالأشعة متجاوزة البنفسجية أو فوق البنفسجية.

لكن ماذا عن الطرف الآخر من الجزء المرئي من الطيف؟ تساعدنا هنا البادئة الثانية «تحت»، باللاتينية «إنفرا»، والتي تعني «دون». بما أن الضوء المرئي الموجود عند طرف هذا الانتقال بين المنطقتين ملون باللون الأحمر، يمكننا تسمية هذه المنطقة كلها دون الحمراء أو تحت الحمراء. والأشعة تحت الحمراء هو اسم هذه المنطقة من الطيف. لتمثيل هذه المنطقة، يستخدم الاختصار ‪𝐼𝑅‬‏، الذي يرمز إلى الأشعة تحت الحمراء.

إذا واصلنا التحرك 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 عادة لتسخين الطعام، وهو الميكروويف. من المثير للاهتمام أن الموجات الميكروية، التي نستخدمها لتسخين أي نوع من الطعام تقريبًا، طولها الموجي في حدود ‪10‬‏ أس سالب اثنين متر أو واحد على المائة من المتر.

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. فباستخدام زر اختيار محطات الراديو، نستمع إلى محطات إذاعية مختلفة عبر موجات الراديو. هذه الموجات طولها الموجي متر على الأقل، وقد يزيد عن ذلك.

وكما قلنا، يكون الطرف الموجود في أقصى يمين الطيف ذا أطوال موجية أطول، وبالتالي تحمل موجاته طاقة أقل. وهذا يعني أننا إذا تحركنا في الاتجاه الآخر، فسيكون لدينا أطوال موجية أقصر وإشعاع كهرومغناطيسي ذو طاقة أعلى.

وإذا تجاوزنا نطاق الأشعة فوق البنفسجية وانتقلنا إلى منطقة أعلى في الطاقة، فسنصل بذلك إلى ما يعرف بمنطقة الأشعة السينية من الطيف. وإحدى خصائص الإشعاع عالي الطاقة، مثل الأشعة السينية، هي قدرته على اختراق 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 تبلغ ‪10‬‏ أس سالب ‪10‬‏ متر.

لكن كما نلاحظ، هناك منطقة في الطيف الكهرومغناطيسي ذات طاقة أعلى. يعرف الإشعاع في هذا الجزء من الطيف بأشعة جاما. والأطوال الموجية لأشعة جاما قصيرة للغاية؛ إذ تقل عن ‪10‬‏ أس سالب ‪15‬‏ متر. ومصدرها الأكثر شيوعًا هو اضمحلال النوى الذرية. فعند انشطار نواة ذرة مضمحلة، أي عند انقسامها، تنبعث أشعة جاما في الغالب.

إذا أضفنا الأطوال الموجية التقريبية للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، فسنحصل على مخطط كامل للطيف الكهرومغناطيسي. لدينا في هذا الطيف سبع مناطق مرتبة من اليسار إلى اليمين، من الطول الموجي الأقصر إلى الطول الموجي الأطول، وبالتالي من الطاقة الأعلى إلى الطاقة الأقل. هذا هو الطيف كما نعرفه.

لكن من المفيد أيضًا إضافة بعض المعلومات عن مصادر هذه الأنواع المختلفة من الإشعاع. ورغم أن الإشعاع يصدر بصفة عامة في كل من هذه المناطق من انتقال الإلكترونات المعجلة، يمكن أن نكون أكثر تحديدًا بشأن الآلية المعتادة لتوليد هذا الإشعاع. إذا بدأنا بالجانب الأيسر من الطيف، أي بأشعة جاما، وهو الإشعاع الأعلى طاقة كما قلنا، فسنجد أن هذه الأشعة تتولد عادة من الاضمحلال النووي، وهو الاضمحلال الإشعاعي للنوى الذرية.

وإحدى الطرق التقليدية لتوليد الأشعة السينية هي إبطاء الإلكترونات على نحو مفاجئ عن طريق تعجيلها إلى سرعة كبيرة ثم دفعها للاصطدام بهدف ثابت. هذه هي الآلية العامة التي تولد بها أنابيب الأشعة السينية هذه الأشعة.

وفيما يتعلق بالأشعة فوق البنفسجية والأشعة المرئية، المصدر الرئيس 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 ليكون أي جسم محيط بنا مصدرًا لها. ذلك لأن هذا الإشعاع يرجع السبب فيه إلى ما يسمى بالحركة الحرارية للذرات والجزيئات. بعبارة أخرى، بمجرد وجود جسم في درجة حرارة الغرفة، سيبعث هذا الجسم أشعة تحت الحمراء.

بالانتقال من الأشعة تحت الحمراء إلى الموجات الميكروية وموجات الراديو، نجد أن هذا النوع من الإشعاعات يتكون نتيجة للتيارات الكهربية، سواء كانت مترددة أو مستمرة. وفي كلا النوعين من التيار الكهربي، تعتمد عملية تولد الأمواج على التغيرات في التيار. فبالنسبة للتيار المتردد، يحدث هذا التغير بشكل طبيعي. وفيما يخص التيار المستمر، يحدث 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. لنراجع الآن 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 والجزئيات، هـ) جميع الاختيارات غير صحيحة.

نلاحظ أن الخيارات من (أ) حتى (د) يمكن أن تكون مصدرًا للأشعة تحت الحمراء، وهي نوع معين من الإشعاع في الطيف الكهرومغناطيسي. بينما نفكر في أي من هذه الخيارات الأربعة قد 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. هذا 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) يتناولها أيضًا، لكن التيارات المذكورة فيه هي التيارات الكهربية المستمرة، وهي التيارات التي تتحرك دائمًا في الاتجاه نفسه.

ورغم أن التيارات المستمرة تتحرك 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 ليسا مصدرين للأشعة تحت الحمراء. فهما يستخدمان عادة، بدلًا من ذلك، لإنتاج الموجات الميكروية وموجات الراديو. لذلك، نستبعد هذين الخيارين من قائمة الخيارات.

ننتقل إلى الخيار (ب)، وهو اضمحلال النوى الذرية، وهي عملية تنشطر فيها النواة الذرية أو تنقسم إلى أجزاء أصغر، فيما يسمى بالانشطار، وتصدر عنها طاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي. لكن نوع الإشعاع المنبعث عادة خلال هذه العملية هو أشعة جاما، أي انبعاث أشعة 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) من القائمة أيضًا.

ننتقل بعد ذلك إلى الخيار (د)، وهو الحركة الحرارية للذرات والجزئيات. إليك ما يعنيه هذا الخيار. إن الأجسام العادية، مثل الكراسي والطاولات وما شابه، بمجرد وجودها في غرفة درجة حرارتها ‪20‬‏ درجة سلزية أو ‪70‬‏ درجة فهرنهايت، يكون لها طاقة حرارية كافية لتكون الذرات والجزئيات في هذه الأجسام في حركة حرارية. وبفضل هذه الحركة الحرارية، ينبعث نوع معين من الإشعاع. وهو الأشعة تحت الحمراء أو دون الحمراء. أعيننا غير حساسة لهذا الطول الموجي تحديدًا من الإشعاع. لكنه موجود بالفعل، ويتولد من الحركة الحرارية للذرات والجزئيات. إذن، هذا الخيار هو المصدر الممكن للأشعة تحت الحمراء. وبالتالي الخيار (هـ)، الذي يذكر أن جميع الخيارات غير صحيحة، خاطئ. والإجابة النهائية هي أن الحركة الحرارية للذرات والجزئيات مصدر 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 الكهربائية. وعادة ما تحدث هذه العجلة عند انتقال الإلكترونات بين مستويات طاقة الذرة. وعرفنا أن الإشعاعات التي يمكن إنتاجها مرتبة في الطيف الكهرومغناطيسي وفقًا لطاقاتها أو ما يعادلها من الطول الموجي. رأينا أيضًا أن الطيف ينقسم إلى سبع مناطق مختلفة. وإذا رتبنا الطيف، فسيكون الإشعاع الأعلى طاقة ذو الأطوال الموجية الأقصر في طرف، والإشعاع منخفض الطاقة ذو الأطوال الموجية الأطول في الطرف الآخر. وبالانتقال من الأعلى طاقة إلى الأقل طاقة، تكون هذه المناطق السبع كالتالي: أشعة جاما، ثم الأشعة السينية، ثم الأشعة فوق البنفسجية، ثم الضوء المرئي، ثم الأشعة تحت الحمراء، ثم الأشعة الميكروية، ثم موجات الراديو.