الأشعة الكهرومغناطيسية هي شكل من أشكال الطاقة الموجودة حولنا، وتتخذ العديد من الأشكال، مثل موجات الراديو، الموجات الميكروية، الأشعة السينية، وأشعة جاما. ويُعد ضوء الشمس أحد أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية، أما الضوء المرئي ليس سوى جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي، الذي يحتوي على مجموعة واسعة من الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية.

طيف الضوء المرئي

النظرية الكهرومغناطيسية

كان يعُتقد سابقًا أن الموجات الكهربية والمغناطيسية قوى منفصلة. لكن في العام 1873 طور العالم الأسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل نظرية مُوحدة للكهرومغناطيسية. تتناول دراسة الكهرومغناطيسية كيفية تفاعل الجسيمات المشحونة كهربيًا مع بعضها البعض ومع المجالات المغناطيسية.

وهناك أربع تفاعلات كهرومغناطيسية رئيسية وهي:

1. تتناسب قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات الكهربية عكسيًا مع مربع المسافة بينهم.
2. تكون الأقطاب المغناطيسية على هيئة أزواج تتجاذب وتتنافر مع بعضها البعض، كما تفعل الشحنات الكهربائية.
3. ينتج عن التيار الكهربائي المار في سلك مجالاً مغناطيسياً يعتمد اتجاهه على اتجاه التيار.
4. ينتج عن المجال الكهربائي المتحرك مجالاً مغناطيسياً، والعكس صحيح.

طور ماكسويل أيضًا مجموعة من القوانين لشرح هذه الظواهر، وقد سُميت بمعادلات ماكسويل.

الموجات والمجالات

تنشأ الأشعة الكهرومغناطيسية عندما يتم تسريع جسيم ذري، مثل الإلكترون، بوسطة مجال كهربائي، مما يؤدي إلى تحركه. وتُنتِج هذه الحركة مجالات كهربية ومغناطيسية مُتذبذة تنتقل متعامدة على بعضها البعض في حزمة من الطاقة الضوئية تسمى الفوتون. تسافر الفوتونات عن طريق موجات متجانسة بأقصى سرعة ممكنة في الكون: 186,282 ميل في الثانية، (299,792,458 مترًا في الثانية) في الفراغ، وتُعرف أيضًا بسرعة الضوء. وتمتلك الموجات خصائص محددة، كالتردد، الطول الموجي أو الطاقة.

تشكل الموجات الكهرومغناطيسية عندما يتداخل المجال الكهربائي (كما هو موضح في الأسهم الحمراء) مع المجال المغناطيسي (كما هو موضح في الأسهم الزرقاء). وتتعامد المجالات الكهربائية والمغناطيسية للموجة الكهرومغناطيسية مع بعضها البعض وفي اتجاه الموجة.

الطول الموجي هو المسافة بين قمتين متتاليتين للموجة، وتُقاس هذه المسافة بوحدة المتر أو أجزاء منه. والتردد هو عدد الموجات التي تتكون في فترة زمنية محددة، وعادةً يتم قياسه كعدد دورات الموجة في الثانية الواحدة، أو الهرتز. والمقصود بالطول الموجي القصير أن التردد سيكون أعلى لأن دورة واحدة يمكن أن تمر في فترة زمنة قصيرة، وبالمثل، فإن الطول الموجي الأطول له تردد أقل لأن كل دورة تستغرق وقتًا أطول لإكمالها.

الطيف الكهرومغناطيسي

تمتد الأشعة الكهرومغناطيسية لمدى هائل من الأطوال الموجية والترددات. هذا المدى معروف بالطيف الكهرومغناطيسي. وينقسم الطيف الكهرومغناطيسي بشكل عام إلى سبع مناطق، وذلك حسب ترتيب تناقص الطول الموجي، وزيادة الطاقة والتردد. والتسميات الشائعة هي: موجات الراديو، الموجات الميكروية، الأشعة تحت الحمراء، الضوء المرئي، الأشعة الفوق بنفسجية، الأشعة السينية وأشعة جاما. وعادةً، ما يتم التعبير عن إشعاعات الطاقة المنخفضة مثل الموجات الراديوية بالتردد، ويتم التعبير عن الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية بالطول الموجي ويتم التعبيرعن إشعاعات الطاقة العالية مثل الأشعة السينية وأشعة جاما على أنها الطاقة لكل فوتون.

الموجات الراديوية

توجد الموجات الراديوية في المدى الأقل للطيف الكهرومغناطيسي، بترددات تصل إلى 30 جيجاهيرتز أو 30 مليار هيرتز، وأطوال موجية أطول أكبر 10 ميلليمتر (0.4 بوصة). ويُستخدم الراديو بشكل أساسي في مجال الاتصالات التي تتضمن أصواتاً وبيانات ووسائل ترفيهية.

الموجات الميكروية

تقع الموجات الميكروية في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات الراديوية والأشعة تحت الحمراء، ولها ترددات بين 3 جيجا هرتز و 30 تريليون/ 30 تيرا هرتز وطول موجي بين 10 ميلليمتر (0.4 بوصة) و 100 ميكرومتر (0.004 بوصة). وتستخدم الموجات المكروية في الاتصالات ذات النطاق الترددي العالي، والرادار، وكمصدر حراري لأفران الموجات المكروية المعروفة بأجهزة الميكروويف وأيضًا في تطبيقات صناعية أخرى.

الأشعة تحت الحمراء

تقع الأشعة تحت الحمراء في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات المكروية والضوء المرئي، ولها ترددات تقع بين 30 تيراهيرتز و 400 تيراهيرتز وأطوال موجية بين 100 مايكرومتر (0.004 بوصة) و 740 نانو متر (0.00003 بوصة). لا يمكن رصد الأشعة تحت الحمراء بالعين البشرية، لكن يمكننا أن نشعر بها إذا كانت كثافتها كافية.

الضوء المرئي

يقع الضوء المرئي في مُنتصف الطيف الكهرومغناطيسي، بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، ولديها ترددات بين 400 تيراهيرتز و 800 تيراهيرتز وأطوال موجية بين 740 نانو متر (0.00003 بوصة) و 380 نانو متر (0.000015 بوصة). وبشكل عام، يتم وصف الضوء المرئي كأطوال موجية يمكن ملاحظتها بالعين المجردة.

الأشعة الفوق بنفسجية

تقع الأشعة الفوق بنفسجية في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الضوء المرئي والأشعة السينية، ولها ترددات بين 8×10¹⁴ هرتز 3×10¹⁶ هيرتز، وطول موجي بين 380 نانو متر (0.000015 بوصة) و 10 نانو متر (0.0000004 بوصة). ضوء الأشعة فوق البنفسجية هو أحد مكونات ضوء الشمس، ومع ذلك، فهو غير مرئي للعين البشرية. وبرغم من أن له تطبيقات طبية وصناعية عديدة، إلا إنه يُمكن أن يدمر الأنسجة الحية.

الأشعة السينية

تُصنّف الأشعة السينية لنوعين وهما: أشعة سينية خفيفة، وأشعة سينية حادة، تقع الأشعة السينية الخفيفة في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما، ولديها ترددات بين 3×10¹⁶ و 10¹⁸ هيرتز وأطوال موجية بين 10 نانومتر و 100 بيكومتر. وتقع الأشعة السينية الحادة في نفس نطاق الطيف الكهرومغناطيسي كأشعة جاما، والفرق الوحيد بينهما هو مصدر كل منهما: يتم إنتاج الأشعة السينية من تسريع الإلكترون، في حين تنتج إشعاعات جاما من بواسطة الأنوية الذرية.

إشعاعات جاما

تقع إشعاعات جاما في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي فوق الأشعة السينية الخفيفة، ولديها ترددات أكبر من 10¹⁸ هرتز وأطوال موجية أقل من 100 بيكومتر، وتدمر هذه الأشعة الأنسجة الحية، مما يجعله مفيدًا في قتل الخلايا السرطانية عند استخدامه بجرعات يتم قياسها بدقة في مناطق صغيرة، ومع ذلك، فإن التعرض الغير مضبوط أمر خطير للغاية بالنسبة للبشر.

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

ترجمة: أمين يوسف.
مراجعة: أحمد رضا.

https://www.livescience.com/38169-electromagnetism.html