الإشعاع الكهرومغناطيسي هو شكل من أشكال الطاقة الموجودة حولنا ويتخذ العديد من الأشكال، منها موجات الراديو، وأشعة الميكروويف، و الأشعة السينية ، و أشعة جاما . يُشكل ضوء الشمس أيضًا شكلًا من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية، لكن الضوء المرئي ليس إلا جزءًا صغيرًا من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يحتوي على مجموعة واسعة من الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية.
نظرية الكهرومغناطيسية
اعتُقد أن الكهرباء والمغناطيسية قوتان منفصلتان. لكن في عام 1873، طور عالم الفيزياء الأسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل نظريةً موحدةً للقوتين. تتناول دراسة الكهرومغناطيسية طريقة تفاعل الجسيمات المشحونة كهربائيًا مع بعضها البعض ومع الحقول المغناطيسية.
توجد أربعة تفاعلات كهرومغناطيسية رئيسية:
- تتناسب قوة جذب أو تنافر الشحنات الكهربائية عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.
- توجد الأقطاب المغناطيسية في أزواج تتجاذب وتتنافر عن بعضها، كالشحنات الكهربائية.
- يُنتِج التيار الكهربائي المار في سلك مجالًا مغناطيسيًا يعتمد اتجاهه على اتجاه التيار.
- يُنتِج الحقل الكهربائي المتحرك مجالًا مغناطيسيًا، والعكس صحيح.
طور ماكسويل أيضًا مجموعة من الصيغ الرياضية تسمى معادلات ماكسويل لوصف هذه الظواهر.
موجاتٌ ومجالات
يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي عند تسريع جسيم ذري مثل الإلكترون بواسطة مجال كهربائي مؤديًا إلى تحريكه. تنتِج الحركة مجالات كهربائيةً ومغناطيسيةً متذبذبة تنتقل بزوايا قائمة نسبة إلى بعضها في حزمة من الطاقة الضوئية تسمى الفوتون.
تنتقل الفوتونات في موجات توافقية بأسرع سرعة ممكنة في الكون وهي 186,282 ميلًا في الثانية (299,792,458 مترًا في الثانية) في الفراغ؛ ما يُعرَف بسرعة الضوء. تتمتع الموجات بخصائص معينة مثل تردد أو طول موجي أو طاقة محددة.
الطول الموجي هو المسافة بين ذروتين متتاليتين لموجة. تُقاس هذه المسافة بالأمتار أو كسورها. والتردد هو عدد الموجات المتشكلة في فترة معينة من الزمن. يُقاس التردد عادةً بعدد دورات الموجة في الثانية أو الهرتز.
ووفقًا لجامعة ويسكونسن ينتِج الطول الموجي القصير ترددًا أعلى نتيجةً لمرور الدورات الكاملة في فترة زمنية أقصر. وبالعكس، ينتج الطول الموجي الأطول ترددًا أقل لأن كل دورة تستغرق وقتًا أطول لإكمالها.
الطيف الكهرومغناطيسي
يمتد الإشعاع إلى مجموعة هائلة من الأطوال الموجية والترددات. يُعرف هذا النطاق باسم الطيف الكهرومغناطيسي. ينقسم الطيف إلى سبع مناطق، تتدرج حسب قِصر طول الموجة وزيادة الطاقة والتردد.
وتسمياتها الشائعة هي: موجات الراديو، الموجات الصغرية (أشعة الميكروويف)، الأشعة تحت الحمراء، الضوء المرئي، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية وأشعة جاما. يُعبَر عن الإشعاع منخفض الطاقة مثل موجات الراديو وفقًا لترددها، ويُعبَر عن أشعة الميكروويف والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية وفقًا لطولها الموجي، أما الإشعاع عالي الطاقة مثل الأشعة السينية وأشعة غاما فيُعبَر عنه بمصطلحات الطاقة لكل فوتون.
موجات الراديو
تقع موجات الراديو في أدنى مدى الطيف الكهرومغناطيسي، تصل تردداتها إلى حوالي 30 مليار هيرتز، أو 30 جيجا هرتز، وأطوالها الموجية أكبر من حوالي 10 مليمترات. تُستخدم هذه الموجات لإيصال الصوت والبيانات ووسائل الإعلام الترفيهية.
أشعة الميكروويف
تقع هذه الموجات بين أشعة الراديو والأشعة تحت الحمراء. تبدأ تردداتها من 3 غيغاهرتز إلى 30 تريليون هيرتز، أو 30 تيراهرتزًا، وتبدأ أطوالها الموجية من حوالي 10 مليمترات إلى 100 ميكرومتر (ميكرون). تُستَخدم في الاتصالات ذات النطاق الترددي العالي والرادار وبمثابة مصدر للحرارة لأفران الميكروويف والتطبيقات الصناعية.
الأشعة تحت الحمراء
تقع الأشعة تحت الحمراء بين أشعة الميكروويف والضوء المرئي. تبدأ تردداتها من 30 تيراهرتزًا إلى 400 تيراهرتز، وتبدأ أطوالها الموجية من 100 ميكرون إلى 740 نانومترًا. إن ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مرئي للعين البشرية، ولكن يمكن الشعور به كحرارة إذا كانت كثافته كافية.
الضوء المرئي
يقع الضوء المرئي في منتصف الطيف الكهرومغناطيسي، بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. يبدأ تردده من حوالي 400 تيراهرتز إلى 800 تيراهرتز ، وتمتد أطواله الموجية من حوالي 740 نانومترًا إلى 380 نانومترًا. تُعرف موجات الضوء المرئي بأنها الأطوال الموجية المرئية لمعظم عيون البشر.
الأشعة فوق البنفسجية
تقع بين الضوء المرئي والأشعة السينية. تبدأ تردداتها من 8 × 10 أس 14 إلى 3 × 10 أس 16 هرتز، وتمتد أطوالها الموجية من حوالي 380 نانومترًا إلى حوالي 10 نانومترات . تُعتبر الأشعة فوق البنفسجية أحد عناصر أشعة الشمس، ولكنها غير مرئية للعين البشرية. لها العديد من التطبيقات الطبية والصناعية، لكن بإمكانها أيضًا إتلاف الأنسجة الحية.
أشعة X أو الأشعة السينية
تُصنف الأشعة السينية إلى نوعين: الأشعة السينية اللينة والأشعة السينية القوية أو الصلبة. تقع الأشعة السينية اللينة بين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما. تبدأ تردداتها من حوالي 3 × 10 أس 16 إلى حوالي 10 أس 18 هرتز، وتمتد أطوالها الموجية من حوالي 10 نانومترات إلى حوالي 100 بيكومتر.
تحتل أشعة إكس الصلبة وأشعة جاما نفس المنطقة من الطيف المغناطيسي، والفرق الوحيد بينهما هو مصدرهما؛ إذ تُنتَج الأشعة السينية عن طريق تسريع الإلكترونات، في حين تُنتج أشعة جاما بواسطة نواة الذرة.
أشعة غاما
تقع أشعة جاما فوق الأشعة السينية اللينة على الطيف الكهرومغناطيسي. تردداتها أكبر من حوالي 10 أس 18 هرتز وأطوالها الموجية أقل من 100 بيكومتر . تسبب أشعة جاما أضرارًا للأنسجة الحية، ما يجعلها مفيدةً لقتل الخلايا السرطانية عند تعريض مناطق صغيرة من الجسم لجرعات مقاسة بعناية. أما التعرض غير المتحكم لها فهو يشكل خطرًا شديدًا على البشر.
اقرأ أيضًا:
صنع العلماء لأول مرة حلقة مستقرة من البلازما في الهواء الطلق
ترجمة: رتاج إبراهيم
تدقيق: حسام التهامي
