اشعة كهرومغناطيسية

الإشعاع الكهرومغناطيسي (EM) هو شكل من أشكال الطاقة الموجودة في كل مكان حولنا وتتخذ أشكالًا عديدة ، مثل موجات الراديو ، والموجات الدقيقة ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما. ضوء الشمس هو أيضًا شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية ، لكن الضوء المرئي ليس سوى جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي ، والذي يحتوي على مجموعة واسعة من الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية.

النظرية الكهرومغناطيسية

كان يُعتقد أن الكهرباء والمغناطيسية قوتان منفصلتان. ومع ذلك ، في عام 1873 ، طور الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل نظرية موحدة للكهرومغناطيسية. تتناول دراسة الكهرومغناطيسية كيفية تفاعل الجسيمات المشحونة كهربائيًا مع بعضها البعض ومع المجالات المغناطيسية.

هناك أربعة تفاعلات كهرومغناطيسية رئيسية:

• تتناسب قوة التجاذب أو التنافر بين الشحنات الكهربائية عكسًا مع مربع المسافة بينهما.
• تأتي الأقطاب المغناطيسية في أزواج تجذب وتتنافر ، مثلما تفعل الشحنات الكهربائية.
• ينتج تيار كهربائي في سلك مجال مغناطيسي يعتمد اتجاهه على اتجاه التيار.
• ينتج المجال الكهربائي المتحرك مجالًا مغناطيسيًا والعكس صحيح.

طور ماكسويل أيضًا مجموعة من الصيغ ، تسمى معادلات ماكسويل ، لوصف هذه الظواهر.

الأمواج والحقول

يتم إنشاء الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما يتم تسريع جسيم ذري ، مثل الإلكترون ، بواسطة مجال كهربائي ، مما يؤدي إلى تحركه. تنتج الحركة مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة تنتقل بزوايا قائمة مع بعضها البعض في حزمة من الطاقة الضوئية تسمى الفوتون. تنتقل الفوتونات في موجات توافقية بأقصى سرعة ممكنة في الكون: 186282 ميلًا في الثانية (299،792،458 مترًا في الثانية) في فراغ ، يُعرف أيضًا باسم سرعة الضوء. للموجات خصائص معينة ، مثل التردد أو الطول الموجي أو الطاقة.

الطول الموجي هو المسافة بين قمتين متتاليتين للموجة. هذه المسافة معطاة بالمتر (م) أو كسور منها. التردد هو عدد الموجات التي تتشكل في فترة زمنية معينة. عادة ما يتم قياسه على أنه عدد دورات الموجة في الثانية ، أو هيرتز (هرتز). يعني الطول الموجي القصير أن التردد سيكون أعلى لأن دورة واحدة يمكن أن تمر في فترة زمنية أقصر ، وفقًا  لجامعة ويسكونسن . وبالمثل ، فإن الطول الموجي الأطول له تردد أقل لأن كل دورة تستغرق وقتًا أطول حتى تكتمل.

الطيف الكهرومغناطيسي

يمتد إشعاع EM على مدى هائل من الأطوال الموجية والترددات. يُعرف هذا النطاق بالطيف الكهرومغناطيسي. ينقسم الطيف الكهرومغناطيسي عمومًا إلى سبع مناطق ، بترتيب تناقص الطول الموجي وزيادة الطاقة والتردد. التسميات الشائعة هي: موجات الراديو ، الموجات الدقيقة ، الأشعة تحت الحمراء (IR) ، الضوء المرئي ، الأشعة فوق البنفسجية (UV) ، الأشعة السينية وأشعة جاما. عادة ، يتم التعبير عن الإشعاع منخفض الطاقة ، مثل موجات الراديو ، على أنه تردد ؛ عادة ما يتم التعبير عن الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء والأشعة المرئية والأشعة فوق البنفسجية على أنها طول موجي ؛ والإشعاع عالي الطاقة ، مثل الأشعة السينية وأشعة جاما ، يتم التعبير عنها من حيث الطاقة لكل فوتون.

موجات الراديو

موجات الراديو هي في أدنى نطاق من الطيف الكهرومغناطيسي ، مع ترددات تصل إلى حوالي 30 مليار هيرتز ، أو 30 جيجاهيرتز (GHz) ، وأطوال موجية أكبر من حوالي 10 ملم (0.4 بوصة). يستخدم الراديو في المقام الأول للاتصالات بما في ذلك الصوت والبيانات والوسائط الترفيهية.

المايكرويف

تقع الموجات الدقيقة في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الراديو والأشعة تحت الحمراء. لديهم ترددات من حوالي 3 جيجا هرتز إلى حوالي 30 تريليون هرتز ، أو 30 تيراهيرتز (THz) ، وأطوال موجية من حوالي 10 ملم (0.4 بوصة) إلى 100 ميكرومتر (ميكرومتر) ، أو 0.004 بوصة. تستخدم الموجات الدقيقة للاتصالات ذات النطاق الترددي العالي والرادار وكمصدر حرارة لأفران الميكروويف والتطبيقات الصناعية.

الأشعة تحت الحمراء

الأشعة تحت الحمراء تقع في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات الدقيقة والضوء المرئي. الأشعة تحت الحمراء لها ترددات من حوالي 30 THz إلى حوالي 400 THz وأطوال موجية من حوالي 100 ميكرومتر (0.004 بوصة) إلى 740 نانومتر (نانومتر) ، أو 0.00003 بوصة. ضوء الأشعة تحت الحمراء غير مرئي للعين البشرية ، ولكن يمكننا أن نشعر به كحرارة إذا كانت شدته كافية.

ضوء مرئي

يوجد الضوء المرئي في منتصف الطيف الكهرومغناطيسي ، بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. لها ترددات من 400 تيراهيرتز إلى 800 تيراهيرتز وأطوال موجية من حوالي 740 نانومتر (0.00003 بوصة) إلى 380 نانومتر (.000015 بوصة). بشكل عام ، يتم تعريف الضوء المرئي على أنه الأطوال الموجية المرئية لمعظم عيون الإنسان.

فوق بنفسجي

يقع الضوء فوق البنفسجي في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الضوء المرئي والأشعة السينية. لها ترددات من حوالي 8 × 10 ¹⁴  إلى 3 × 10 ¹⁶  هرتز وأطوال موجية من حوالي 380 نانومتر (.000015 بوصة) إلى حوالي 10 نانومتر (0.0000004 بوصة). ضوء الأشعة فوق البنفسجية هو أحد مكونات ضوء الشمس. ومع ذلك ، فهو غير مرئي للعين البشرية. لها العديد من التطبيقات الطبية والصناعية ، لكنها يمكن أن تلحق الضرر بالأنسجة الحية.

الأشعة السينية

تصنف الأشعة السينية تقريبًا إلى نوعين: الأشعة السينية اللينة والأشعة السينية القاسية. تشتمل الأشعة السينية اللينة على نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما. الأشعة السينية اللينة لها ترددات من حوالي 3 × 10 ¹⁶  إلى حوالي 10 ¹⁸  هرتز وأطوال موجية من حوالي 10 نانومتر (4 × 10 ⁷  بوصات) إلى حوالي 100 بيكومتر (م) ، أو 4 × 10 ⁸  بوصات. تحتل الأشعة السينية الصلبة نفس المنطقة من الطيف الكهرومغناطيسي مثل أشعة جاما. الفرق الوحيد بينهما هو مصدرها: يتم إنتاج الأشعة السينية عن طريق تسريع الإلكترونات ، بينما يتم إنتاج أشعة جاما بواسطة النوى الذرية.

أشعة غاما

أشعة جاما تقع في نطاق الطيف فوق الأشعة السينية اللينة. أشعة جاما لها ترددات أكبر من حوالي 10 هرتز وأطوال موجية أقل من 100 م (4 × 10 ⁻⁹  بوصات). يتسبب إشعاع جاما في تلف الأنسجة الحية ، مما يجعله مفيدًا لقتل الخلايا السرطانية عند استخدامه بجرعات محسوبة بعناية في مناطق صغيرة. ومع ذلك ، فإن التعرض غير المنضبط يمثل خطورة بالغة على البشر.