طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

زمان مطالعه: ۷ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به بحث طیف الکترومغناطیسی در کتاب فیزیک دوازدهم (فیزیک ۳) بپردازیم. طیف الکترومغناطیسی‌، موضوعی مشترک در هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

طیف الکترومغناطیسی

در مقاله (امواج الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم)‌، با امواج الکترومغناطیسی آشنا شدید. بسته به ساختار فیزیکی منبع تابش یا گسیل کننده امواج الکترومغناطیسی‌، این امواج می‌توانند فرکانس (یا طول موج، ) متفاوتی داشته باشند. از آنجایی که امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های مختلف‌، خصوصیات فیزیکی متفاوتی دارند، به ویژه هنگام برهمکنش با مواد‌، فیزیکدانان این امواج را بر حسب فرکانس‌ (یا طول موج) دسته‌بندی کردند که به طیف الکترومغناطیسی موسوم است. شکل زیر طیف الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد.

طیف الکترومغناطیسی

شکل (۱) : طیف الکترومغناطیسی

مشاهده می‌فرمایید که طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌های خیلی پایین در ناحیه امواج رادیویی شروع و تا فرکانس‌های خیلی بالا در ناحیه امواج گاما‌، گسترش یافته است. همان‌طور که می‌دانید، فرکانس بر اساس رابطه ساده‌  ، با طول موج در ارتباط است. طبق این رابطه می‌توان گفت که طیف الکترومغناطیسی از طول موج‌های خیلی بلند در ناحیه امواج رادیویی شروع و تا طول موج های خیلی کوتاه در ناحیه امواج گاما گسترش یافته‌اند. لازم به ذکر است که طیف الکترومغناطیسی، طیفی پیوسته است و در هیچ کجای آن‌، گسستگی‌ای وجود ندارد. چشم انسان تن‌ها طیف یا ناحیه خیلی کوچکی از این امواج را می‌تواند ببیند که به طیف مرئی یا به زبان ساده‌تر نور موسوم است.

همان‌طور که در شکل (۱) مشاهده می‌فرمایید‌، امواج الکترومغناطیسی بر حسب افزایش فرکانس به ترتیب زیر هستند:

  • امواج رادیویی
  • میکروموج (مایکروویو)
  • فروسرخ (مادون قرمز)
  • ناحیه مرئی
  • فرابنفش
  • پرتو‌های X
  • پرتو‌های گاما

اگر بخواهیم امواج الکترومغناطیسی را بر حسب طول موج (کم به زیاد) مرتب کنیم‌، کافی است توالی فوق را برعکس کنیم. همان‌طور که در شکل (۱) نیز نشان داده شده است، در فیزیک اپتیک و لیزر با به طور کلی فوتونیک‌، به مجموعه سه طیف یا ناحیه‌، فروسرخ، مرئی و فرابنفش‌، ناحیه اپتیکی می‌گویند.

ناحیه اپتیکی

شکل (۲) : ناحیه اپتیکی (با جزئیات) شامل سه باند فروسرخ، مرئی و فرانبفش

در شکل (۱) دو ناحیه رادیویی و مایکروویو‌، خود به زیر نواحی بر حسب فرکانس تقسیم‌بندی می‌شوند که در علم مهندسی برق مخابرات‌، کاربرد ویژه‌ای دارند.

می‌داینم که تمامی امواج الکترومغناطیسی در خلأ با سرعت ثابت نور حرکت می‌کنند. توجه داشته باشید که منظورمان از تمامی امواج الکترومغناطیسی‌، ماهیت‌های متفاوتی نیست! از دیدگاه جدید فیزیک مدرن‌ (دیدگاه ذره‌ای)، ماهیت تمامی امواج الکترومغناطیسی فوتون است که به آن فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی می‌گویند.

در مقاله (اثر فوتوالکتریک – فیزیک دوازدهم) با مفهوم فوتون آشنا شدیم. فوتون همان بسته‌های کوچک انرژی است که به کوانتوم نور نیز موسوم هستند. انرژی فوتون توسط رابطه \(E=hf\) محاسبه می‌شود. برای هر نوع موج الکترومغناطیسی از امواج با فرکانس پایین رادیویی گرفته تا امواج با فرکانس بالای گاما‌، می‌توان فوتونی در نظر گرفته که فرکانس فوتون همان فرکانس موج الکترومغناطیسی است که انرژی آن \(E=hf\) است.

انرژی فوتون

شکل (۳) : مقدار انرژی فوتون امواج الکترومغناطیسی

پس به توجه داشته باشید که با وجود تفاوت‌های بسیار در فرکانس (بسامد)‌، نحوه تولید و آشکارسازی طیف‌های مختلف از امواج الکترومغناطیسی‌، ماهیت و قوانین حاکم بر همه آن‌ها یکسان است.

کاربرد طیف امواج الکترومغناطیسی

در تصویر زیر، خلاصه‌ای از نحوه تولید‌، آشکارسازی و برخی کاربردهای طیف الکترومغناطیسی آورده شده است.

کاربرد امواج الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی

فعالیت ۳-۵ کتاب فیزیک ۳ (دوازدهم ریاضی و تجربی)

در مورد نواحی اصلی طیف امواج الکترومغناطیسی، چگونگی تولید و کاربردهای آنها تحقیق کنید.

پاسخ: به ترتیب افزایش فرکانس از امواج رادیویی شروع می‌کنیم.

امواج رادیویی

این امواج برحسب افزایش فرکانس، شامل امواج رادیویی AM، رادیویی FM و کانال‌های تلویزیونی TV هستند. این امواج را از آن رو رادیویی می نامند که فرکانس آنها در گستره‌ای است که عمدتاً برای گسیل سیگنال‌های رادیویی (مخابراتی) و تلویزیونی به کار برده می شوند. برای تولید این امواج از مدارهای الکترونیکی به همراه آنتن‌ها استفاده می شود.

امواج میکروموج

از این امواج نیز در ارتباطات استفاده می شود، در تلفن های همراه، تلویزیون های ماهواره ای، و رادار از گسترهٔ این امواج استفاده می شود. اجاق‌های میکروموج (مایکروفر) نیز از این امواج برای پختن غذا استفاده می‌کنند. این امواج ممکن است موجب بروز برخی از سرطان‌ها شوند و نیز با گرم کردن آب موجود در بافت‌های زنده به این بافت‌ها آسیب برسانند. چشمهٔ اصلی این امواج یک لامپ خلأ موسوم به مگنترون است. متناسب با فرکانس امواج مایکروویو یا میکروموج، آنتن‌های متنوعی جهت تولید و آشکارسازی این امواج وجود دارد.

آنتن

نمونه‌ای از آنتن مایکروویو جهت ارتباطات

امواج فروسرخ

به این امواج به این دلیل فروسرخ می گویند که بسامد آنها کمتر از بسامد نور مرئی قرمز است. تابش های گرمایی اجسام با دمای بالای زیر ۵۰۰ درجه سانتی‌ گراد عمدتاً به صورت تابش فرو سرخ (مادون قرمز) است. از جانوران که توانایی آشکارسازی این امواج را دارند از این ویژگی برای دید در شب استفاده می کنند. اجسام با جذب تابش فروسرخ گرم می شوند.

پوست بدن انسان تقریباً همهٔ امواج فروسرخی را که بر آن فرود می آید جذب می کند و وجود این امواج را از طریق گرمای ایجاد شده حس می کند. بنابراین دریافت تابش زیاد امواج فروسرخ می تواند سبب سوختن پوست شود. همچنین از این تابش برای دستگاه های کنترل از راه دور (ریموت کنترل) و دوربین های دید در شب استفاده می شود.

امواج نور مرئی
طیف مرئی

طیف نور یا مرئی

نور مرئی نوار باریکی از امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد که چشم عادی به آن واکنش می دهد. نور قرمز پایین ترین بسامد و بلندترین طول موج مرئی، و نور بنفش بیشترین بسامد و کوتاه ترین طول موج مرئی را دارد. در روشنایی بیشترین حساسیت چشم‌، مربوط به طول موج ۵۵۵نانومتر است که به رنگ زرد – سبز تعلق دارد. حساسیت چشم انسان به سرعت در دو سمت این طول موج کاهش پیدا می‌کند.

حساسیت چشم انسان

میزان حساسیت چشم سالم انسان بر حسب طول موج

امواج فرابنفش

به این امواج به این دلیل فرابنفش می گویند که بسامد آنها بیشتر از بسامد نورمرئی بنفش است. امواج فرابنفش بخشی از تابش گرمایی هستند که توسط اجسام بسیار داغ گسیل می شود. حدود ۷ درصد تابش حاصل از نور خورشید به صورت فرابنفش است. این بخش از تابش نور خورشید سبب تیرگی رنگ پوست و آفتاب سوختگی می شود.

تابش فرابنفش برخلاف تابش فروسرخ باعث گرم شدن پوست نمی شود، بلکه موجب فرایندی شیمیایی در پوست می شود که به تغییر رنگ پوست می انجامد. خوشبختانه بیشتر تابش فرابنفش حاصل از خورشید توسط اتم ها در لایهٔ پوش سپهر (استراتوسفر) جو جو که در فاصلهٔ ۱۲ تا ۵۰ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد، جذب می شود، در غیر این صورت، اثرات زیان بار خطرناکی به انسان وارد می شد.

یکی از اجزای مهم لایه پوش سپهر، اوزون  \((O_{3})\)  است که بر برهمکنش اکسیژن \((O_{2})\) با تابش فرابنفش حاصل می‌شود. اوزون مانع رسیدن تابش فرابنفش مضر به سطح زمین می‌شود.

برخی مواد تحت تابش فرابنفش، نور مرئی گسیل می کنند که به این، خاصیت فلوئورسان یمی گویند و از این ویژگی در برخی مصارف از جمله لامپ های مهتابی و تلویزیون های پلاسما استفاده می شود. تابش فرابنفش کاربردهای فراوانی دارد که از آن جمله استرلیزه کردن محیط ابزارآلات پزشکی و آزمایشگاه های زیست شناسی است.

امواج پرتو‌ های X

چشمه‌های پرتو‌های X، می‌توانند به صورت طبیعی یا مصنوعی باشند. چشمه‌های طبیعی پرتوهای X میتوانند از اجسام نجومی نظیر خوشه‌های کهکشانی، سیاه‌چاله‌ها، ابرنو اخترها، خورشید و …. باشند. پرتو‌های X مصنوعی نیز با تاباندن الکترون‌های پر انرژی به یک هدف فلزی ایجاد می‌شوند.

پرتوهای X در علم پزشکی جهت تشخیص ( به خصوص شکستگی) و درمان برخی سرطان‌ها کاربرد دارد.

اشعه X

چشمه تولید امواج (پرتو) X

پرتوهای X به سادگی در بافت‌های زنده و اندام‌های بدن نفوذ می‌کنند و آن‌ها را تخریب می‌کنند. به همین جهت باید ار انجام آزمایشات غیر ضروری با پرتو X پرهیز کرد. لازم به ذکر است که عنصر سرب با عدد اتمی ۸۲ محافظ خیلی خوبی جهت مسدود کردن و جلوگیری از نفوذ امواج X است.

کاربرد اشعه ایکس

کاربردهای مختلف پرتوهای X

امواج پرتو های گاما

پرانرژی ترین امواج الکترومغناطیسی پرتوهای گاما هستند. پرتوهای گاما در برخی از فرایندهای هسته ای نظیر واپاشی پرتوزا، شکافت و گداخت هسته ای، و نیز در برخی از اجرام سماوی نظیر تپ اخترها (پالسارها)، ستاره های نوترونی، سیاه چاله ها و… تولید می شوند. از این پرتوها نیز در تشخیص و درمان پزشکی استفاده می شود.

ایزوتوپ‌هایی از عناصر با عدد اتمی بالا، پرتوهای گاما گسیل می‌کنند که از آن‌ها برای تشخیص و درمان برخی از سرطان‌ها در علم پزشکی استفاده می‌شود. افرادی که با این امواج در ارتباط هستند در معرض خطر بسیار جدی قرار دارند. چرا که این امواج می‌تواند خود باعث بروز سرطان و از بین رفتن بافت‌های زنده در بدن شود. به همین جهت باید از لباس‌هایی با مواد سنگین جاذب نظیر سرب استفاده شود.

امیدواریم که این مقاله برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. پیشنهاد می‌کنیم نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

مواد مغناطیسی و خواص مغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان – فیزیک یازدهم (۲)

امواج الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

خازن – فیزیک یازدهم (۲)

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان – فیزیک یازدهم (۲)

اصول لیزر – فیزیک دوازدهم (۳)

اثر فوتو الکتریک – فیز‌یک دوازدهم (‌۳‌)

اشکان ابوالحسنی، مدیریت واحد وبلاگ بین جو، کارشناس ارشد فوتونیک (گرایش مخابرات نوری) و دانشجوی دکتری در رشته مهندسی برق مخابرات - گرایش میدان و موج است. در پی علاقه ایشان به مباحث آموزشی، به تولید محتوا در حوزه فیزیک پیش از دانشگاه در وبلاگ بین جو نیز می‌پردازد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *