قد تعتقد أن العالم هو في الأساس ما يمكنك رؤيته أمامك، لكن فكر للحظة وستدرك أن هذا ليس صحيحًا، عندما تغمض عينيك، لا يتوقف العالم عن الوجود لمجرد عدم وجود ضوء يمكن رؤيته من ضمن طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي.
بالتفكير بشكل جانبي، ماذا لو كنت مجموعة رادار مثبتة على طائرة؟ ثم يمكنك مساعدة الطيارين على الرؤية في الظلام أو سوء الأحوال الجوية من خلال الكشف عن موجات الراديو المنعكسة. وإذا كنت كاميرا حساسة للأشعة السينية، يمكنك حتى أن ترى من خلال الأجسام أو المباني!
الضوء الذي يمكننا رؤيته هو جزء واحد فقط من كل الطاقة الكهربائية والمغناطيسية التي تطن حول عالمنا. تعمل موجات الراديو والأشعة السينية وأشعة جاما والميكروويف بطريقة مشابهة جدًا.
مجتمعة، هذه الطاقة تسمى الطيف الكهرومغناطيسي. دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما يعنيه ذلك!
ما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي؟
تسمى الموجات الضوئية وأنواع الطاقة الأخرى التي تشع (تنتقل) من مكان إنتاجها بالإشعاع الكهرومغناطيسي. معًا، يشكلون ما يُعرف بالطيف الكهرومغناطيسي.
يمكن لأعيننا أن ترى فقط جزءًا محدودًا من الطيف الكهرومغناطيسي، وهو قوس قزح الملون الذي نراه في الأيام المشمسة الممطرة، وهو جزء صغير جدًا من كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي ينطلق عبر عالمنا.
نحن نسمي الطاقة التي يمكننا رؤيتها بالضوء المرئي، وهي مثل موجات الراديو والميكروويف وكل ما تبقى، تتكون من موجات كهرومغناطيسية. هذه أنماط موجية من الكهرباء والمغناطيسية تتسابق بزوايا قائمة مع بعضها البعض، بسرعة الضوء (300000 كم في الثانية أو 186000 ميل في الثانية، وهي سريعة بما يكفي للذهاب 400 مرة حول العالم في دقيقة واحدة!).
يمتد الضوء الذي يمكننا رؤيته في طيف من اللون الأحمر (أقل تردد وأطول موجة للضوء يمكن أن تسجله أعيننا) من خلال البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي إلى البنفسجي (أعلى تردد وأقصر طول موجي يمكننا رؤيته).
ما أنواع الطاقة التي يتكون منها الطيف الكهرومغناطيسي؟
ما هي الأنواع الأخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تطلقها الأجسام؟ فيما يلي عدد قليل منهم، تراوحت بالترتيب من الطول الموجي الأطول إلى الأقصر. لاحظ أن هذه ليست أشرطة محددة حقًا ذات حواف صلبة: فهي تتداخل مع بعضها البعض مع بعض التداخل بينها.
- موجات الراديو.
إذا كانت أعيننا ترى موجات الراديو، فيمكننا (نظريًا) مشاهدة البرامج التلفزيونية بمجرد التحديق في السماء! حسنًا، ليس حقًا، لكنها فكرة جيدة. الحجم النموذجي: 30 سم – 500 م. تغطي موجات الراديو نطاقًا كبيرًا من الترددات، وتتراوح أطوالها الموجية من عشرات السنتيمترات للموجات عالية التردد إلى مئات الأمتار للترددات المنخفضة. هذا ببساطة لأن أي موجة كهرومغناطيسية أطول من الميكروويف تسمى موجة الراديو.
- موجات الميكروويف.
من الواضح أنها تستخدم للطهي في أفران الميكروويف، ولكن أيضًا لنقل المعلومات في أجهزة الرادار. تشبه الموجات الدقيقة موجات الراديو قصيرة الموجة. الحجم النموذجي: 15 سم.
- الأشعة تحت الحمراء.
ما وراء الضوء الأحمر الذي يمكننا رؤيته، بتردد أقصر قليلاً، يوجد نوع من “الضوء الساخن” غير المرئي يسمى الأشعة تحت الحمراء. على الرغم من أننا لا نستطيع رؤيته، يمكننا أن نشعر به وهو يسخن بشرتنا عندما يلامس وجهنا، وهذا ما نعتقد أنه حرارة مشعة. إذا تمكنا، مثل الأفاعي الجرسية، من رؤية الأشعة تحت الحمراء، فسيكون الأمر أشبه بامتلاك عدسات رؤية ليلية مدمجة في رؤوسنا. الحجم النموذجي: 0.01 مم.
- الضوء المرئي.
الضوء الذي يمكننا رؤيته في الواقع هو مجرد شريحة صغيرة في منتصف الطيف. الحجم النموذجي: 550 نانومتر.
إقرأ أيضاً… من أين يأتي الضوء؟
- الأشعة فوق البنفسجية.
هذا نوع من الضوء الأزرق الذي يقع خلف الضوء البنفسجي ذو التردد الأعلى الذي يمكن أن تكتشفه أعيننا. تنقل الشمس أشعة فوق بنفسجية قوية لا يمكننا رؤيتها: لهذا السبب يمكن أن تتعرض لحروق الشمس حتى عندما تسبح في البحر أو في الأيام الملبدة بالغيوم، ولماذا تعتبر الواقي من الشمس مهمًا جدًا. الحجم النموذجي: 500 نانومتر.
- الأشعة السينية.
نوع مفيد جدًا من الموجات عالية الطاقة المستخدمة على نطاق واسع في الطب والأمن. اكتشف المزيد في مقالتنا الرئيسية عن الأشعة السينية. الحجم النموذجي: 0.1 نانومتر.
- أشعة جاما.
وهي أكثر أشكال الموجات الكهرومغناطيسية نشاطًا وخطورة. أشعة جاما هي نوع من الإشعاع الضار. الحجم النموذجي: 0.000001 نانومتر.
الطيف الكهرومغناطيسي: نظرة متعمقة.
جميع الأنواع المختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي هي في الأساس نفس “الأشياء” مثل الضوء: إنها أشكال من الطاقة تنتقل في خطوط مستقيمة، بسرعة الضوء (300000 كم أو 186000 ميل في الثانية)، عندما تتذبذب الاهتزازات الكهربائية والمغناطيسية من جانب إلى آخر. معًا، نشير إلى هذه الأشكال من الطاقة بالطيف الكهرومغناطيسي.
يمكنك التفكير في الأمر كنوع من الطيف الفائق الضخامة الذي يمتد على جانبي الطيف الأصغر الذي يمكننا رؤيته بالفعل (قوس قزح للألوان الفاتحة). هناك الكثير من صور الطيف الكهرومغناطيسي المتاحة على الإنترنت، لذلك لن ننزعج عن رسمها لك مرة أخرى.
من اكتشف الطيف الكهرومغناطيسي؟
حتى القرن التاسع عشر، اعتقد العلماء أن الكهرباء والمغناطيسية شيئان منفصلان تمامًا. بعد ذلك، وبعد سلسلة من التجارب المذهلة، أصبح من الواضح أنهما مرتبطان ببعضهما البعض بشكل وثيق للغاية. يمكن للكهرباء أن تسبب المغناطيسية والعكس صحيح!
حوالي عام 1820، أظهر الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن السلك الكهربائي سينتج نمطًا من المغناطيسية حوله. بعد حوالي عقد من الزمان، أثبت الكيميائي الإنجليزي مايكل فاراداي أن العكس يمكن أن يحدث أيضًا، يمكنك استخدام المغناطيسية لتوليد الكهرباء، مما دفعه إلى تطوير المحركات الكهربائية ومولدات الكهرباء التي تعمل الآن على تشغيل عالمنا.
بفضل العمل الرائد لأشخاص مثلهم، تمكن عالم عظيم آخر، وهو جيمس كليرك ماكسويل من التوصل إلى نظرية واحدة تشرح كلاً من الكهرباء والمغناطيسية. لخص ماكسويل كل ما اكتشفه الناس في أربع معادلات بسيطة لإنتاج نظرية رائعة للكهرومغناطيسية، والتي نشرها في عام 1873.
كما أدرك أن الكهرومغناطيسية يمكن أن تنتقل في شكل موجات، بسرعة الضوء، وخلص إلى أن الضوء نفسه يجب أن يكون نوعًا من الموجات الكهرومغناطيسية. بعد حوالي عقد من وفاة ماكسويل ، أصبح الفيزيائي الألماني اللامع هاينريش هيرتز أول شخص ينتج الموجات الكهرومغناطيسية في المختبر.
أدى هذا العمل إلى تطوير الراديو والتلفزيون – ومؤخراً – أشياء مثل الإنترنت اللاسلكي.
إقرأ أيضاً… ما هي ظاهرة تشتت الضوء؟
كيف يمكننا “رؤية” الأجزاء الأخرى من الطيف؟
تلتقط أعيننا الضوء من شريحة صغيرة واحدة فقط من الطيف، لكن الكون يعج بأنواع أخرى من الإشعاع. إذا أردنا “رؤية” ما وراء الحدود الكهرومغناطيسية لأعيننا، فيمكننا استخدام تلسكوبات “مضبوطة” على أطوال موجية أعلى أو أقل. يستخدم علماء الفلك جميع أنواع التلسكوبات، بعضها على الأرض والبعض الآخر في الفضاء، لجمع معلومات حول الأجسام البعيدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تصدره.
- موجات الراديو.
تلتقط هوائيات أطباق الأقمار الصناعية العملاقة موجات راديو طويلة الموجة وعالية التردد. أكبر تلسكوب لاسلكي على الأرض هو التلسكوب الكروي ذو الفتحة البالغ ارتفاعها خمسمائة متر (FAST) في الصين، كما يصل حجمه إلى ضعف حجم مرصد أريسيبو الشهير 305 م (1000 قدم) في بورتوريكو، والذي كان الأكبر في العالم. لمدة نصف قرن، ولكن يتم إيقاف تشغيلها الآن.
- المايكرويف.
نظرًا لأن الموجات الدقيقة الكونية لا يمكنها اختراق الغلاف الجوي للأرض بالكامل، يتعين علينا دراستها من الفضاء. كان مستكشف الخلفية الكونية (COBE)، الذي تم إطلاقه في عام 1989 وتم تعطيله في عام 1993، عبارة عن قمر صناعي فضائي مصمم للقيام بذلك.
- الأشعة تحت الحمراء.
يمتص الماء الموجود في الغلاف الجوي للأرض الأشعة تحت الحمراء؛ دراسة هذا النوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي هي وظيفة أخرى لقمر صناعي في الفضاء، مثل القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS)، الذي عمل لمدة 10 أشهر خلال عام 1983.
إقرأ أيضاً… ما هي الأشعة تحت الحمراء؟ وما هي خصائصها؟
- الضوء المرئي.
يعد التقاط الضوء المرئي من الفضاء أحد الأشياء التي يمكننا دراستها بسهولة من الأرض باستخدام أي تلسكوب بصري تقليدي. هذا هو التلسكوب التاريخي الانكساري مقاس 66 سم (26 بوصة) في المرصد البحري الأمريكي في واشنطن العاصمة، ومع ذلك، فإن التلسكوبات الأرضية مثل هذه يمكن أن تلتقط الكثير فقط. ومن هنا تأتي الحاجة إلى التلسكوبات (مثل تلسكوب هابل وبديله تلسكوب جيمس ويب) التي تنتقل إلى الفضاء.
- ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
يمكن أن تتسبب الأشعة فوق البنفسجية في الإصابة بسرطان الجلد، لذا فهي وظيفة جيدة تمتص الكثير منها بواسطة طبقة الأوزون على الأرض. لسوء الحظ، فإن الجانب السلبي لهذا هو أنه يتعين علينا دراسة الضوء فوق البنفسجي القادم من الفضاء باستخدام أقمار صناعية مثل مستكشف الأشعة فوق البنفسجية الدولي (IUE)، والذي عمل لمدة عقدين تقريبًا بين عامي 1978 و 1996.
- الأشعة السينية.
فكر في الأشعة السينية وربما تفكر في عظام مكسورة، لكنها تدور أيضًا في الفضاء الدائري. يمنع الغلاف الجوي للأرض هذه الأشعة الخطرة عالية الطاقة من الوصول إلى التلسكوبات على الأرض، لكن التلسكوبات الفضائية، مثل قمر رونتجن (ROSAT) (الذي كان يعمل بين عامي 1990 و 1999)، تمكنت من رصدها في الفضاء.
- أشعة غاما.
يتم حظر أشعة جاما عالية الطاقة أيضًا بواسطة الغلاف الجوي للأرض، لذلك نحتاج إلى تلسكوبات فضائية لدراسة تلك أيضًا، مثل مرصد كومبتون لأشعة غاما، الذي عمل من عام 1991 إلى عام 2000. سُمي كومبتون على اسم عالم الفيزياء الأمريكي آرثر هولي كومبتون، وهو من أوائل العلماء الذين درسوا الأشعة الكونية.