في الأشعة السينية والراديو.. الموجات الكهرومغناطيسية واستخداماتها

الإشعاع الكهرومغناطيسي هو إحدى الطرق العديدة التي تنتقل بها الطاقة عبر الفراغ، مثل: الحرارة الناتجة عن النار المشتعلة، وضوء الشمس، والأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء، وكذلك الطاقة المستخدمة لطهي الطعام في الميكرويف، كلها أشكال من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

في حين أن هذه الأشكال من الطاقة قد تبدو مختلفة تماما عن بعضها البعض، إلا أنها مرتبطة من حيث إظهارها لخصائص تشبه الموجات، يطلق عليها الموجات الكهرومغناطيسية.. تعرف على الموجات الكهرومغناطيسية، وما الفرق بينها وبين الموجات الميكانيكية؟

الموجات الميكانيكية

• الموجات الميكانيكية والموجات الكهرومغناطيسية طريقتان مهمتان تنتقل بهما الطاقة في العالم من حولنا، وتعتبر الموجات في الماء والموجات الصوتية في الهواء مثالين على الموجات الميكانيكية التي تحدث بسبب اضطراب أو اهتزاز في المادة، سواء كانت صلبة أو غازية أو سائلة.
• تسمى المادة التي تنتقل خلالها الموجات بالوسط، فموجات الماء على سبيل المثال تتكون عن طريق الاهتزازات في السائل، وتتكون الموجات الصوتية من الاهتزازات في الغاز (الهواء)، وتنتقل هذه الموجات الميكانيكية عبر الوسيط عن طريق التسبب في اصطدام الجزيئات ببعضها البعض؛ لذلك، لا يمكن أن تنتقل الموجات الصوتية في فراغ الفضاء لأنه لا يوجد وسيط لنقل هذه الموجات الميكانيكية.

الموجات الكهرومغناطيسية

• تختلف الموجات الكهرومغناطيسية عن الموجات الميكانيكية من حيث إنها لا تتطلب وسيطا للانتشار؛ هذا يعني أن الموجات الكهرومغناطيسية يمكنها الانتقال ليس فقط عبر الهواء والمواد الصلبة، ولكن أيضا عبر فراغ الفضاء!
• تتشكل الموجات الكهرومغناطيسية عندما يتلامس مجال كهربائي مع مجال مغناطيسي، ومن ثم فهي تعرف باسم الموجات «الكهرومغناطيسية»، ويكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية متعامدين مع بعضهما البعض، وكذلك مع اتجاه الموجة الكهرومغناطيسية.
• يمكن للموجة الكهرومغناطيسية أن تنتقل عبر أي شيء، سواء كان الهواء، أو مادة صلبة، أو كان فراغا بسرعة ثابتة تبلغ 3.00 × 108 مللي في الثانية في الفراغ، وتلك الموجات لا تنحرف أبدا عن طريق المجال الكهربائي ولا عن طريق المجال المغناطيسي، ومع ذلك، فهي قادرة على إظهار التداخل.
• لا تحتاج الموجات الكهرومغناطيسية إلى وسيط للتكاثر أو الانتقال من مكان إلى آخر، كما أنها موجات عرضية، أي يتم قياسها من خلال اتساعها (ارتفاعها)، وطولها الموجي، (المسافة بين أعلى أو أدنى نقطة لموجتين متتاليتين).
• تعرف أعلى نقطة في الموجة باسم «القمة»، بينما تعرف أدنى نقطة باسم «القاع»، ويمكن تقسيم الموجات الكهرومغناطيسية إلى نطاق من الترددات يعرف بالطيف الكهرومغناطيسي.

أمثلة الموجات الكهرومغناطيسية

• موجات الراديو.
• الموجات الدقيقة.
• موجات الأشعة تحت الحمراء.
• موجات الأشعة السينية.
• موجات أشعة جاما.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

1. الاستقطاب

• من الخصائص الفيزيائية للضوء أنه يمكن أن يكون مستقطبا، وكذلك الموجات الكهرومغناطيسية، والاستقطاب هو قياس محاذاة المجال الكهرومغناطيسي، فالمجال الكهربائي يكون دائما مستقطبا عموديا على المجال المغناطيسي، والعكس بالعكس.
• يعتبر استقطاب المجال الكهربائي والمجال الكهرومغناطيسي هو العامل الأساسي لتكون الموجات الكهرومغناطيسية وتكرارها بشكل منتظم، هذا مشابه لكيفية قدرة النظارات الشمسية على التخلص من الوهج من خلال امتصاص الجزء المستقطب من ضوء الشمس.

2. التردد

• يوصف عدد القمم التي تمر بنقطة معينة خلال ثانية واحدة على أنها تردد الموجة الكهرومغناطيسية، والموجة الواحدة في الثانية تسمى «هرتز»، نسبة إلى العالم الفيزيائي هاينريش هيرتز الذي أثبت وجود موجات الراديو.
• ويعتمد مقدار تردد الموجة الكهرومغناطيسية على عدد مرات مرور الموجة على نقطة واحدة في ثانية واحدة، على سبيل المثال: الموجة ذات دورتين وتمر بنقطة واحدة مرتين في ثانية واحدة لها تردد 2 هرتز.

3. الطول الموجي

• الموجات الكهرومغناطيسية لها قمم وقيعان مماثلة لتلك الموجات الموجودة في المحيط، وتكون المسافة بين تلك القمم هي الطول الموجي.
• أقصر الأطوال الموجية يمكن أن تكون مجرد أجزاء من حجم الذرة، في حين أن أطول الأطوال الموجية التي يدرسها العلماء حاليا يمكن أن تكون أكبر من قطر كوكبنا!

4. الطاقة

• عندما يقوم الناس بتحريك حبل القفز لأعلى ولأسفل بسرعة كبيرة، فهذا يعني إضافة المزيد من الطاقة، وعندئذ تظهر المزيد من قمم الموجة، وبالتالي تكون الأطوال الموجية أقصر، بينما في حال تحريك حبل القفز لأعلى ولأسفل بشكل أبطأ، يكون هناك عدد أقل من قمم الموجة ضمن نفس المسافة، التي هي طول الحبل الثابت، وبالتالي أطوال موجية أطول، هذا مشابه تماما لما يحدث في عالم الطاقة الكهرومغناطيسية.
• يمكن أيضا وصف الموجة الكهرومغناطيسية من حيث طاقتها بوحدات قياس تسمى إلكترون فولت، والإلكترون فولت هو مقدار الطاقة الحركية اللازمة لتحريك إلكترون خلال جهد واحد فولت.
• بالانتقال على طول الطيف من الأطوال الموجية الطويلة إلى القصيرة، تزداد الطاقة مع تقلص الطول الموجي، مما يعني أن هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة لجعل الموجة الكهرومغناطيسية تحتوي على مزيد من الموجات.