مقالات

9.1: الضوء: الإشعاع الكهرومغناطيسي - الرياضيات


أهداف التعلم

  • حدد المصطلحين الطول الموجي والتردد فيما يتعلق بطاقة شكل الموجة.
  • اذكر العلاقة بين الطول الموجي والتردد فيما يتعلق بالإشعاع الكهرومغناطيسي.

خلال فصل الصيف ، يستمتع الجميع تقريبًا بالذهاب إلى الشاطئ. يمكن لرواد الشاطئ السباحة والنزهات والعمل على تسميرهم. ولكن إذا تعرض الشخص لأشعة الشمس كثيرًا ، فيمكن أن يحترق. مجموعة معينة من الأطوال الموجية الشمسية ضارة بشكل خاص للجلد. يُعرف هذا الجزء من الطيف الشمسي باسم UV B ، بأطوال موجية (280 ) - (320 : text {nm} ). تعتبر واقيات الشمس فعالة في حماية الجلد من التلف الفوري للجلد واحتمال الإصابة بسرطان الجلد على المدى الطويل.

أمواج

تتميز الموجات بحركتها المتكررة. تخيل لعبة قارب تركب الأمواج في بركة أمواج. عندما تمر الموجة المائية تحت القارب ، تتحرك لأعلى ولأسفل بطريقة منتظمة ومتكررة. بينما تنتقل الموجة أفقيًا ، ينتقل القارب عموديًا فقط لأعلى ولأسفل. يوضح الشكل أدناه مثالين للموجات.

الشكل ( PageIndex {1} ): (أ) تتكون الموجة من قمم التناوب والقيعان. يُعرّف الطول الموجي ( left ( lambda right) ) على أنه المسافة بين أي نقطتين متتاليتين متتاليتين على شكل الموجة. السعة هي ارتفاع الموجة. (ب) الموجة ذات الطول الموجي القصير (أعلى) لها تردد عالٍ لأن المزيد من الموجات تمر بنقطة معينة في فترة زمنية معينة. الموجة ذات الطول الموجي الأطول (القاع) لها تردد أقل.

تتكون دورة الموجة من موجة واحدة كاملة - تبدأ من نقطة الصفر ، صعودًا إلى موجة قمة، العودة إلى الموجة الحوض الصغيروالعودة إلى نقطة الصفر مرة أخرى. ال الطول الموجي من الموجة هي المسافة بين أي نقطتين متقابلتين على الموجات المجاورة. من الأسهل تصور الطول الموجي للموجة على أنها المسافة من قمة موجة إلى التي تليها. في المعادلة ، يتم تمثيل الطول الموجي بالحرف اليوناني lambda ( left ( lambda right) ). اعتمادًا على نوع الموجة ، يمكن قياس الطول الموجي بالأمتار أو السنتيمتر أو النانومتر ( يسار (1 : text {m} = 10 ^ 9 : text {nm} right) ). ال تردد، يمثله الحرف اليوناني nu ( left ( nu right) ) ، هو عدد الموجات التي تعبر نقطة معينة في فترة زمنية محددة. عادة ، يتم قياس التردد بوحدات الدورات في الثانية أو الموجات في الثانية. تسمى الموجة الواحدة في الثانية أيضًا Hertz ( left ( text {Hz} right) ) وفي وحدات SI هي ثانية متبادلة ( left ( text {s} ^ {- 1} right) ).

يوضح الشكل B أعلاه علاقة مهمة بين الطول الموجي وتردد الموجة. من الواضح أن الموجة العلوية لها طول موجي أقصر من الموجة الثانية. ومع ذلك ، إذا تخيلت نفسك عند نقطة ثابتة تشاهد هذه الموجات وهي تمر ، فستمر المزيد من الموجات من النوع الأول في فترة زمنية معينة. وبالتالي فإن تردد الموجة الأولى أكبر من تردد الموجة الثانية. وبالتالي فإن الطول الموجي والتردد يرتبطان عكسياً. كلما زاد الطول الموجي للموجة ، قل ترددها. المعادلة التي تربط الاثنين هي:

[ج = لامدا nu ]

المتغير (ج ) هو سرعة الضوء. لكي تثبت العلاقة رياضيًا ، إذا تم استخدام سرعة الضوء في ( text {m / s} ) ، يجب أن يكون الطول الموجي بالأمتار والتردد بالهرتز.

مثال ( PageIndex {1} ): برتقالي فاتح

يبلغ الطول الموجي للون البرتقالي داخل طيف الضوء المرئي حوالي (620 : text {nm} ). ما هو تردد الضوء البرتقالي؟

حل

خطوات حل المشكلاتمثال ( PageIndex {1} )
حدد المعلومات "المعطاة" وما تطلب منك المشكلة "العثور عليه".

معطى :

  • الطول الموجي ( اليسار ( لامدا اليمين) = 620 : النص {nm} )
  • سرعة الضوء ( left (c right) = 3.00 times 10 ^ 8 : text {m / s} )

البحث: التردد (هرتز)

ضع قائمة بالكميات الأخرى المعروفة. (1 : text {m} = 10 ^ 9 : text {nm} )
حدد الخطوات للحصول على الإجابة النهائية.

1. قم بتحويل الطول الموجي إلى ( text {m} ).

2. قم بتطبيق المعادلة (c = lambda nu ) وحلها من أجل التردد. ينتج عن قسمة طرفي المعادلة على ( lambda ):

( nu = frac {c} { lambda} )

إلغاء الوحدات والحساب.

(620 : text {nm} times left ( frac {1 : text {m}} {10 ^ 9 : text {nm}} right) = 6.20 times 10 ^ {- 7} : نص {م} )

( nu = frac {c} { lambda} = frac {3.0 times 10 ^ 8 : text {m / s}} {6.20 times 10 ^ {- 7}} = 4.8 times 10 ^ {14} : text {Hz} )

فكر في نتيجتك.تقع قيمة التردد ضمن نطاق الضوء المرئي.

تمرين ( PageIndex {1} )

ما الطول الموجي للضوء إذا كان تردده 1.55 × 1010 س−1?

إجابه
0.0194 م أو 19.4 ملم

ملخص

يمكن تعريف جميع الموجات من حيث تواترها وشدتها. (c = lambda nu ) يعبر عن العلاقة بين الطول الموجي والتردد.

المساهمات والسمات


الضوء كإشعاع كهرومغناطيسي

على الرغم من التقدم النظري والتجريبي في النصف الأول من القرن التاسع عشر والذي أسس الخصائص الموجية للضوء ، لم يتم الكشف عن طبيعة الضوء بعد - ظلت هوية اهتزازات الموجة لغزا. تغير هذا الوضع بشكل كبير في ستينيات القرن التاسع عشر عندما قام الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل ، في معالجة نظرية مستجمعات المياه ، بتوحيد مجالات الكهرباء والمغناطيسية والبصريات. في صياغته للكهرومغناطيسية ، وصف ماكسويل الضوء بأنه موجة منتشرة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية. بشكل عام ، تنبأ بوجود إشعاع كهرومغناطيسي: حقول كهربائية ومغناطيسية مقترنة تنتقل كموجات بسرعة تساوي سرعة الضوء المعروفة. في عام 1888 ، نجح الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز في إثبات وجود موجات كهرومغناطيسية طويلة الموجة وأظهر أن خصائصها متوافقة مع خصائص الضوء المرئي ذي الطول الموجي الأقصر.


ما هو الضوء وكيف يمكن أن يسافر في فراغ إلى الأبد في كل الاتجاهات دفعة واحدة بدون وسيط؟

أعلم أن هناك العديد من الأسئلة المتشابهة (ربما متطابقة؟). أنا لست فيزيائيًا ولا طالبًا - أنا مهتم فقط بالفيزياء وقد كنت أشاهد العديد من قنوات الفيزياء على موقع youtube مؤخرًا في أوقات فراغي.

إليك إجابة واحدة على هذا السؤال:

حسنًا ، أود أن أقول إن المجال الكهرومغناطيسي هو الوسط.

لا أفهم هذا - كيف يمكن لشيء ما أن يكون وسيطًا لنفسه؟

لا أعتقد حقًا أن الإجابات على هذه الأسئلة تعالج نقاط الارتباك المحددة التي أواجهها - لذلك سأحاول طرح السؤال بشكل مختلف قليلاً

كيف يمكن للضوء (أو الإشعاع الكهرومغناطيسي) أن ينتقل عبر الفراغ عندما لا يوجد شيء يعمل كوسيط ، ويفعل ذلك إلى الأبد في جميع الاتجاهات؟ على سبيل المثال الضوء القادم من نجم يبعد بملايين السنين الضوئية.

مع الماء ، على سبيل المثال ، من السهل بالنسبة لي أن أرى كيف يمكن للموجة أن تتشتت على السطح في جميع الاتجاهات وتنتقل طالما أن الطاقة في الموجة لا تتبدد. تعمل الجزيئات الموجودة في الماء كوسيط ، وتتأرجح وتدفع جميع الجزيئات المجاورة مسببة تأثير الدومينو إلى الخارج.

لكن ما الذي يفعله الضوء؟

اعتقد أحدهم أنه إذا كان الضوء مصنوعًا من شيء ما ، فإنه يتحرك للخارج من نقطة الأصل في أي اتجاه يتجه إليه الضوء.

الأمر الذي يقودني إلى الفوتونات.

ها هي الفقرة الأولى من ويكيبيديا: http://en.wikipedia.org/wiki/Photon

الفوتون هو جسيم أولي ، وكم الضوء وجميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الأخرى ، وحامل القوة للقوة الكهرومغناطيسية ، حتى عندما يكون ثابتًا عبر الفوتونات الافتراضية. يمكن ملاحظة تأثيرات هذه القوة بسهولة على المستويين المجهري والعياني ، لأن الفوتون ليس له كتلة راحة ، مما يسمح بالتفاعلات على مسافات طويلة. مثل كل الجسيمات الأولية ، يمكن تفسير الفوتونات حاليًا بشكل أفضل من خلال ميكانيكا الكم وتبدي ازدواجية الموجة والجسيم ، مع إظهار خصائص كل من الموجات والجسيمات. على سبيل المثال ، قد ينكسر فوتون واحد بواسطة عدسة أو يُظهر تداخلًا موجيًا مع نفسه ، ولكنه أيضًا يعمل كجسيم يعطي نتيجة محددة عند قياس موضعه.

وبالتالي. ربما تشكل الفوتونات الضوء ، وتطلق فقط عبر الفضاء مثل موجة ، لكنها في الحقيقة ليست موجة مادية (مثل الصوت أو الموجة المائية) ، إنها مجرد "تتصرف مثل الموجة"؟

يتحدث الفيديو عن ازدواجية موجة الجسيمات للإلكترون. لذلك يمكن أن يعمل إلكترون واحد كموجة ، ولكن عندما يصطدم بشيء ما ، فإنه يصل إلى مكان واحد فقط. هل هذا هو نفسه بالنسبة للفوتونات؟

تجربة فكرية : في فراغ الفضاء يوجد كرة مجوفة ضخمة يبلغ نصف قطرها سنة ضوئية. يوجد بالداخل مجرد فراغ ، وفي المركز الدقيق ينبعث وميض من الضوء في جميع الاتجاهات من مصدر نقطة. بعد عام واحد ، يضرب الضوء الكرة في جميع الأماكن دفعة واحدة.

هذا يمثل 12.6 (أو 4 مرات بي) سنة ضوئية مربعة من مساحة السطح المراد تغطيتها! كيف يمكن أن يكون هناك ما يكفي من الفوتونات لضرب كل بقعة داخل مساحة سطح هذه الكرة الضخمة؟ أتفهم أن القليل جدًا من الضوء سيضرب هذا بعيدًا ، ولكن حتى لو لم يكن صفرًا على الأقل ، فإن بعض الضوء يسقط.

أو ربما يعتمد هذا على حجم الفلاش؟ ربما لا تصل إلى كل بقعة؟

إذا كان الضوء مصنوعًا بالفعل من الفوتونات ويعمل كموجة ولكن كل فوتون يضرب مكانًا واحدًا فقط ، فعندئذ يبدو لي أنه لا بد من وجود كمية لا حصر لها من الفوتونات في وميض الضوء هذا لتصل إلى أماكن كثيرة داخل الكرة.


ماذا يعني أن نقول أن الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي؟

مجرد قول أن "الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية" لا يساعدنا كثيرًا. ما هو التلويح؟ ما الذي يتحرك؟ نحن نعلم أن المجالات الكهربائية هي قيم متجهة يتم تعيينها لنقاط في الفضاء. قد يتغيرون ، لكنهم لا يتحركون. ماذا يحدث هنا؟

ما يحدث يشبه في الروح ما رأيناه عندما درسنا الموجات المستعرضة على خيط مطاطي. في هذه الحالة ، تتحرك الخرزات التي صنع منها الخيط بشكل عمودي على الخيط بينما يتحرك نمط الحركة على طول الخيط. كانت حركة الخرز مستعرض لحركة النمط و [مدش] الموجة.

في حالة المجال الكهربائي ، لا يتحرك المجال الكهربائي عند نقطة ما ، لكنه يشير إلى اتجاه ويتغير في الحجم (وربما الاتجاه). إذن هذه هي العناصر الأساسية للقصة:

في الموجة الكهرومغناطيسية ، يتغير المجال الكهربائي (والمجال المغناطيسي) عند كل نقطة في الفضاء وينتشر نمط التغييرات.

في الموجة الكهرومغناطيسية ، يكون المجالان الكهربائي والمغناطيسي متعامدين مع الاتجاه الذي يتحرك فيه نمط الموجة.

عادةً ما يكون المجال الكهربائي وتأثيراته على المادة أكبر بكثير من المجال المغناطيسي وتأثيراته على المادة ، لذلك غالبًا ما نصف الموجة الكهرومغناطيسية فقط من حيث المجال الكهربائي المرتبط بها. المجالات المغناطيسية مهمة في العمل كوسطاء لـ "تمهيد" التغييرات في المجال E بمرور الوقت إلى تغييرات في الفضاء ، لكننا لن نتحدث عنها كثيرًا لأنها لا تلعب دورًا كبيرًا في الطريقة التي يتفاعل بها الضوء مادة (ما عدا في البلازما شديدة الحرارة).

السبب في قدرتنا على التعامل مع الضوء كما لو كان أشعة هو أن الطول الموجي للضوء صغير جدًا (أجزاء من الميكرومتر) مقارنة بالمسافات التي نميل إلى الاهتمام بها. إذا نظرنا إلى شعاع من الضوء ، فمن الأنسب حقًا اعتباره "قلم رصاص" من الضوء و [مدش] أسطوانة رفيعة طويلة. وحتى لو كانت تلك الأسطوانة رفيعة جدًا ، عندما ننظر إلى مقياس الأطوال الموجية للضوء ، إذا اعتبرنا الشرائح متعامدة على الشعاع ، فإن هذه الشرائح المستعرضة كبيرة جدًا مقارنة بطول الموجة.

بالنظر إلى القليل من المجالات الكهربائية على طول الشعاع ، في أبسط الحالات (شعاع بطول موجة واحد واستقطاب واحد) ، قد تبدو الحقول على طول الشعاع مثل الشكل الموضح أدناه. نشير إلى هذا باسم ال نموذج شيش كا باب لموجة كهرومغناطيسية.

لفهم ما يعنيه هذا ، فسر هذه الصورة على النحو التالي.

  • هذه صورة لموجة كهرومغناطيسية في الفضاء تنتشر في الاتجاه س ، مجمدة في الوقت المناسب.
  • على طول كل مستوى عموديًا على اتجاه الانتشار (المستويات y-z الموضحة) ، يكون المجال E ثابتًا في الفضاء ، أي أنه نفس المتجه في كل مكان على المستوى.
  • عند نقاط مختلفة على طول الشعاع ، تختلف القيم على كل مستوى (تمامًا مثل قيم إزاحة الخرزات في موجة عرضية على السلسلة المرنة مختلفة في مواضع مختلفة). في هذه الحالة ، يكون التباين في الفضاء الموضح جيبيًا:
    $ overrightarrow(x ، y ، z ، t) = overrightarrow_0 sin <(kx- omega t)> $

هذا يشبه إلى حد ما موجات الانتشار الجيبية على طول الخيط المرن و [مدش] له نفس وظيفة الجيب و [مدش] ولكن تفسيره أكثر تعقيدًا.

إليك بعض الأشياء التي يجب الانتباه إليها:

  1. يتم تعريف المجال الكهربائي في جميع النقاط في الفضاء و [مدش] لذلك فهو دالة في $ x، y، z $. في كل نقطة يمكن أن تكون مختلفة أيضًا في أوقات مختلفة و [مدش] وبالتالي فهي دالة $ t $ أيضًا.
  2. المجال الكهربائي هو ناقل. لها اتجاه بالإضافة إلى المقدار. في هذه الحالة ، المتجه $ overrightarrow_0 $ يعطينا السعة القصوى والاتجاه (على الرغم من أنه عندما يكون الجيب سالبًا ، ينعكس اتجاه المجال). في الصورة المعروضة ، المتجه $ vec_0 دولار في اتجاه ص.
  3. تظهر الصورة وقت محدد. إذا نظرنا على طول أي خط موازٍ للشعاع ("الشاكليك" في shish-ke-bab) في هذا الوقت ، فإن الحقل E سيتأرجح كدالة لـ x. على طول المستويات المتعامدة مع x (تغيير y و / أو z) يكون الحقل ثابتًا (نظرًا لأن المعادلة لا تعتمد على y أو z).
  4. مع مرور الوقت ، يتحرك نمط الطائرات في اتجاه السهم الأزرق بسرعة الضوء. في أي نقطة ثابتة في الفضاء ، سيتأرجح الحقل E مع مرور الطائرات المختلفة عليه. يبدو الأمر كما لو أن شخصًا ما يحمل شيخ الطائرات ويركض معها على طول اتجاه المحور س.

في بعض الأحيان يتم رسم الحقلين E و B في موجة كهرومغناطيسية متنقلة بشكل عمودي على اتجاه الانتشار وعلى بعضهما البعض كما في الشكل أدناه على اليمين. لقد أظهرنا الطائرات المقابلة فوقه. غالبًا ما يكون الشكل (ب) مضللًا (منحنى خطير) لأنه يبدو نوعًا ما أن كلاً من المتجهين E و B يمتدان إلى الفضاء فوق الشعاع وتحته. هم ليسوا. من المفترض أن تقع جميعها على طول الشعاع ولكن لا يمكنك رسم متجه مجال كهربائي في أي مكان لكن في الفضاء و [مدش] ولكن متجه الحقل E ليس مسافة وبالتالي لا يشغل مساحة. يصف كل متجه فقط الحقل في المكان الذي تكون فيه "قدمه" & [مدش] في قاعدة المتجه. ولا يظهر أن المجال ثابت في الاتجاه العرضي للانتشار.


محتويات

تحرير النظرية

تحرير معادلات ماكسويل

اشتق جيمس كلارك ماكسويل شكل موجة من المعادلات الكهربائية والمغناطيسية ، وبالتالي كشف الطبيعة الشبيهة بالموجة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية وتماثلها. نظرًا لأن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأت بها معادلة الموجة تتزامن مع سرعة الضوء المقاسة ، خلص ماكسويل إلى أن الضوء نفسه هو موجة كهرومغناطيسية. [9] [10] تم تأكيد معادلات ماكسويل من قبل هاينريش هيرتز من خلال تجارب مع موجات الراديو.

[11] أدرك ماكسويل أنه نظرًا لأن الكثير من الفيزياء متناظرة وفنية رياضيًا بطريقة ما ، فإنه يجب أيضًا أن يكون هناك تناظر بين الكهرباء والمغناطيسية. لقد أدرك أن الضوء هو مزيج من الكهرباء والمغناطيسية ، وبالتالي يجب ربط الاثنين معًا. وفقًا لمعادلات ماكسويل ، يرتبط المجال الكهربائي المتغير مكانيًا دائمًا بمجال مغناطيسي يتغير بمرور الوقت. [12] وبالمثل ، يرتبط المجال المغناطيسي المتغير مكانيًا بتغيرات معينة بمرور الوقت في المجال الكهربائي. في الموجة الكهرومغناطيسية ، دائمًا ما تكون التغيرات في المجال الكهربائي مصحوبة بموجة في المجال المغناطيسي في اتجاه واحد ، والعكس صحيح. تحدث هذه العلاقة بين الاثنين دون أن يتسبب أي نوع من المجال في الآخر بدلاً من ذلك ، فهما يحدثان معًا بنفس الطريقة التي تحدث بها تغيرات الزمان والمكان معًا ومترابطة في النسبية الخاصة. في الواقع ، يمكن النظر إلى المجالات المغناطيسية على أنها مجالات كهربائية في إطار مرجعي آخر ، ويمكن اعتبار المجالات الكهربائية مجالات مغناطيسية في إطار مرجعي آخر ، ولكن لها نفس الأهمية حيث أن الفيزياء هي نفسها في جميع الأطر المرجعية ، لذا فإن العلاقة الوثيقة بين تغيرات المكان والزمان هنا هي أكثر من مجرد تشبيه. تشكل هذه الحقول معًا موجة كهرومغناطيسية منتشرة تنتقل إلى الفضاء ولا تحتاج أبدًا إلى التفاعل مرة أخرى مع المصدر. يتشكل المجال الكهرومغناطيسي البعيد بهذه الطريقة من خلال تسارع شحنة ما يحمل معه طاقة "تشع" بعيدًا عبر الفضاء ، ومن هنا جاء المصطلح.

تعديل الحقول القريبة والبعيدة

أثبتت معادلات ماكسويل أن بعض الشحنات والتيارات ("المصادر") تنتج نوعًا محليًا من المجال الكهرومغناطيسي بالقرب منها ليس لديك سلوك EMR. تنتج التيارات حقلاً مغناطيسيًا بشكل مباشر ، ولكنه من النوع ثنائي القطب المغناطيسي الذي يموت مع المسافة من التيار. بطريقة مماثلة ، تنتج الشحنات المتحركة التي يتم دفعها بعيدًا في موصل بواسطة جهد كهربائي متغير (كما هو الحال في الهوائي) مجالًا كهربائيًا من النوع ثنائي القطب ، ولكن هذا أيضًا يتناقص مع المسافة. تشكل هذه الحقول الحقل القريب بالقرب من مصدر الإشعاع الكهرومغناطيسي. أيا من هذه السلوكيات ليست مسؤولة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي. بدلاً من ذلك ، فإنها تتسبب في سلوك المجال الكهرومغناطيسي الذي ينقل الطاقة بكفاءة فقط إلى جهاز استقبال قريب جدًا من المصدر ، مثل الحث المغناطيسي داخل المحول ، أو سلوك التغذية المرتدة الذي يحدث بالقرب من ملف جهاز الكشف عن المعادن. عادةً ما يكون للمجالات القريبة تأثير قوي على مصادرها الخاصة ، مما يتسبب في زيادة "الحمل" (انخفاض التفاعل الكهربائي) في المصدر أو المرسل ، عندما يتم سحب الطاقة من المجال الكهرومغناطيسي بواسطة جهاز استقبال. وبخلاف ذلك ، فإن هذه الحقول لا "تنتشر" بحرية في الفضاء ، وتحمل طاقتها بعيدًا دون حد للمسافة ، بل تتأرجح ، وتعيد طاقتها إلى المرسل إذا لم يستقبلها جهاز استقبال. [ بحاجة لمصدر ]

على النقيض من ذلك ، فإن المجال البعيد يتكون من إشعاع خالٍ من المرسل بمعنى أنه (على عكس الحالة في المحول الكهربائي) يحتاج المرسل إلى نفس القوة لإرسال هذه التغييرات في الحقول ، سواء تم التقاط الإشارة على الفور أم لا. هذا الجزء البعيد من المجال الكهرومغناطيسي هو "الإشعاع الكهرومغناطيسي" (ويسمى أيضًا المجال البعيد). تنتشر الحقول البعيدة (تشع) دون السماح لجهاز الإرسال بالتأثير عليها. هذا يجعلهم مستقلين بمعنى أن وجودهم وطاقتهم ، بعد تركهم لجهاز الإرسال ، مستقلان تمامًا عن كل من المرسل والمستقبل.بسبب الحفاظ على الطاقة ، فإن كمية الطاقة التي تمر عبر أي سطح كروي حول المصدر هي نفسها. نظرًا لأن مساحة مثل هذا السطح تتناسب مع مربع المسافة من المصدر ، فإن كثافة طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي تتناقص دائمًا مع المربع العكسي للمسافة من المصدر ، وهذا ما يسمى بقانون التربيع العكسي. هذا على عكس الأجزاء ثنائية القطب من المجال الكهرومغناطيسي القريبة من المصدر (المجال القريب) ، والتي تختلف في القوة وفقًا لقانون القدرة المكعب العكسي ، وبالتالي فهي تفعل ذلك. ليس نقل كمية محفوظة من الطاقة عبر مسافات ، ولكن بدلاً من ذلك تتلاشى مع المسافة ، حيث تعود طاقتها (كما هو مذكور) بسرعة إلى جهاز الإرسال أو تمتصها بواسطة مستقبل قريب (مثل ملف محول ثانوي).

يعتمد المجال البعيد (EMR) على آلية مختلفة لإنتاجه عن المجال القريب ، وعلى شروط مختلفة في معادلات ماكسويل. في حين أن الجزء المغناطيسي من المجال القريب يرجع إلى التيارات في المصدر ، فإن المجال المغناطيسي في الإشعاع الكهرومغناطيسي يرجع فقط إلى التغيير المحلي في المجال الكهربائي. بطريقة مماثلة ، في حين أن المجال الكهربائي في المجال القريب يرجع مباشرة إلى الشحنات وفصل الشحنات في المصدر ، فإن المجال الكهربائي في EMR يرجع إلى تغيير في المجال المغناطيسي المحلي. تعتمد كلتا العمليتين لإنتاج مجالات الإشعاع الكهرومغناطيسي الكهربية والمغناطيسية على المسافة بشكل مختلف عن اعتماد المجالات الكهربائية والمغناطيسية ثنائية القطب القريبة. هذا هو السبب في أن نوع EMR للمجال الكهرومغناطيسي يصبح مهيمناً في القوة "بعيداً" عن المصادر. يشير المصطلح "بعيدًا عن المصادر" إلى مدى بُعد أي جزء من حقل EM المتحرك للخارج عن المصدر (يتحرك بسرعة الضوء) ، بحلول الوقت الذي يتم فيه تغيير تيارات المصدر حسب إمكانات المصدر المتغيرة ، و لذلك بدأ المصدر في توليد حقل كهرومغناطيسي متحرك خارجيًا لمرحلة مختلفة. [ بحاجة لمصدر ]

تتمثل إحدى النظرات الأكثر إحكاما لـ EMR في أن المجال البعيد الذي يتكون من EMR هو بشكل عام ذلك الجزء من حقل EM الذي قطع مسافة كافية من المصدر ، وأنه أصبح منفصلاً تمامًا عن أي ردود فعل على الشحنات والتيارات التي كانت مسؤولة في الأصل لذلك. الآن بعيدًا عن شحنات المصدر ، فإن المجال الكهرومغناطيسي ، وهو يتحرك بعيدًا ، يعتمد فقط على تسارع الشحنات التي أنتجته. لم يعد له علاقة قوية بالمجالات المباشرة للشحنات ، أو بسرعة الشحنات (التيارات). [ بحاجة لمصدر ]

في الصيغة المحتملة لـ Liénard-Wiechert للحقول الكهربائية والمغناطيسية بسبب حركة جسيم واحد (وفقًا لمعادلات ماكسويل) ، فإن المصطلحات المرتبطة بتسريع الجسيم هي تلك المسؤولة عن جزء المجال الذي يعتبر الاشعاع الكهرومغناطيسي. على النقيض من ذلك ، فإن المصطلح المرتبط بالمجال الكهربائي الساكن المتغير للجسيم والمصطلح المغناطيسي الناتج عن السرعة المنتظمة للجسيم ، كلاهما مرتبطان بالمجال الكهرومغناطيسي القريب ، ولا يشتملان على الإشعاع الكهرومغناطيسي. [ بحاجة لمصدر ]

تحرير الخصائص

الديناميكا الكهربائية هي فيزياء الإشعاع الكهرومغناطيسي ، والكهرومغناطيسية هي الظاهرة الفيزيائية المرتبطة بنظرية الديناميكا الكهربائية. تخضع المجالات الكهربائية والمغناطيسية لخصائص التراكب. وبالتالي ، فإن المجال الناتج عن أي جسيم معين أو مجال كهربائي أو مغناطيسي متغير بمرور الوقت يساهم في المجالات الموجودة في نفس المكان لأسباب أخرى. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنها حقول متجهة ، فإن جميع نواقل المجال المغناطيسي والكهربائي تضاف معًا وفقًا لإضافة المتجه. [13] على سبيل المثال ، في البصريات ، قد تتفاعل موجتان ضوئيتان متماسكتان أو أكثر ومن خلال التداخل البناء أو المدمر ينتج عنه إشعاع ناتج ينحرف عن مجموع الإشعاعات المكونة لموجات الضوء الفردية. [ بحاجة لمصدر ]

لا تتأثر المجالات الكهرومغناطيسية للضوء بالسفر عبر المجالات الكهربائية أو المغناطيسية الساكنة في وسط خطي مثل الفراغ. ومع ذلك ، في الوسائط غير الخطية ، مثل بعض البلورات ، يمكن أن تحدث تفاعلات بين الضوء والمجالات الكهربائية والمغناطيسية الساكنة - وتشمل هذه التفاعلات تأثير فاراداي وتأثير كير. [14] [15]

في حالة الانكسار ، فإن عبور الموجة من وسط إلى آخر بكثافة مختلفة يغير سرعتها واتجاهها عند دخول الوسط الجديد. تحدد نسبة مؤشرات الانكسار للوسائط درجة الانكسار ، ويلخصها قانون سنيل. يتشتت ضوء الأطوال الموجية المركبة (ضوء الشمس الطبيعي) في طيف مرئي يمر عبر المنشور ، بسبب معامل الانكسار المعتمد على الطول الموجي لمادة المنشور (التشتت) ، أي أن كل موجة مكونة داخل الضوء المركب تنحني بمقدار مختلف. [16]

يُظهر الإشعاع الكهرومغناطيسي كلاً من خصائص الموجة وخصائص الجسيمات في نفس الوقت (انظر ازدواجية الموجة والجسيم). تم تأكيد كل من خصائص الموجة والجسيمات في العديد من التجارب. تكون خصائص الموجة أكثر وضوحًا عند قياس الإشعاع الكهرومغناطيسي على نطاقات زمنية كبيرة نسبيًا وعلى مسافات كبيرة بينما تكون خصائص الجسيمات أكثر وضوحًا عند قياس النطاقات الزمنية والمسافات الصغيرة. على سبيل المثال ، عندما تمتص المادة الإشعاع الكهرومغناطيسي ، تكون الخصائص الشبيهة بالجسيمات أكثر وضوحًا عندما يكون متوسط ​​عدد الفوتونات في المكعب ذي الطول الموجي ذي الصلة أصغر بكثير من 1. ليس من الصعب جدًا ملاحظة الترسيب غير المنتظم تجريبياً من الطاقة عند امتصاص الضوء ، ولكن هذا وحده ليس دليلاً على سلوك "الجسيمات". بدلا من ذلك ، فإنه يعكس الطبيعة الكمومية لـ شيء. [17] إن إثبات أن الضوء نفسه مُكمَّم ، وليس مجرد تفاعله مع المادة ، هو أمر أكثر دقة.

تعرض بعض التجارب كلاً من طبيعة الموجات والجسيمات للموجات الكهرومغناطيسية ، مثل التداخل الذاتي لفوتون واحد. [18] عندما يتم إرسال فوتون واحد عبر مقياس التداخل ، فإنه يمر عبر كلا المسارين ، ويتداخل مع نفسه ، كما تفعل الموجات ، ومع ذلك يتم اكتشافه بواسطة مضخم ضوئي أو كاشف حساس آخر مرة واحدة فقط.

يتم وصف نظرية الكم للتفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة مثل الإلكترونات بواسطة نظرية الديناميكا الكهربية الكمومية.

يمكن أن تكون الموجات الكهرومغناطيسية مستقطبة أو تنعكس أو تنكسر أو تنحرف أو تتداخل مع بعضها البعض. [19] [20] [21]

تحرير نموذج الموجة

في الوسائط المتجانسة المتناحرة ، يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي عبارة عن موجة عرضية ، [22] مما يعني أن اهتزازاته متعامدة مع اتجاه نقل الطاقة والسفر. تقف الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للحقل في نسبة ثابتة من القوة لإرضاء معادلتين ماكسويل اللتين تحددان كيفية إنتاج إحداهما من الأخرى. في وسائط أقل تبديد (بلا خسارة) ، هذه ه و ب الحقول أيضًا في طور ، حيث يصل كلاهما إلى الحد الأقصى والحد الأدنى في نفس النقاط في الفضاء (انظر الرسوم التوضيحية). مفهوم خاطئ شائع [ بحاجة لمصدر ] هل هذا هو ه و ب الحقول في الإشعاع الكهرومغناطيسي هي خارج الطور لأن التغيير في أحدهما ينتج الآخر ، وهذا من شأنه أن ينتج فرق طور بينهما كوظائف جيبية (كما يحدث بالفعل في الحث الكهرومغناطيسي ، وفي المجال القريب بالقرب من الهوائيات). ومع ذلك ، في الإشعاع الكهرومغناطيسي للمجال البعيد الذي تم وصفه بواسطة معادلتين من معادلتي تشغيل Maxwell curl الخاليين من المصدر ، فإن الوصف الأكثر صحة هو أن تغيير الوقت في نوع واحد من المجال يتناسب مع تغيير الفضاء في الآخر. تتطلب هذه المشتقات أن يكون ه و ب الحقول في EMR على مراحل (انظر قسم الرياضيات أدناه). [ بحاجة لمصدر ]

أحد الجوانب المهمة لطبيعة الضوء هو تردده. تردد الموجة هو معدل تذبذبها ويتم قياسه بالهرتز ، وحدة التردد في النظام الدولي للوحدات ، حيث يساوي واحد هرتز تذبذبًا واحدًا في الثانية. عادة ما يكون للضوء ترددات متعددة تتجمع لتشكل الموجة الناتجة. تخضع الترددات المختلفة لزوايا مختلفة من الانكسار ، وهي ظاهرة تُعرف باسم التشتت.

تتكون الموجة أحادية اللون (موجة ذات تردد واحد) من قيعان وقمم متتالية ، والمسافة بين قمتين أو قاع متجاورتين تسمى الطول الموجي. تختلف موجات الطيف الكهرومغناطيسي في الحجم ، من موجات راديو طويلة جدًا أطول من قارة إلى أشعة جاما قصيرة جدًا أصغر من نوى الذرة. التردد يتناسب عكسياً مع الطول الموجي ، وفقاً للمعادلة: [23]

أين الخامس هي سرعة الموجة (ج في فراغ أو أقل في وسائط أخرى) ، F هو التردد و هو الطول الموجي. عندما تعبر الموجات الحدود بين الوسائط المختلفة ، تتغير سرعاتها لكن تردداتها تظل ثابتة.

يجب أن تكون الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر حلولاً لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية لماكسويل. هناك فئتان رئيسيتان من الحلول معروفة ، وهما الموجات المستوية والموجات الكروية. يمكن النظر إلى الموجات المستوية على أنها حالة مقيدة للموجات الكروية على مسافة كبيرة جدًا (غير محدودة بشكل مثالي) من المصدر. يمكن أن يكون لكلا النوعين من الموجات شكل موجة وهي دالة زمنية عشوائية (طالما أنها قابلة للتفاضل بما يكفي لتتوافق مع معادلة الموجة). كما هو الحال مع أي وظيفة زمنية ، يمكن تحللها عن طريق تحليل فورييه إلى طيف التردد الخاص بها ، أو المكونات الجيبية الفردية ، كل منها يحتوي على تردد واحد ، والسعة والمرحلة. ويقال أن مثل هذه الموجة المكونة أحادي اللون. يمكن تمييز الموجة الكهرومغناطيسية أحادية اللون بترددها أو طولها الموجي ، وسعة الذروة ، وطورها بالنسبة إلى مرحلة مرجعية معينة ، واتجاه انتشارها ، واستقطابها.

التداخل هو تراكب موجتين أو أكثر ينتج عنه نمط موجة جديد. إذا كانت الحقول تحتوي على مكونات في نفس الاتجاه ، فإنها تتداخل بشكل بناء ، بينما تتسبب الاتجاهات المعاكسة في حدوث تداخل مدمر. أحد الأمثلة على التداخل الناجم عن الإشعاع الكهرومغناطيسي هو التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) أو كما هو معروف أكثر باسم تداخل التردد اللاسلكي (RFI). [ بحاجة لمصدر ] بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج إشارات الاستقطاب المتعددة (أي المتداخلة) لتشكيل حالات استقطاب جديدة ، والتي تُعرف باسم توليد حالة الاستقطاب المتوازي. [24]

تسمى الطاقة في الموجات الكهرومغناطيسية أحيانًا بالطاقة المشعة. [25] [26] [27]

نموذج الجسيمات ونظرية الكم تحرير

نشأ شذوذ في أواخر القرن التاسع عشر ينطوي على تناقض بين نظرية الموجة للضوء وقياسات الأطياف الكهرومغناطيسية التي تنبعث من المشعات الحرارية المعروفة باسم الأجسام السوداء. كافح الفيزيائيون مع هذه المشكلة دون جدوى لسنوات عديدة. أصبحت تعرف فيما بعد باسم كارثة الأشعة فوق البنفسجية. في عام 1900 ، طور ماكس بلانك نظرية جديدة لإشعاع الجسم الأسود تشرح الطيف المرصود. استندت نظرية بلانك على فكرة أن الأجسام السوداء تبعث الضوء (وغيرها من الإشعاع الكهرومغناطيسي) فقط كحزم منفصلة أو حزم من الطاقة. كانت تسمى هذه الحزم الكميات. في عام 1905 ، اقترح ألبرت أينشتاين اعتبار الكميات الخفيفة جسيمات حقيقية. في وقت لاحق ، أطلق على جسيم الضوء اسم الفوتون ، ليتوافق مع الجسيمات الأخرى التي تم وصفها في هذا الوقت ، مثل الإلكترون والبروتون. الفوتون لديه طاقة ، هبما يتناسب مع تواترها ، F، بواسطة

أين ح هو ثابت بلانك ، λ هو الطول الموجي و ج هي سرعة الضوء. يُعرف هذا أحيانًا باسم معادلة بلانك - أينشتاين. [28] في نظرية الكم (انظر التكمية الأولى) ، فإن طاقة الفوتونات تتناسب طرديًا مع تردد موجة الإشعاع الكهرومغناطيسي. [29]

وبالمثل ، الزخم ص يتناسب الفوتون أيضًا مع تردده ويتناسب عكسًا مع طوله الموجي:

كان مصدر اقتراح أينشتاين بأن الضوء يتكون من جسيمات (أو يمكن أن يعمل كجسيمات في بعض الظروف) كان شذوذًا تجريبيًا لم تفسره نظرية الموجة: التأثير الكهروضوئي ، حيث يصطدم الضوء بسطح معدني بإلكترونات من السطح ، مما يتسبب في تيار كهربائي يتدفق عبر جهد مطبق. أظهرت القياسات التجريبية أن طاقة الإلكترونات المقذوفة الفردية كانت متناسبة مع تردد، بدلا من الشدة، من الضوء. علاوة على ذلك ، تحت حد أدنى معين من التردد ، والذي يعتمد على معدن معين ، لن يتدفق أي تيار بغض النظر عن شدته. بدت هذه الملاحظات متناقضة مع نظرية الموجة ، وطوال سنوات حاول الفيزيائيون عبثًا إيجاد تفسير. في عام 1905 ، شرح أينشتاين هذا اللغز من خلال إحياء نظرية الجسيمات للضوء لشرح التأثير المرصود. بسبب كثرة الأدلة لصالح نظرية الموجة ، ومع ذلك ، قوبلت أفكار أينشتاين في البداية بشكوك كبيرة بين علماء الفيزياء المعروفين. في النهاية ، تم قبول تفسير أينشتاين حيث لوحظ سلوك جديد يشبه الجسيمات للضوء ، مثل تأثير كومبتون. [ بحاجة لمصدر ] [30]

عندما تمتص الذرة الفوتون ، فإنه يثير الذرة ، ويرفع الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى (متوسط ​​أبعد من النواة). عندما ينخفض ​​إلكترون في جزيء أو ذرة مثارة إلى مستوى طاقة أقل ، فإنه يصدر فوتونًا من الضوء بتردد يتوافق مع فرق الطاقة. نظرًا لأن مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات منفصلة ، فإن كل عنصر وكل جزيء يصدر ويمتص تردداته المميزة. يُطلق على الانبعاث الفوري للفوتون اسم التألق ، وهو نوع من التلألؤ الضوئي. مثال على ذلك هو الضوء المرئي المنبعث من الدهانات الفلورية ، استجابةً للأشعة فوق البنفسجية (الضوء الأسود). العديد من انبعاثات الفلورسنت الأخرى معروفة في نطاقات طيفية غير الضوء المرئي. الانبعاث المتأخر يسمى الفسفرة. [31] [32]

ازدواجية الموجة والجسيمات تحرير

تتضمن النظرية الحديثة التي تشرح طبيعة الضوء فكرة ازدواجية الموجة والجسيم. بشكل عام ، تنص النظرية على أن كل شيء له طبيعة جسيمية وطبيعة موجية ، ويمكن إجراء تجارب مختلفة لإخراج أحدهما أو الآخر. يمكن تمييز طبيعة الجسيمات بسهولة أكبر باستخدام جسم ذي كتلة كبيرة. أدى اقتراح جريء من قبل لويس دي برولي في عام 1924 إلى أن يدرك المجتمع العلمي أن المادة (مثل الإلكترونات) تُظهر أيضًا ازدواجية الموجة والجسيمات. [33]

تحرير تأثيرات الموجات والجسيمات للإشعاع الكهرومغناطيسي

معًا ، تشرح تأثيرات الموجة والجسيمات تمامًا أطياف الانبعاث والامتصاص للإشعاع الكهرومغناطيسي. يحدد تكوين المادة للوسط الذي ينتقل من خلاله الضوء طبيعة طيف الامتصاص والانبعاث. تتوافق هذه النطاقات مع مستويات الطاقة المسموح بها في الذرات. العصابات المظلمة في طيف الامتصاص ناتجة عن الذرات في وسط متداخل بين المصدر والمراقب. تمتص الذرات ترددات معينة من الضوء بين الباعث والكاشف / العين ، ثم تنبعث منها في جميع الاتجاهات. يظهر شريط مظلم للكاشف ، بسبب تناثر الإشعاع خارج الحزمة. على سبيل المثال ، العصابات المظلمة في الضوء المنبعث من نجم بعيد ترجع إلى الذرات الموجودة في الغلاف الجوي للنجم. تحدث ظاهرة مماثلة للانبعاثات ، والتي تُلاحظ عندما يتوهج الغاز المنبعث بسبب إثارة الذرات من أي آلية ، بما في ذلك الحرارة. عندما تنخفض الإلكترونات إلى مستويات طاقة منخفضة ، ينبعث طيف يمثل القفزات بين مستويات طاقة الإلكترونات ، ولكن تظهر الخطوط لأن الانبعاث يحدث فقط عند طاقات معينة بعد الإثارة. [34] مثال على ذلك هو طيف انبعاث السدم. [ بحاجة لمصدر ] تتسارع الإلكترونات سريعة الحركة بشكل حاد للغاية عندما تواجه منطقة من القوة ، لذلك فهي مسؤولة عن إنتاج الكثير من الإشعاع الكهرومغناطيسي ذي التردد الأعلى الذي لوحظ في الطبيعة.

يمكن أن تساعد هذه الظواهر في تحديدات كيميائية مختلفة لتكوين الغازات المضاءة من الخلف (أطياف الامتصاص) والغازات المتوهجة (أطياف الانبعاث). يحدد التحليل الطيفي (على سبيل المثال) العناصر الكيميائية التي تتكون منها نجمة معينة. يُستخدم التحليل الطيفي أيضًا في تحديد مسافة النجم باستخدام الانزياح الأحمر. [35]

تحرير سرعة الانتشار

عندما يقوم أي سلك (أو أي جسم موصل آخر مثل الهوائي) بتوصيل تيار متناوب ، ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي بنفس تردد التيار. في العديد من هذه الحالات ، من الممكن تحديد عزم ثنائي القطب الكهربائي الذي ينشأ من فصل الشحنات بسبب الجهد الكهربائي المثير ، وتتأرجح هذه العزم ثنائي القطب مع مرور الوقت ، حيث تتحرك الشحنات ذهابًا وإيابًا. يؤدي هذا التذبذب عند تردد معين إلى تغير المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، والتي بدورها تعمل على تحريك الإشعاع الكهرومغناطيسي. [ بحاجة لمصدر ]

على المستوى الكمي ، ينتج الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما تتأرجح الحزمة الموجية لجسيم مشحون أو تتسارع. لا تتحرك الجسيمات المشحونة في حالة ثابتة ، ولكن قد يؤدي تراكب مثل هذه الحالات إلى حالة انتقالية لها عزم كهربائي ثنائي القطب يتأرجح بمرور الوقت. هذه العزم ثنائي القطب المتذبذب مسؤول عن ظاهرة الانتقال الإشعاعي بين الحالات الكمومية للجسيم المشحون. تحدث مثل هذه الحالات (على سبيل المثال) في الذرات عندما يتم إشعاع الفوتونات حيث تنتقل الذرة من حالة ثابتة إلى أخرى. [ بحاجة لمصدر ]

كموجة ، يتميز الضوء بالسرعة (سرعة الضوء) والطول الموجي والتردد. كجسيمات ، الضوء هو تيار من الفوتونات. لكل منها طاقة مرتبطة بتردد الموجة التي قدمتها علاقة بلانك E = hf، أين ه هي طاقة الفوتون ، ح هو ثابت بلانك ، 6.626 × 10 −34 J · s ، و F هو تردد الموجة. [36]

يتم الامتثال لقاعدة واحدة بغض النظر عن الظروف: الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفراغ ينتقل بسرعة الضوء ، بالنسبة للمراقب، بغض النظر عن سرعة المراقب. (أدت هذه الملاحظة إلى تطوير أينشتاين لنظرية النسبية الخاصة.) [ بحاجة لمصدر ] في وسط (بخلاف الفراغ) ، يؤخذ في الاعتبار عامل السرعة أو معامل الانكسار ، اعتمادًا على التردد والتطبيق. كلاهما نسب للسرعة في المتوسط ​​إلى السرعة في الفراغ. [ بحاجة لمصدر ]

نظرية النسبية الخاصة تحرير

بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، لا يمكن تفسير العديد من الحالات الشاذة التجريبية من خلال نظرية الموجة البسيطة. تضمنت إحدى هذه الحالات الشاذة الجدل حول سرعة الضوء. لم تظهر سرعة الضوء و EMR الأخرى التي تنبأت بها معادلات ماكسويل ما لم يتم تعديل المعادلات بطريقة اقترحها أولاً فيتزجيرالد ولورينتز (انظر تاريخ النسبية الخاصة) ، وإلا فإن هذه السرعة ستعتمد على سرعة المراقب بالنسبة إلى "الوسط" (المسمى الأثير المضيء) الذي يُفترض أنه "يحمل" الموجة الكهرومغناطيسية (بطريقة مماثلة للطريقة التي يحمل بها الهواء الموجات الصوتية). فشلت التجارب في العثور على أي تأثير للمراقب.في عام 1905 ، اقترح أينشتاين أن المكان والزمان يبدوان كيانات متغيرة السرعة لانتشار الضوء وجميع العمليات والقوانين الأخرى. تسببت هذه التغييرات في ثبات سرعة الضوء وجميع الإشعاع الكهرومغناطيسي ، من وجهة نظر جميع المراقبين - حتى أولئك الذين يتحركون نسبيًا.

تم اكتشاف الإشعاع الكهرومغناطيسي بأطوال موجية غير الضوء المرئي في أوائل القرن التاسع عشر. يُعزى اكتشاف الأشعة تحت الحمراء إلى عالم الفلك ويليام هيرشل ، الذي نشر نتائجه في عام 1800 قبل الجمعية الملكية في لندن. [37] استخدم هيرشل المنشور الزجاجي لكسر الضوء من الشمس واكتشف الأشعة غير المرئية التي تسببت في تسخين يتجاوز الجزء الأحمر من الطيف ، من خلال زيادة درجة الحرارة المسجلة باستخدام مقياس حرارة. سميت هذه "الأشعة الحرارية" فيما بعد بالأشعة تحت الحمراء. [38]

في عام 1801 ، اكتشف الفيزيائي الألماني يوهان فيلهلم ريتر الأشعة فوق البنفسجية في تجربة مشابهة لتجربة هيرشل ، باستخدام ضوء الشمس والمنظار الزجاجي. لاحظ ريتر أن الأشعة غير المرئية بالقرب من الحافة البنفسجية للطيف الشمسي مشتتة بواسطة منشور مثلث تحضيرات كلوريد الفضة الداكنة بسرعة أكبر من الضوء البنفسجي القريب. كانت تجارب ريتر بمثابة مقدمة مبكرة لما سيصبح تصويرًا. وأشار ريتر إلى أن الأشعة فوق البنفسجية (التي كانت تسمى في البداية "الأشعة الكيميائية") قادرة على إحداث تفاعلات كيميائية. [39]

في 1862-1864 ، طور جيمس كلارك ماكسويل معادلات للحقل الكهرومغناطيسي والتي اقترحت أن الموجات في هذا المجال ستنتقل بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء المعروفة. لذلك اقترح ماكسويل أن الضوء المرئي (بالإضافة إلى الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية غير المرئية عن طريق الاستدلال) كلها تتكون من انتشار الاضطرابات (أو الإشعاع) في المجال الكهرومغناطيسي. أنتج هاينريش هيرتز موجات الراديو لأول مرة عن عمد في عام 1887 ، باستخدام دوائر كهربائية محسوبة لإنتاج تذبذبات عند تردد أقل بكثير من تردد الضوء المرئي ، باتباع وصفات لإنتاج شحنات وتيارات متذبذبة اقترحتها معادلات ماكسويل. كما طور هيرتز طرقًا للكشف عن هذه الموجات ، وأنتج وتميز ما سمي لاحقًا بموجات الراديو والميكروويف. [40]: 286 ، 7

اكتشف فيلهلم رونتجن الأشعة السينية وقام بتسميتها. بعد تجربة الفولتية العالية المطبقة على أنبوب مفرغ في 8 نوفمبر 1895 ، لاحظ وجود وميض على لوحة قريبة من الزجاج المطلي. في شهر واحد ، اكتشف الخصائص الرئيسية للأشعة السينية. [40]: 307

ارتبط الجزء الأخير من الطيف الكهرومغناطيسي الذي تم اكتشافه بالنشاط الإشعاعي. وجد Henri Becquerel أن أملاح اليورانيوم تسببت في تعفير لوحة فوتوغرافية غير مكشوفة من خلال ورق تغليف بطريقة مشابهة للأشعة السينية ، واكتشفت ماري كوري أن عناصر معينة فقط هي التي تطلق هذه الأشعة من الطاقة ، وسرعان ما اكتشفت الإشعاع المكثف للراديوم. تم تمييز الإشعاع من البتشبلند إلى أشعة ألفا (جسيمات ألفا) وأشعة بيتا (جسيمات بيتا) بواسطة إرنست رذرفورد من خلال تجارب بسيطة في عام 1899 ، ولكن ثبت أن هذه الجسيمات هي أنواع من الإشعاع المشحون. ومع ذلك ، في عام 1900 اكتشف العالم الفرنسي بول فيلارد نوعًا ثالثًا من الإشعاع محايد الشحنة وخاصة الاختراق من الراديوم ، وبعد وصفه ، أدرك رذرفورد أنه لا بد أنه نوع ثالث من الإشعاع ، والذي أطلق عليه رذرفورد في عام 1903 أشعة جاما. في عام 1910 ، أوضح الفيزيائي البريطاني ويليام هنري براج أن أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي ، وليست جسيمات ، وفي عام 1914 قام رذرفورد وإدوارد أندرادي بقياس أطوال موجاتهما ، ووجدوا أنهما كانا مشابهين للأشعة السينية ولكن مع أطوال موجية أقصر وتردد أعلى ، رغم أن - بين أشعة X وأشعة جاما تجعل من الممكن الحصول على أشعة سينية ذات طاقة أعلى (وبالتالي طول موجي أقصر) من أشعة جاما والعكس صحيح. يميزهم أصل الشعاع ، تميل أشعة جاما إلى أن تكون ظواهر طبيعية تنشأ من النواة غير المستقرة للذرة وتتولد الأشعة السينية كهربائيًا (وبالتالي من صنع الإنسان) ما لم تكن نتيجة إشعاع سيني بريمستراهلونغ الناجم عن تفاعل الجسيمات سريعة الحركة (مثل جسيمات بيتا) التي تصطدم بمواد معينة ، وعادة ما تكون ذات أعداد ذرية أعلى. [40]: 308 ، 9

EUV = الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة
NUV = بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية

NIR = الأشعة تحت الحمراء القريبة
MIR = منتصف الأشعة تحت الحمراء
FIR = الأشعة تحت الحمراء البعيدة

يتم تصنيف الإشعاع الكهرومغناطيسي (يُستثنى من التسمية الكهربائية الساكنة والمغناطيسية والمجالات القريبة) حسب الطول الموجي في الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء والمرئية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. يمكن التعبير عن الموجات الكهرومغناطيسية التعسفية بواسطة تحليل فورييه من حيث الموجات أحادية اللون الجيبية ، والتي بدورها يمكن تصنيف كل منها في هذه المناطق من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي.

بالنسبة لفئات معينة من الموجات الكهرومغناطيسية ، يتم التعامل مع شكل الموجة بشكل أكثر فائدة عشوائي، ومن ثم يجب إجراء التحليل الطيفي بواسطة تقنيات رياضية مختلفة قليلاً تتناسب مع العمليات العشوائية أو العشوائية. في مثل هذه الحالات ، يتم تمثيل مكونات التردد الفردية من حيث قوة المحتوى ، ولا يتم حفظ معلومات المرحلة. يسمى هذا التمثيل الكثافة الطيفية للقدرة للعملية العشوائية. الإشعاع الكهرومغناطيسي العشوائي الذي يتطلب هذا النوع من التحليل هو ، على سبيل المثال ، مصادفة في المناطق الداخلية من النجوم ، وفي بعض أشكال الإشعاع الأخرى ذات النطاق العريض جدًا مثل مجال موجة نقطة الصفر للفراغ الكهرومغناطيسي.

يعتمد سلوك الإشعاع الكهرومغناطيسي وتفاعله مع المادة على تردده ، ويتغير نوعياً مع تغير التردد. الترددات المنخفضة لها أطوال موجية أطول ، والترددات الأعلى لها أطوال موجية أقصر ، وترتبط بفوتونات ذات طاقة أعلى. لا يوجد حد أساسي معروف لهذه الأطوال الموجية أو الطاقات ، في أي من طرفي الطيف ، على الرغم من أن الفوتونات ذات الطاقات بالقرب من طاقة بلانك أو تتجاوزها (عالية جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها) ستتطلب نظريات فيزيائية جديدة لوصفها.

تحرير الراديو والميكروويف

تحتوي موجات الراديو على أقل كمية من الطاقة وأقل تردد. عندما تصطدم موجات الراديو بموصل ، فإنها تقترن بالموصل ، وتنتقل على طوله وتحفز تيارًا كهربائيًا على سطح الموصل عن طريق تحريك إلكترونات المادة الموصلة في مجموعات مترابطة من الشحنات. يمكن أن تغطي هذه التأثيرات المسافات العيانية في الموصلات (مثل الهوائيات الراديوية) ، لأن الطول الموجي للموجات الراديوية طويل.

تسمى ظواهر الإشعاع الكهرومغناطيسي ذات الأطوال الموجية التي تتراوح من متر واحد إلى أقل من ملليمتر واحد الموجات الدقيقة ذات الترددات بين 300 ميجاهرتز (0.3 جيجاهرتز) و 300 جيجاهرتز.

في ترددات الراديو والميكروويف ، يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة إلى حد كبير كمجموعة كبيرة من الشحنات التي تنتشر على أعداد كبيرة من الذرات المصابة. في الموصلات الكهربائية ، تؤدي هذه الحركة السائبة المستحثة للشحنات (التيارات الكهربائية) إلى امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي ، أو فصل الشحنات التي تتسبب في توليد إشعاع كهرومغناطيسي جديد (انعكاس فعال للإشعاع الكهرومغناطيسي). مثال على ذلك هو امتصاص أو انبعاث موجات الراديو بواسطة الهوائيات ، أو امتصاص الموجات الدقيقة بواسطة الماء أو الجزيئات الأخرى ذات العزم الكهربائي ثنائي القطب ، كما هو الحال على سبيل المثال داخل فرن الميكروويف. تنتج هذه التفاعلات إما تيارات كهربائية أو حرارة أو كليهما.

تحرير الأشعة تحت الحمراء

مثل الراديو والميكروويف ، تنعكس الأشعة تحت الحمراء (IR) أيضًا بواسطة المعادن (وأيضًا معظم الإشعاع الكهرومغناطيسي ، في نطاق الأشعة فوق البنفسجية). ومع ذلك ، على عكس إشعاع الراديو والميكروويف ذي التردد المنخفض ، يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي بالأشعة تحت الحمراء عادةً مع ثنائيات الأقطاب الموجودة في الجزيئات المفردة ، والتي تتغير عندما تهتز الذرات في نهايات رابطة كيميائية واحدة. وبالتالي يتم امتصاصه بواسطة مجموعة واسعة من المواد ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارتها حيث تتبدد الاهتزازات على شكل حرارة. تؤدي نفس العملية ، التي تعمل في الاتجاه المعاكس ، إلى إشعاع المواد السائبة في الأشعة تحت الحمراء تلقائيًا (انظر قسم الإشعاع الحراري أدناه).

تنقسم الأشعة تحت الحمراء إلى مناطق فرعية طيفية. بينما توجد مخططات تقسيم فرعية مختلفة ، [41] [42] يُقسم الطيف عادةً إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (0.75-1.4 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (1.4–3 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء متوسطة الطول (3-8 ميكرومتر) ، الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (8-15 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء البعيدة (15-1000 ميكرومتر). [43]

تحرير الضوء المرئي

تنتج المصادر الطبيعية إشعاع كهرومغناطيسي عبر الطيف. الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يبلغ طوله الموجي بين 400 نانومتر و 700 نانومتر يتم اكتشافه مباشرة بواسطة العين البشرية ويُنظر إليه على أنه ضوء مرئي. الأطوال الموجية الأخرى ، وخاصة الأشعة تحت الحمراء القريبة (أطول من 700 نانومتر) والأشعة فوق البنفسجية (أقصر من 400 نانومتر) يشار إليها أحيانًا بالضوء.

مع زيادة التردد في النطاق المرئي ، تمتلك الفوتونات طاقة كافية لتغيير بنية الرابطة لبعض الجزيئات الفردية. ليس من قبيل المصادفة أن يحدث هذا في النطاق المرئي ، حيث تتضمن آلية الرؤية تغييرًا في الترابط بين جزيء واحد ، شبكية العين ، يمتص فوتونًا واحدًا. يؤدي التغيير في شبكية العين إلى تغيير في شكل بروتين رودوبسين الذي يحتوي عليه ، مما يؤدي إلى بدء العملية الكيميائية الحيوية التي تجعل شبكية العين البشرية تستشعر الضوء.

يصبح التمثيل الضوئي ممكنًا أيضًا في هذا النطاق لنفس السبب. يتم تحفيز جزيء واحد من الكلوروفيل بواسطة فوتون واحد. في أنسجة النبات التي تجري عملية التمثيل الضوئي ، تعمل الكاروتينات على إخماد الكلوروفيل المثار إلكترونيًا الناتج عن الضوء المرئي في عملية تسمى التبريد غير الكيميائي الضوئي ، لمنع التفاعلات التي من شأنها أن تتداخل مع التمثيل الضوئي عند مستويات الضوء العالية.

تستفيد الحيوانات التي تكشف عن الأشعة تحت الحمراء من حزم صغيرة من الماء تغير درجة الحرارة ، في عملية حرارية أساسًا تتضمن العديد من الفوتونات.

من المعروف أن الأشعة تحت الحمراء والميكروويف وموجات الراديو تتلف الجزيئات والأنسجة البيولوجية فقط عن طريق التسخين بالجملة ، وليس الإثارة من فوتونات مفردة للإشعاع.

الضوء المرئي قادر على التأثير فقط على نسبة ضئيلة من جميع الجزيئات. عادة ليس بطريقة دائمة أو ضارة ، يقوم الفوتون بإثارة إلكترون يقوم بعد ذلك بإصدار فوتون آخر عند العودة إلى موقعه الأصلي. هذا هو مصدر اللون الذي تنتجه معظم الأصباغ. شبكية العين استثناء. عندما يتم امتصاص الفوتون ، فإن شبكية العين تغير هيكلها بشكل دائم من رابطة الدول المستقلة إلى العابرة ، وتتطلب بروتينًا لتحويله مرة أخرى ، أي إعادة ضبطه ليكون قادرًا على العمل ككاشف للضوء مرة أخرى.

تشير الدلائل المحدودة إلى أن بعض أنواع الأكسجين التفاعلية تنشأ عن الضوء المرئي في الجلد ، وأن هذه قد يكون لها دور ما في التشيخ الضوئي ، بنفس طريقة الأشعة فوق البنفسجية أ. [44]

تحرير الأشعة فوق البنفسجية

مع زيادة التردد في الأشعة فوق البنفسجية ، تحمل الفوتونات الآن طاقة كافية (حوالي ثلاثة إلكترون فولت أو أكثر) لإثارة بعض الجزيئات المترابطة بشكل مزدوج لإعادة ترتيب كيميائي دائم. يسبب هذا ضررًا دائمًا في الحمض النووي. يتضرر الحمض النووي أيضًا بشكل غير مباشر بسبب أنواع الأكسجين التفاعلية التي تنتجها الأشعة فوق البنفسجية A (UVA) ، والتي تحتوي على طاقة منخفضة جدًا بحيث لا يمكنها إتلاف الحمض النووي بشكل مباشر. هذا هو السبب في أن الأشعة فوق البنفسجية في جميع الأطوال الموجية يمكن أن تلحق الضرر بالحمض النووي ، وهي قادرة على التسبب في السرطان ، و (بالنسبة للأشعة فوق البنفسجية باء) حروق الجلد (حروق الشمس) التي تكون أسوأ بكثير مما قد ينتج عن تأثيرات التسخين البسيط (زيادة درجة الحرارة). هذه الخاصية التي تسبب ضررًا جزيئيًا لا يتناسب مع تأثيرات التسخين ، هي خاصية مميزة لجميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ذات الترددات في نطاق الضوء المرئي وما فوق. ترجع خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي التردد إلى التأثيرات الكمية التي تلحق الضرر الدائم بالمواد والأنسجة على المستوى الجزيئي. [ بحاجة لمصدر ]

في الطرف الأعلى من نطاق الأشعة فوق البنفسجية ، تصبح طاقة الفوتونات كبيرة بما يكفي لنقل طاقة كافية للإلكترونات لتحررها من الذرة ، في عملية تسمى التأين الضوئي. دائمًا ما تكون الطاقة المطلوبة لهذا أكبر من حوالي 10 إلكترون فولت (eV) المقابلة مع أطوال موجية أصغر من 124 نانومتر (تشير بعض المصادر إلى قطع أكثر واقعية يبلغ 33 فولتًا ، وهي الطاقة المطلوبة لتأين الماء). هذه النهاية العالية من الطيف فوق البنفسجي مع طاقات في نطاق التأين التقريبي ، تسمى أحيانًا "الأشعة فوق البنفسجية الشديدة". يتم ترشيح الأشعة فوق البنفسجية المؤينة بقوة بواسطة الغلاف الجوي للأرض. [ بحاجة لمصدر ]

تحرير الأشعة السينية وأشعة جاما

الإشعاع الكهرومغناطيسي المكون من الفوتونات التي تحمل طاقة التأين الدنيا ، أو أكثر (والتي تشمل الطيف بأكمله بأطوال موجية أقصر) ، يُطلق عليها الإشعاع المؤين. (العديد من أنواع الإشعاع المؤين الأخرى مصنوعة من جسيمات غير كهرومغناطيسية). يمتد الإشعاع المؤين من النوع الكهرومغناطيسي من الأشعة فوق البنفسجية القصوى إلى جميع الترددات الأعلى والأطوال الموجية الأقصر ، مما يعني أن جميع الأشعة السينية وأشعة جاما مؤهلة. هذه قادرة على ارتكاب أشد أنواع الضرر الجزيئي ، والذي يمكن أن يحدث في علم الأحياء لأي نوع من الجزيئات الحيوية ، بما في ذلك الطفرات والسرطان ، وغالبًا على أعماق كبيرة تحت الجلد ، منذ الطرف الأعلى من طيف الأشعة السينية ، وجميع من طيف أشعة جاما ، تخترق المادة.

يتم حظر معظم الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية عن طريق الامتصاص أولاً من النيتروجين الجزيئي ، ثم (للأطوال الموجية في الأشعة فوق البنفسجية العليا) من الإثارة الإلكترونية للديوكسجين وأخيراً الأوزون في النطاق المتوسط ​​للأشعة فوق البنفسجية. يصل 30٪ فقط من ضوء الشمس فوق البنفسجي إلى الأرض ، وينتقل كل هذا تقريبًا بشكل جيد.

ينتقل الضوء المرئي جيدًا في الهواء ، لأنه ليس نشيطًا بدرجة كافية لإثارة النيتروجين أو الأكسجين أو الأوزون ، ولكنه نشيط جدًا لإثارة ترددات الاهتزاز الجزيئي لبخار الماء. [ بحاجة لمصدر ]

ترجع نطاقات الامتصاص في الأشعة تحت الحمراء إلى أنماط الإثارة الاهتزازية في بخار الماء. ومع ذلك ، عند استخدام طاقات منخفضة للغاية لإثارة بخار الماء ، يصبح الغلاف الجوي شفافًا مرة أخرى ، مما يسمح بنقل معظم موجات الميكروويف والراديو مجانًا. [ بحاجة لمصدر ]

أخيرًا ، عند أطوال موجات الراديو التي تزيد عن 10 أمتار أو نحو ذلك (حوالي 30 ميجاهرتز) ، يظل الهواء في الغلاف الجوي السفلي شفافًا للراديو ، لكن البلازما في طبقات معينة من الأيونوسفير تبدأ في التفاعل مع موجات الراديو (انظر الموجة السماوية). تسمح هذه الخاصية بانعكاس بعض الأطوال الموجية الأطول (100 متر أو 3 ميجاهرتز) وينتج عنها راديو بالموجات القصيرة يتجاوز خط البصر. ومع ذلك ، تبدأ بعض التأثيرات الأيونوسفيرية في منع الموجات الراديوية الواردة من الفضاء ، عندما يكون ترددها أقل من حوالي 10 ميجاهرتز (الطول الموجي أطول من حوالي 30 مترًا). [45]

تتضمن البنية الأساسية للمادة جزيئات مشحونة مرتبطة ببعضها البعض. عندما يصطدم الإشعاع الكهرومغناطيسي بالمادة ، فإنه يتسبب في تذبذب الجسيمات المشحونة واكتساب الطاقة. يعتمد المصير النهائي لهذه الطاقة على السياق. يمكن إعادة إشعاعها على الفور وتظهر كإشعاع مبعثر أو منعكس أو مرسل. قد يتشتت إلى حركات مجهرية أخرى داخل المادة ، ويصل إلى التوازن الحراري ويظهر نفسه كطاقة حرارية ، أو حتى طاقة حركية ، في المادة. مع بعض الاستثناءات المتعلقة بالفوتونات عالية الطاقة (مثل التألق والتوليد التوافقي والتفاعلات الكيميائية الضوئية والتأثير الكهروضوئي للإشعاعات المؤينة في الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما) ، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي الممتص يودع طاقته ببساطة عن طريق تسخين المادة . يحدث هذا لإشعاع الأشعة تحت الحمراء والميكروويف والراديو. يمكن أن تحرق موجات الراديو الشديدة الأنسجة الحية ويمكنها طهي الطعام. بالإضافة إلى أشعة الليزر التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ، يمكن لليزر المرئي والأشعة فوق البنفسجية المكثف بدرجة كافية أن يتسبب في اشتعال الورق بسهولة. [46] [ بحاجة لمصدر ]

ينتج الإشعاع المؤين إلكترونات عالية السرعة في مادة ما ويفكك الروابط الكيميائية ، ولكن بعد أن تصطدم هذه الإلكترونات عدة مرات مع ذرات أخرى في النهاية تصبح معظم الطاقة طاقة حرارية كلها في جزء صغير من الثانية. تجعل هذه العملية الإشعاع المؤين أكثر خطورة لكل وحدة طاقة من الإشعاع غير المؤين. ينطبق هذا التحذير أيضًا على الأشعة فوق البنفسجية ، على الرغم من أن معظمها تقريبًا غير مؤين ، لأن الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تتلف الجزيئات بسبب الإثارة الإلكترونية ، والتي تكون أكبر بكثير لكل وحدة طاقة من تأثيرات التسخين. [46] [ بحاجة لمصدر ]

عادةً ما يُعتبر الإشعاع تحت الأحمر في التوزيع الطيفي لجسم أسود شكلاً من أشكال الحرارة ، نظرًا لأنه يحتوي على درجة حرارة مكافئة ويرتبط بتغير إنتروبيا لكل وحدة طاقة حرارية. ومع ذلك ، فإن "الحرارة" مصطلح تقني في الفيزياء والديناميكا الحرارية وغالبًا ما يتم الخلط بينها وبين الطاقة الحرارية. يمكن تحويل أي نوع من الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة حرارية بالتفاعل مع المادة. هكذا، أي يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي "تسخين" (بمعنى زيادة درجة حرارة الطاقة الحرارية) لمادة ما عند امتصاصها. [47]

عملية الامتصاص العكسية أو المعكوسة زمنياً هي الإشعاع الحراري. يتكون معظم الطاقة الحرارية في المادة من حركة عشوائية للجسيمات المشحونة ، ويمكن إشعاع هذه الطاقة بعيدًا عن المادة. يمكن بعد ذلك امتصاص الإشعاع الناتج بواسطة قطعة أخرى من المادة ، مع تسخين الطاقة المترسبة للمادة. [48]

يعتبر الإشعاع الكهرومغناطيسي في تجويف معتم عند التوازن الحراري شكلًا فعالًا من أشكال الطاقة الحرارية ، حيث يحتوي على أقصى قدر من الانتروبيا الإشعاعية. [49]

الكهرومغناطيسية الحيوية هي دراسة تفاعلات وتأثيرات الإشعاع الكهرومغناطيسي على الكائنات الحية. تعتمد تأثيرات الإشعاع الكهرومغناطيسي على الخلايا الحية ، بما في ذلك تلك الموجودة في البشر ، على قوة الإشعاع وتردده. بالنسبة للإشعاع منخفض التردد (موجات الراديو إلى الضوء المرئي) ، فإن أفضل التأثيرات المفهومة هي تلك الناتجة عن طاقة الإشعاع وحدها ، والتي تعمل من خلال التسخين عند امتصاص الإشعاع. بالنسبة لهذه التأثيرات الحرارية ، يعد التردد مهمًا لأنه يؤثر على شدة الإشعاع واختراق الكائن الحي (على سبيل المثال ، تخترق الموجات الدقيقة أفضل من الأشعة تحت الحمراء). من المقبول على نطاق واسع أن الحقول منخفضة التردد التي تكون أضعف من أن تسبب تسخينًا كبيرًا لا يمكن أن يكون لها أي تأثير بيولوجي. [50]

على الرغم من النتائج المقبولة عمومًا ، فقد أجريت بعض الأبحاث لإظهار ذلك أضعف غير الحرارية المجالات الكهرومغناطيسية ، (بما في ذلك المجالات المغناطيسية الضعيفة لـ ELF ، على الرغم من أن الأخيرة لا تتأهل بشكل صارم للإشعاع الكهرومغناطيسي [50] [51] [52]) ، ومجالات الترددات الراديوية والميكروويف المعدلة لها تأثيرات بيولوجية. [53] [54] [55] الآليات الأساسية للتفاعل بين المواد البيولوجية والمجالات الكهرومغناطيسية في المستويات غير الحرارية ليست مفهومة تمامًا. [50]

صنفت منظمة الصحة العالمية الإشعاع الكهرومغناطيسي للترددات الراديوية على أنها المجموعة 2 ب - ربما تكون مسببة للسرطان. [56] [57] تحتوي هذه المجموعة على مواد مسرطنة محتملة مثل الرصاص ، والدي دي تي ، والستايرين. على سبيل المثال ، كانت الدراسات الوبائية التي تبحث عن علاقة بين استخدام الهاتف الخلوي وتطور سرطان الدماغ غير حاسمة إلى حد كبير ، باستثناء إثبات أن التأثير ، إن وجد ، لا يمكن أن يكون كبيرًا.

عند الترددات الأعلى (المرئية وما بعدها) ، تبدأ تأثيرات الفوتونات الفردية في أن تصبح مهمة ، لأن هذه الفوتونات لديها الآن طاقة كافية بشكل فردي لتدمير الجزيئات البيولوجية بشكل مباشر أو غير مباشر. [58] تم تصنيف جميع ترددات الأشعة فوق البنفسجية كمواد مسرطنة من المجموعة 1 من قبل منظمة الصحة العالمية. تعتبر الأشعة فوق البنفسجية الناتجة عن التعرض للشمس السبب الرئيسي لسرطان الجلد. [59] [60]

وبالتالي ، عند ترددات الأشعة فوق البنفسجية وما فوقها (وربما إلى حد ما أيضًا في النطاق المرئي) ، [44] يُلحق الإشعاع الكهرومغناطيسي ضررًا بالنظم البيولوجية أكثر مما تتنبأ به التدفئة البسيطة. هذا هو الأكثر وضوحا في الأشعة فوق البنفسجية "البعيدة" (أو "المتطرفة"). يشار إلى الأشعة فوق البنفسجية ، مع الأشعة السينية وأشعة جاما ، بالإشعاع المؤين بسبب قدرة فوتونات هذا الإشعاع على إنتاج الأيونات والجذور الحرة في المواد (بما في ذلك الأنسجة الحية). نظرًا لأن مثل هذا الإشعاع يمكن أن يلحق أضرارًا بالغة بالحياة عند مستويات الطاقة التي تنتج القليل من التسخين ، فإنه يعتبر أكثر خطورة بكثير (من حيث الضرر الناتج لكل وحدة طاقة أو طاقة) من بقية الطيف الكهرومغناطيسي.

استخدم كسلاح تحرير

أشعة الحرارة هي أحد تطبيقات الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تستخدم ترددات الميكروويف لإحداث تأثير تسخين مزعج في الطبقة العليا من الجلد. تم تطوير سلاح أشعة حراري معروف للجمهور يسمى نظام الإنكار النشط من قبل الجيش الأمريكي كسلاح تجريبي لمنع العدو من الوصول إلى منطقة. [61] [62] شعاع الموت هو سلاح نظري يسلم شعاعًا حراريًا بناءً على الطاقة الكهرومغناطيسية بمستويات قادرة على إصابة الأنسجة البشرية. ادعى مخترع شعاع الموت ، هاري جريندل ماثيوز ، أنه فقد بصره في عينه اليسرى أثناء عمله على سلاح شعاع الموت الخاص به استنادًا إلى مغنطرون ميكروويف من عشرينيات القرن الماضي (يخلق فرن الميكروويف العادي تأثيرًا ضارًا على الأنسجة داخل الفرن في حوالي 2 كيلو فولت / م). [63]

يتم التنبؤ بالموجات الكهرومغناطيسية من خلال القوانين الكلاسيكية للكهرباء والمغناطيسية ، والمعروفة باسم معادلات ماكسويل. توجد حلول غير بديهية لمعادلات ماكسويل المتجانسة (بدون رسوم أو تيارات) ، تصف أمواج لتغيير المجالات الكهربائية والمغناطيسية. بداية من معادلات ماكسويل في الفضاء الحر:


16.1 معادلات ماكسويل والموجات الكهرومغناطيسية

كان جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) أحد المساهمين الرئيسيين في الفيزياء في القرن التاسع عشر (الشكل 16.2). على الرغم من وفاته صغيراً ، فقد قدم مساهمات كبيرة في تطوير النظرية الحركية للغازات ، وفهم رؤية الألوان ، وطبيعة حلقات زحل. من المحتمل أنه اشتهر بدمج المعرفة الحالية لقوانين الكهرباء والمغناطيسية مع رؤى خاصة به في نظرية كهرومغناطيسية شاملة كاملة ، ممثلة بمعادلات ماكسويل.

تصحيح ماكسويل لقوانين الكهرباء والمغناطيسية

تم اكتشاف القوانين الأساسية الأربعة للكهرباء والمغناطيسية بشكل تجريبي من خلال عمل علماء الفيزياء مثل أورستيد ، وكولومب ، وجاوس ، وفاراداي. اكتشف ماكسويل التناقضات المنطقية في هذه النتائج السابقة وحدد عدم اكتمال قانون أمبير كسبب لها.

تذكر أنه وفقًا لقانون أمبير ، تكامل المجال المغناطيسي حول حلقة مغلقة ج يتناسب مع التيار أنا يمر عبر أي سطح تكون حدوده حلقة ج بحد ذاتها:

هناك عدد لا نهائي من الأسطح التي يمكن ربطها بأي حلقة ، وقانون أمبير المذكور في المعادلة 16.1 مستقل عن اختيار السطح.

ضع في اعتبارك الإعداد في الشكل 16.3. يتم توصيل مصدر emf فجأة عبر مكثف متوازي اللوحة بحيث يعتمد التيار المعتمد على الوقت أنا يتطور في السلك. لنفترض أننا طبقنا قانون أمبير على التكرار ج موضحًا في وقت ما قبل شحن المكثف بالكامل ، بحيث يكون I ≠ 0 I ≠ 0. يعطي Surface S 1 S 1 قيمة غير صفرية للتيار المغلق أنا، في حين أن السطح S 2 S 2 يعطي صفرًا للتيار المغلق لأنه لا يوجد تيار يمر عبره:

من الواضح أن قانون أمبير في شكله المعتاد لا يعمل هنا. قد لا يكون هذا مفاجئًا ، لأن قانون أمبير كما هو مطبق في الفصول السابقة يتطلب تيارًا ثابتًا ، في حين أن التيار في هذه التجربة يتغير بمرور الوقت وليس ثابتًا على الإطلاق.

كيف يمكن تعديل قانون أمبير بحيث يعمل في جميع المواقف؟ اقترح ماكسويل تضمين مساهمة إضافية ، تسمى تيار الإزاحة I d I d ، للتيار الحقيقي أنا,

حيث يتم تعريف تيار الإزاحة ليكون

إن تيار الإزاحة مشابه لتيار حقيقي في قانون أمبير ، يدخل في قانون أمبير بنفس الطريقة. ومع ذلك ، يتم إنتاجه بواسطة مجال كهربائي متغير. إنه يفسر مجالًا كهربائيًا متغيرًا ينتج مجالًا مغناطيسيًا ، تمامًا كما يفعل التيار الحقيقي ، لكن تيار الإزاحة يمكن أن ينتج مجالًا مغناطيسيًا حتى في حالة عدم وجود تيار حقيقي. عندما يتم تضمين هذا المصطلح الإضافي ، تصبح معادلة قانون Ampère المعدلة

ومستقل عن السطح س من خلالها التيار أنا يقاس.

يمكننا الآن فحص هذه النسخة المعدلة من قانون أمبير للتأكد من أنها مستقلة عما إذا كان السطح S 1 S 1 أو السطح S 2 S 2 في الشكل 16.3 قد تم اختياره. المجال الكهربائي E → E → المقابل للتدفق Φ E E في المعادلة 16.3 بين ألواح المكثف. لذلك ، فإن المجال E → E → وتيار الإزاحة عبر السطح S 1 S 1 كلاهما صفر ، وتأخذ المعادلة 16.2 الشكل

يتطلب قانون جاوس للشحنة الكهربائية سطحًا مغلقًا ولا يمكن تطبيقه عادةً على سطح مثل S 1 S 1 بمفرده أو S 2 S 2 بمفرده. لكن السطحين S 1 S 1 و S 2 S 2 يشكلان سطحًا مغلقًا في الشكل 16.3 ويمكن استخدامهما في قانون Gauss. نظرًا لأن المجال الكهربائي يساوي صفرًا على S 1 S 1 ، فإن مساهمة التدفق عبر S 1 S 1 تساوي صفرًا. هذا يعطينا

لذلك ، يمكننا استبدال التكامل على S 2 S 2 في المعادلة 16.6 مع سطح Gaussian المغلق S 1 + S 2 S 1 + S 2 وتطبيق قانون Gauss للحصول على

مثال 16.1

تيار الإزاحة في مكثف شحن

إستراتيجية

حل

معادلات ماكسويل

مع تصحيح تيار الإزاحة ، تأخذ معادلات ماكسويل الشكل

بمجرد حساب الحقول باستخدام هذه المعادلات الأربع ، تكون معادلة قوة لورنتز

معادلات ماكسويل

1. قانون غاوس

التدفق الكهربائي عبر أي سطح مغلق يساوي الشحنة الكهربائية س في Q in محاط بالسطح. يصف قانون غاوس [المعادلة 16.7] العلاقة بين الشحنة الكهربائية والمجال الكهربائي الذي تنتجه. غالبًا ما يتم تصوير ذلك من حيث خطوط المجال الكهربائي التي تنشأ من الشحنات الموجبة وتنتهي عند الشحنات السالبة ، وتشير إلى اتجاه المجال الكهربائي عند كل نقطة في الفضاء.

2. قانون جاوس للمغناطيسية

يكون تدفق المجال المغناطيسي عبر أي سطح مغلق صفرًا [المعادلة 16.8]. هذا يعادل القول بأن خطوط المجال المغناطيسي متصلة وليس لها بداية أو نهاية. يجب أيضًا أن يغادر أي خط مجال مغناطيسي يدخل المنطقة المحاطة بالسطح. من المعروف أنه لا توجد أحاديات أقطاب مغناطيسية ، حيث تنتهي خطوط المجال المغناطيسي (انظر الحقول المغناطيسية والخطوط).

3. قانون فاراداي

يحث المجال المغناطيسي المتغير قوة دافعة كهربائية (emf) ، وبالتالي مجال كهربائي. اتجاه emf يعارض التغيير. هذا الثلث من معادلات ماكسويل ، المعادلة 16.9 ، هو قانون فاراداي للاستقراء ويتضمن قانون لينز. يحتوي المجال الكهربائي من مجال مغناطيسي متغير على خطوط مجال تشكل حلقات مغلقة ، بدون أي بداية أو نهاية.

4. قانون أمبير ماكسويل

تتولد المجالات المغناطيسية عن طريق الشحنات المتحركة أو عن طريق تغيير المجالات الكهربائية. يشمل هذا الرابع من معادلات ماكسويل ، المعادلة 16.10 ، قانون أمبير ويضيف مصدرًا آخر للمجالات المغناطيسية ، وهو تغيير المجالات الكهربائية.

تشمل معادلات ماكسويل وقانون قوة لورنتز معًا جميع قوانين الكهرباء والمغناطيسية. قد لا يكون التناظر الذي أدخله ماكسويل في إطاره الرياضي واضحًا على الفور. يصف قانون فاراداي كيف أن الحقول المغناطيسية المتغيرة تنتج مجالات كهربائية. ينتج تيار الإزاحة الذي أدخله Maxwell بدلاً من ذلك من مجال كهربائي متغير ويأخذ في الاعتبار مجالًا كهربائيًا متغيرًا ينتج عنه مجال مغناطيسي. تختلف المعادلات الخاصة بتأثيرات كل من المجالات الكهربائية المتغيرة والمجالات المغناطيسية المتغيرة في الشكل فقط حيث يؤدي عدم وجود أحادي القطب المغناطيسي إلى اختفاء المصطلحات. هذا التناسق بين تأثيرات تغير المجالات المغناطيسية والكهربائية ضروري لشرح طبيعة الموجات الكهرومغناطيسية.

أظهر التطبيق اللاحق لنظرية النسبية لأينشتاين على نظرية ماكسويل الكاملة والمتناظرة أن القوى الكهربائية والمغناطيسية ليست منفصلة ولكنها مظاهر مختلفة لنفس الشيء - القوة الكهرومغناطيسية. يتم توحيد القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة بالمثل مع القوة الكهروضعيفة. كان توحيد القوى هذا دافعًا واحدًا لمحاولات توحيد جميع القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة - قوى الجاذبية ، والقوى الكهربائية ، والقوى النووية الضعيفة (انظر فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات).

آلية انتشار الموجات الكهرومغناطيسية

في القسم التالي ، نوضح بمصطلحات رياضية أكثر دقة كيف تؤدي معادلات ماكسويل إلى التنبؤ بالموجات الكهرومغناطيسية التي يمكن أن تنتقل عبر الفضاء بدون وسيط مادي ، مما يعني أن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية تساوي سرعة الضوء.

قبل عمل ماكسويل ، كانت التجارب قد أشارت بالفعل إلى أن الضوء كان ظاهرة موجية ، على الرغم من أن طبيعة الموجات لم تكن معروفة بعد. في عام 1801 ، أوضح توماس يونغ (1773-1829) أنه عندما يتم فصل شعاع الضوء عن طريق شقين ضيقين ثم إعادة تجميعه ، يتشكل نمط مكون من أطراف ساطعة ومظلمة على الشاشة. شرح يونغ هذا السلوك بافتراض أن الضوء يتكون من موجات تضاف بشكل بناء في بعض النقاط وتضاف في نقاط أخرى بشكل مدمر (انظر التداخل). بعد ذلك ، قدم جان فوكو (1819-1868) ، بقياسات سرعة الضوء في مختلف الوسائط ، وأوغستين فريسنل (1788-1827) ، بتجارب مفصلة تتضمن تداخلًا وانعراجًا للضوء ، دليلاً قاطعًا إضافيًا على أن الضوء كان موجة. لذلك ، كان من المعروف أن الضوء عبارة عن موجة ، وقد تنبأ ماكسويل بوجود موجات كهرومغناطيسية تنتقل بسرعة الضوء. بدا الاستنتاج لا مفر منه: يجب أن يكون الضوء شكلاً من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. لكن نظرية ماكسويل أظهرت أن الأطوال الموجية والترددات الأخرى غير تلك الخاصة بالضوء كانت ممكنة للموجات الكهرومغناطيسية. أظهر أن الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي له نفس الخصائص الأساسية للضوء المرئي يجب أن يكون موجودًا في أي تردد. بقي للآخرين اختبار هذا التوقع وتأكيده.

عندما يتم تشغيل emf عبر مكثف ويسمح للمكثف بالشحن ، متى يكون المجال المغناطيسي الناجم عن تيار الإزاحة أكبر حجم؟

ملاحظات هيرتز

كان الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز (1857-1894) أول من قام بتوليد واكتشاف أنواع معينة من الموجات الكهرومغناطيسية في المختبر. ابتداءً من عام 1887 ، أجرى سلسلة من التجارب التي لم تؤكد وجود الموجات الكهرومغناطيسية فحسب ، بل أثبتت أيضًا أنها تتحرك بسرعة الضوء.

استخدم هيرتز تيارًا مترددًا RLC دارة (المقاوم-مغو-مكثف) التي يتردد صداها بتردد معروف f 0 = 1 2 π L C f 0 = 1 2 π L C وربطها بحلقة من الأسلاك ، كما هو موضح في الشكل 16.5. أنتجت الفولتية العالية المستحثة عبر الفجوة في الحلقة شرارات كانت دليلاً مرئيًا على التيار في الدائرة وساعدت في توليد موجات كهرومغناطيسية.

عبر المختبر ، وضع Hertz حلقة أخرى متصلة بأخرى RLC الدائرة ، والتي يمكن ضبطها (مثل الاتصال الهاتفي على الراديو) على نفس تردد الرنين مثل الأول ، وبالتالي يمكن تصنيعها لاستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. تحتوي هذه الحلقة أيضًا على فجوة تتولد عبرها الشرر ، مما يعطي دليلًا قويًا على تلقي الموجات الكهرومغناطيسية.

درس هيرتز أيضًا أنماط الانعكاس والانكسار والتداخل للموجات الكهرومغناطيسية التي ولدها ، مؤكداً طابعها الموجي. كان قادرًا على تحديد الأطوال الموجية من أنماط التداخل ، ومعرفة تردداتها ، يمكنه حساب سرعة الانتشار باستخدام المعادلة v = f λ v = f λ ، حيث الخامس هي سرعة الموجة ، F هو ترددها ، و λ λ هو طولها الموجي. وهكذا تمكن هيرتز من إثبات أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل بسرعة الضوء. تم تسمية وحدة SI للتردد ، هرتز (1 هرتز = 1 دورة / ثانية 1 هرتز = 1 دورة / ثانية) ، على شرفه.

هل يمكن لمجال كهربائي بحت أن ينتشر كموجة عبر فراغ بدون مجال مغناطيسي؟ برر جوابك.


الكيمياء الإشعاع الكهرومغناطيسي نظرية الكم

ستتعرف في هذه المحاضرة على الإشعاع الكهرومغناطيسي ونظرية الكم. سيبدأ مدربنا الرحلة بالموجات وخصائصها ، بدءًا من المفاهيم الأساسية مثل السعة ، والحوض الصغير ، والشعار ، والطول الموجي ، والتردد ، والسرعة باعتبارها سرعة الضوء). بعد ذلك ، ستغطي الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل أشعة جاما والأشعة السينية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو. ستتعرف بعد ذلك على الطيف والتحليل الطيفي قبل النظر إلى طيف ذرة الهيدروجين من حيث طيف الانبعاث وطيف الامتصاص. بعد تغطية صيغة Rydberg ، ستلقي نظرة على نظرية بلانك الكمية مع إشعاع الجسم الأسود وكوانتا قبل فهم التأثير الكهروضوئي. ثم ستكون نظرية بوهر لذرة الهيدروجين مع حالتها الأرضية وحالتها المثارة. يواصل البروفيسور جولدوايت حديثه عن Heisenberg ومبدأ عدم اليقين قبل تغطية De Broglie و Wave Nature of Particles. أخيرًا ، ستتعرف على أرقام الكم مثل الرقم الكمي الأول ورقم الكم الأول ورقم الكم m1 ورقم Spin Quantum قبل تغطية مبدأ باولي.


9.1: الضوء: الإشعاع الكهرومغناطيسي - الرياضيات

الموجات الكهرومغناطيسية هي الموجات التي تحمل الطاقة باختلاف المجالات الكهربائية والمغناطيسية. تعتبر الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية أمثلة على الموجات الكهرومغناطيسية.

ضوء مرئي

يُعرَّف الضوء المرئي بأنه شكل الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الطول الموجي المرئي للعين البشرية. يتم إنتاج الأضواء المرئية بواسطة اللهب وأنابيب التفريغ. يتراوح الطول الموجي للضوء المرئي من 4 ( مرات ) 10 -7 م إلى 8 ( مرات ) 10 -7 م. الضوء المرئي ذو الطول الموجي الطويل هو الضوء الأحمر ذو 8 ( مرات ) والضوء المرئي ذو الطول الموجي القصير بنفسجي مع 4 ( مرات ) 10 -7 م. يتراوح مدى تردد الضوء المرئي بين 400 إلى 790 تيراهيرتز. يستخدم الضوء المرئي في الاتصال.

الأشعة تحت الحمراء

إنه شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي غير المرئي للعين البشرية. يتراوح الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء من 10 -5 م إلى 5 ( مرات ) 10 -3 م. لا يمكننا رؤية الأشعة تحت الحمراء ولكن يمكننا أن نشعر بها بسبب حرارتها. يتراوح نطاق تردد الأشعة تحت الحمراء بين 430 هرتز إلى 300 جيجا هرتز. تستخدم الأشعة تحت الحمراء في الرؤية الليلية حيث لا يكون الضوء كافياً. كما أنها تستخدم في التتبع والتدفئة والاتصال. أنتجت الشمس أيضًا الأشعة تحت الحمراء. لا يمكننا رؤيتها لأنها غير مرئية ولكننا نشعر بالحرارة أو الدفء بسبب الأشعة تحت الحمراء للشمس عندما نبقى في ضوء الشمس.

موجات الراديو

موجات الراديو هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي. يستخدم على نطاق واسع في الاتصالات ، في التلفزيون ، الهواتف المحمولة ، أجهزة الراديو ، إلخ. يتم استخدامه في نقل البيانات في شكل مشفر. في شكل رادار ، يتم استخدامه أيضًا لإرسال الإشارات والتقاط انعكاساتها من الكائنات الموجودة في مسارها. لها أطول طول موجي بين جميع الطيف الكهرومغناطيسي. يتراوح الطول الموجي لموجات الراديو من 10 -4 م إلى 5 ( مرات ) 10 4 م. يتم إنتاجه عن طريق التذبذبات الكهربائية ويتم اكتشافه بواسطة مستقبلات الراديو أو الدوائر المضبوطة المماثلة. يتراوح تردد موجات الراديو من 300 جيجا هرتز إلى 3 هرتز.

الأشعة فوق البنفسجية
الأشعة السينية وأشعة جاما
الفرق بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية
الأشعة فوق البنفسجية الأشعة السينية
متوسط ​​الطول الموجي والتردد هو 10 -8 و 10 15 هرتز على التوالي. متوسط ​​الطول الموجي والتردد هو 10-10 و 10 18 هرتز على التوالي.
يتم الحصول عليها من الشمس وأنبوب الضوء وما إلى ذلك. يتم الحصول عليها عن طريق جهاز الأشعة السينية.
الفرق بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء.

الأشعة فوق البنفسجية الأشعة تحت الحمراء
التردد مرتفع. التردد منخفض.
لديهم المزيد من الطاقة. لديهم طاقة أقل.
إنها ضارة. إنها ليست ضارة.

تكاليف شاحنة الغذاء SpaceTeam يونيكورن يعطل دمج البرمجة الزوجية الفيروسية لبيانات كبيرة على سطح السفينة نموذج أولي بديهي للظل الطويل. استجابة قراصنة بديهية

جاكوب سيمز

نموذج أولي بديهي لزعيم الفكر ، شخصيات بارالاكس بارادايم ، ظل طويل يشرك يونيكورن نموذج صندوق SpaceTeam.

كيلي ديويت

الشلال المستجيب الذي يحركه المخترقون الحدسي هو حتى عام 2000 ورأس المال الاستثماري المتأخر من كورتادو. تعمل شاحنة الطعام على دمج البرمجة الزوجية البديهية لتصميم ستيف جوبز المفكر والصانع والفاعل الذي يركز على الإنسان.

تكاليف شاحنة الغذاء SpaceTeam يونيكورن يعطل دمج البرمجة الزوجية الفيروسية لبيانات كبيرة على سطح السفينة نموذج أولي بديهي للظل الطويل. استجابة قراصنة بديهية

لوك سميث

Unicorn disrupt دمج البرمجة الزوجية الفيروسية لخط عرض البيانات الكبيرة على سطح الملعب بنموذج أولي بديهي طويل الظل. استجابة قراصنة بديهية


الموجة الكهرومغناطيسية ومفهوم المجال

قدم فاراداي مفهوم المجال وخطوط المجال للقوة الموجودة خارج الأجسام المادية. كما أوضح ذلك ، فإن المنطقة المحيطة بالمغناطيس أو الشحنة الكهربائية وخارجها تحتوي على مجال يصف في أي مكان القوة التي يتعرض لها مغناطيس صغير آخر أو شحنة موضوعة هناك. يمكن جعل خطوط القوة حول المغناطيس مرئية عن طريق رش برادة حديدية على ورقة مثبتة فوق المغناطيس. كان مفهوم المجال ، الذي يحدد قيامه بعمل أو قوة معينة محتملة في أي مكان في الفضاء ، هو المفتاح لفهم الظواهر الكهرومغناطيسية. يجب أن نذكر بشكل تماثلي أن مفهوم المجال يلعب أيضًا (بأشكال متنوعة) دورًا محوريًا في النظريات الحديثة للجسيمات والقوى.

إلى جانب تقديم هذا المفهوم المهم لخطوط القوة للمجال الكهربائي والمغناطيسي ، كان لدى فاراداي فكرة غير عادية أن الإجراءات الكهربائية والمغناطيسية لا تنتقل على الفور ولكن بعد فترة زمنية معينة ، والتي تزداد مع المسافة من المصدر. علاوة على ذلك ، فقد أدرك العلاقة بين المغناطيسية والضوء بعد ملاحظة أن مادة مثل الزجاج يمكنها تدوير مستوى استقطاب الضوء في وجود مجال مغناطيسي. تُعرف هذه الظاهرة الرائعة باسم تأثير فاراداي.

كما لوحظ أعلاه ، صاغ ماكسويل نظرية كمية ربطت بين الظواهر الأساسية للكهرباء والمغناطيسية وتوقعت انتشار الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة ، والتي ، كما يمكن للمرء أن يحددها في ذلك الوقت ، كانت متطابقة مع سرعة الضوء. واختتم ورقته البحثية بعنوان "في خطوط القوة الفيزيائية" (1861-1862) بالقول إن الكهرباء يمكن أن تنتشر عبر الفضاء بخصائص مماثلة لخصائص الضوء. في عام 1864 ، كتب ماكسويل أن العامل العددي الذي يربط بين الوحدات الكهروستاتيكية والمغناطيسية كان قريبًا جدًا من سرعة الضوء وأن هذه النتائج "تُظهر أن الضوء والمغناطيسية هما تأثران لنفس المادة ، وأن الضوء هو اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر من خلال وفقًا لقوانينه الكهرومغناطيسية. "

ما هو المطلوب أكثر لإقناع المجتمع العلمي بأن لغز الضوء قد تم حله وأن ظاهرة الكهرباء والمغناطيسية قد تم توحيدهما في نظرية كبرى؟ لماذا استغرق قبول نظرية ماكسويل 25 سنة أخرى؟ أولاً ، لم يكن هناك دليل مباشر يذكر على النظرية الجديدة. علاوة على ذلك ، لم يكن ماكسويل قد تبنى شكليات معقدة فحسب ، بل أوضح أيضًا جوانبها المختلفة بمفاهيم ميكانيكية غير عادية. على الرغم من أنه ذكر أن كل هذه العبارات يجب اعتبارها توضيحية وليست توضيحية ، فقد لاحظ عالم الرياضيات الفرنسي هنري بوانكاريه في عام 1899 أن "البنية المعقدة" التي ينسبها ماكسويل إلى الأثير "جعلت نظامه غريبًا وغير جذاب".

كانت أفكار فاراداي وماكسويل القائلة بأن مجال القوة له وجود مادي في الفضاء مستقل عن الوسائط المادية جديدة جدًا بحيث لا يمكن قبولها دون دليل مباشر. في القارة ، وخاصة في ألمانيا ، ازدادت الأمور تعقيدًا بسبب نجاح كارل فريدريش جاوس وويلهلم إدوارد ويبر في تطوير نظرية مجال محتملة لظاهرة الكهرباء الساكنة والمغناطيسية وجهودهم المستمرة لتوسيع هذه الشكلية إلى الديناميكا الكهربائية.

من الصعب بعد فوات الأوان تقدير الإحجام عن قبول نظرية فاراداي - ماكسويل. تمت إزالة المأزق أخيرًا من خلال عمل هيرتز. في عام 1884 اشتق هيرتز نظرية ماكسويل بطريقة جديدة ووضع معادلاتها الأساسية في شكلها الحالي. وبذلك ، أوضح المعادلات ، مما جعل تناظر المجالات الكهربائية والمغناطيسية واضحًا. تحدث الفيزيائي الألماني أرنولد سومرفيلد نيابة عن معظم زملائه المثقفين عندما قال ، بعد قراءة ورقة هيرتز ، "سقطت الظلال من عيني" ، واعترف بأنه فهم النظرية الكهرومغناطيسية لأول مرة. بعد أربع سنوات ، قدم هيرتز مساهمة رئيسية ثانية: فقد نجح في توليد إشعاع كهرومغناطيسي من ترددات الراديو والميكروويف ، وقياس سرعتها بطريقة الموجة الدائمة وإثبات أن هذه الموجات لها خصائص الانعكاس والحيود والانكسار والتداخل الشائعة. للضوء. أظهر أن مثل هذه الموجات الكهرومغناطيسية يمكن أن تكون مستقطبة ، وأن المجالين الكهربائي والمغناطيسي يتأرجحان في اتجاهات متعامدة بشكل متبادل ومستعرض لاتجاه الحركة ، وأن سرعتها هي نفسها سرعة الضوء ، كما تنبأت نظرية ماكسويل.

لم تُحسم تجارب هيرتز البارعة المفاهيم الخاطئة النظرية لصالح نظرية المجال الكهرومغناطيسي لماكسويل فحسب ، بل فتحت الطريق أيضًا لبناء أجهزة إرسال ، وهوائيات ، وكابلات متحدة المحور ، وأجهزة كشف للإشعاع الكهرومغناطيسي للترددات الراديوية. في عام 1896 ، حصل ماركوني على أول براءة اختراع للإبراق اللاسلكي ، وفي عام 1901 حقق اتصالات لاسلكية عبر المحيط الأطلسي.

لا تشير نظرية فاراداي - ماكسويل - هيرتز للإشعاع الكهرومغناطيسي ، والتي يشار إليها عمومًا باسم نظرية ماكسويل ، إلى وسيط تنتشر فيه الموجات الكهرومغناطيسية. يتم إنتاج موجة من هذا النوع ، على سبيل المثال ، عندما يتحرك خط الشحنات ذهابًا وإيابًا على طول الخط. تمثل الرسوم المتحركة تيارًا كهربائيًا. في هذه الحركة ذهابًا وإيابًا ، يتدفق التيار في اتجاه واحد ثم في اتجاه آخر. نتيجة لهذا الانعكاس في الاتجاه الحالي ، يجب على المجال المغناطيسي حول التيار (اكتشفه Ørsted و Ampère) أن يعكس اتجاهه. ينتج المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت حقلاً كهربائيًا متغيرًا بشكل متعامد مع الزمن ، كما اكتشفه فاراداي (قانون فاراداي للحث). تنتشر هذه المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت من مصدرها ، التيار المتذبذب ، بسرعة الضوء في الفضاء الحر. التيار المتذبذب في هذه المناقشة هو التيار المتذبذب في هوائي الإرسال ، والمجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت والتي تكون متعامدة مع بعضها البعض تنتشر بسرعة الضوء وتشكل موجة كهرومغناطيسية. ترددها هو تردد الشحنات المتذبذبة في الهوائي. بمجرد إنشائه ، فإنه ينتشر ذاتيًا لأن المجال الكهربائي المتغير بمرور الوقت ينتج مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا بمرور الوقت ، والعكس صحيح. ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسي من تلقاء نفسه عبر الفضاء. ومع ذلك ، كان الاعتقاد بوجود وسيط أثير في وقت ماكسويل قويًا كما كان في زمن أفلاطون وأرسطو. كان من المستحيل تصور الأثير لأنه كان يجب أن يُنسب إليه خصائص متناقضة من أجل شرح الظواهر المعروفة في أي وقت. في مقالته الأثير في الطبعة التاسعة من جريدة Encyclopædia Britannica ، وصف ماكسويل الامتداد الشاسع للمادة ، ومن المحتمل أن يكون بعضها داخل الكواكب ، يحمل معها أو يمر عبرها حيث أن "مياه البحر تمر عبر شبكات شبكة عندما يتم جرها بواسطة قارب".

إذا كان المرء يؤمن بالأثير ، فمن الأهمية بمكان قياس سرعة حركته أو تأثير حركته على سرعة الضوء. لا يعرف المرء السرعة المطلقة للأثير ، ولكن عندما تتحرك الأرض في مدارها حول الشمس ، يجب أن يكون هناك اختلاف في سرعة الأثير على طول حركة الأرض وعموديًا لها يساوي سرعتها. إذا كان الأمر كذلك ، فإن سرعة الضوء وأي إشعاع كهرومغناطيسي آخر على طول حركة الأرض وعموديها يجب أن تختلف ، كما تنبأ ماكسويل ، بجزء يساوي مربع نسبة سرعة الأرض إلى سرعة الضوء. هذا الكسر هو جزء واحد من 100 مليون.

شرع ميكلسون في قياس هذا التأثير ، وكما ذكر أعلاه ، صمم لهذا الغرض مقياس التداخل الموضح في الشكل 4. إذا افترضنا أن مقياس التداخل قد تم تدويره بحيث يكون نصف الشعاع A موجهًا بالتوازي مع حركة الأرض ونصف الشعاع B عموديًا عليها ، فإن فكرة استخدام هذه الأداة لقياس تأثير حركة الأثير يمكن تفسيرها بشكل أفضل بكلمات ميكلسون لأبنائه:

يتسابق شعاعتان من الضوء ضد بعضهما البعض ، مثل اثنين من السباحين ، أحدهما يكافح في اتجاه المنبع والخلف ، بينما الآخر ، الذي يغطي نفس المسافة ، يعبر النهر ويعود. سيفوز السباح الثاني دائمًا ، إذا كان هناك أي تيار في النهر.

نسخة محسّنة من مقياس التداخل ، حيث اجتاز كل نصف شعاع مساره ثماني مرات قبل إعادة توحيد كلاهما للتداخل ، تم بناؤه في عام 1887 من قبل ميكلسون بالتعاون مع مورلي. تم وضع لوح ثقيل من الحجر الرملي يحمل مقياس التداخل على بركة من الزئبق للسماح بالدوران دون اهتزاز. لم يستطع ميكلسون ومورلي اكتشاف أي اختلاف في سرعات الضوء الموازية والعمودية لحركة الأرض بدقة جزء واحد في أربعة مليارات. ومع ذلك ، فإن هذه النتيجة السلبية لم تحطم الاعتقاد بوجود الأثير لأنه من الممكن أن يتم جر الأثير مع الأرض وبالتالي يكون ثابتًا حول جهاز ميكلسون مورلي. أوضحت صياغة هيرتز لنظرية ماكسويل أنه لا توجد حاجة إلى وسيط من أي نوع لانتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي. على الرغم من ذلك ، استمرت تجارب انحراف الأثير حتى منتصف عشرينيات القرن الماضي. أكدت جميع هذه الاختبارات النتائج السلبية لميشيلسون ، وتوصل العلماء أخيرًا إلى قبول فكرة أنه لا توجد حاجة إلى وسيط إيثر للإشعاع الكهرومغناطيسي.


محتويات

استخدم جيمس كليرك ماكسويل في مقالته عام 1865 بعنوان النظرية الديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي ، التصحيح الذي أدخله على قانون أمبير للدائرة والذي كان قد أعده في الجزء الثالث من مقالته عام 1861 عن خطوط القوة الفيزيائية. في الجزء السادس من ورقته 1864 بعنوان النظرية الكهرومغناطيسية للضوء[2] جمع ماكسويل تيار الإزاحة مع بعض المعادلات الأخرى للكهرومغناطيسية وحصل على معادلة موجية بسرعة تساوي سرعة الضوء. وعلق:

يبدو أن توافق النتائج يظهر أن الضوء والمغناطيسية مؤثران على نفس المادة ، وأن الضوء عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر عبر المجال وفقًا للقوانين الكهرومغناطيسية. [3]

تم استبدال اشتقاق ماكسويل لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية في تعليم الفيزياء الحديث بطريقة أقل تعقيدًا تتضمن الجمع بين النسخة المصححة من قانون أمبير للدائرة مع قانون فاراداي للحث.

للحصول على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ بالطريقة الحديثة نبدأ بالحديث 'شكل Heaviside من معادلات ماكسويل. في الفضاء الخالي من الشحن والفراغ ، هذه المعادلات هي:

هذه هي معادلات ماكسويل العامة المتخصصة في الحالة مع الشحنة والتيار مضبوطين على الصفر. يعطي أخذ حليقة معادلات الضفيرة:

أين الخامس هي أي دالة متجهية للفضاء. و

أين ∇الخامس هو dyadic الذي عند تشغيله بواسطة عامل الاختلاف ∇ ⋅ ينتج متجهًا. حيث

ثم يختفي المصطلح الأول على اليمين في الهوية ونحصل على معادلات الموجة:

هي سرعة الضوء في الفضاء الحر.

يمكن كتابة هذه المعادلات النسبية في شكل مخالف مثل

يتم تعديل معادلة الموجة الكهرومغناطيسية بطريقتين ، حيث يتم استبدال المشتق بالمشتق المتغير ويظهر مصطلح جديد يعتمد على الانحناء.

يُفترض تعميم حالة مقياس لورنز في الزمكان المنحني:

يمكن أن تعمل الشحنة المتغيرة مع الزمن والكثافة الحالية كمصادر للموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ. يمكن كتابة معادلات ماكسويل في شكل معادلة موجية مع المصادر. إضافة المصادر إلى معادلات الموجة تجعل المعادلات التفاضلية الجزئية غير متجانسة.

الحل العام لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية هو تراكب خطي لموجات النموذج

تقريبًا أي دالة حسنة التصرف g من وسيطة بلا أبعاد φ ، حيث هو التردد الزاوي (بالراديان في الثانية) ، و ك = (كx, كذ, كض) هو متجه الموجة (بالتقدير الدائري لكل متر).

على الرغم من أن الوظيفة g يمكن أن تكون موجة جيبية أحادية اللون وغالبًا ما تكون ، إلا أنها لا يجب أن تكون جيبية أو حتى دورية. من الناحية العملية ، لا يمكن أن يكون لـ g دورية لانهائية لأن أي موجة كهرومغناطيسية حقيقية يجب أن يكون لها دائمًا مدى محدود في الزمان والمكان. نتيجة لذلك ، واستناداً إلى نظرية تحلل فورييه ، يجب أن تتكون الموجة الحقيقية من تراكب مجموعة لا نهائية من الترددات الجيبية.

بالإضافة إلى ذلك ، للحصول على حل صالح ، لا يكون متجه الموجة والتردد الزاوي مستقلين ، يجب أن يلتزموا بعلاقة التشتت:

حيث k هو الرقم الموجي و هو الطول الموجي. لا يمكن استخدام المتغير c في هذه المعادلة إلا عندما تكون الموجة الكهرومغناطيسية في فراغ.

تحرير الحالة المستقرة الجيبية أحادية اللون

تنتج أبسط مجموعة من الحلول لمعادلة الموجة من افتراض أشكال موجة جيبية لتردد واحد في شكل قابل للفصل:

تحرير حلول موجة الطائرة

ضع في اعتبارك المستوى المحدد بواسطة متجه عادي للوحدة

ثم حلول الموجة المستوية المتنقلة من معادلات الموجة هي

أين ص = (x, ذ, ض) هو متجه الموقع (بالأمتار).

تمثل هذه الحلول موجات مستوية تتحرك في اتجاه المتجه الطبيعي ن . إذا حددنا اتجاه z على أنه اتجاه ن . واتجاه x كاتجاه ه ، ثم وفقًا لقانون فاراداي ، يكمن المجال المغناطيسي في الاتجاه y ويرتبط بالمجال الكهربائي من خلال العلاقة

نظرًا لأن تباعد المجالين الكهربائي والمغناطيسي يساوي صفرًا ، فلا توجد مجالات في اتجاه الانتشار.

هذا الحل هو الحل المستقطب خطيًا لمعادلات الموجة. هناك أيضًا حلول مستقطبة دائريًا تدور فيها الحقول حول المتجه الطبيعي.

تحرير التحلل الطيفي

بسبب خطية معادلات ماكسويل في الفراغ ، يمكن أن تتحلل الحلول إلى تراكب الجيوب الأنفية. هذا هو أساس طريقة تحويل فورييه لحل المعادلات التفاضلية. يأخذ الحل الجيبي لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية الشكل

t هو الوقت (بالثواني) ، هو التردد الزاوي (بالراديان في الثانية) ، ك = (كx, كذ, كض) هو متجه الموجة (بالتقدير الدائري لكل متر) ، و ϕ 0 < displaystyle scriptstyle phi _ <0>> هي زاوية المرحلة (بالتقدير الدائري).

يرتبط متجه الموجة بالتردد الزاوي بواسطة

حيث k هو الرقم الموجي و هو الطول الموجي.

الطيف الكهرومغناطيسي هو مخطط لأحجام المجال (أو الطاقات) كدالة لطول الموجة.

تحرير التوسع متعدد الأقطاب

مع ك = ω / ج على النحو الوارد أعلاه. بدلا من ذلك ، يمكن القضاء عليها ه لصالح ب ليحصل:

يمكن كتابة مجال كهرومغناطيسي عام بتردد ω كمجموع حلول لهاتين المعادلتين. يمكن التعبير عن الحلول ثلاثية الأبعاد لمعادلة هيلمهولتز على أنها توسعات في التوافقيات الكروية ذات المعاملات المتناسبة مع وظائف بيسيل الكروية. ومع ذلك ، فإن تطبيق هذا التوسع على كل مكون متجه من ه أو ب سيعطي حلولًا ليست خالية من الاختلاف بشكل عام ( · ه = · ب = 0) ، وبالتالي تتطلب قيودًا إضافية على المعاملات.

يتغلب التوسع متعدد الأقطاب على هذه الصعوبة من خلال عدم التوسع ه أو ب ، لكن إعادة أو ص · ب في التوافقيات الكروية. لا تزال هذه التوسعات تحل معادلات هيلمهولتز الأصلية لـ ه و ب لأنه مجال خالٍ من الاختلاف F , ∇ 2 (الترددات اللاسلكية) = ص · (∇ 2 F). التعبيرات الناتجة عن المجال الكهرومغناطيسي العام هي:

أين حل (1,2) (x) هي وظائف Hankel الكروية ، هل (1،2) و بل (1،2) يتم تحديدها من خلال شروط الحدود ، و

يجد التوسع متعدد الأقطاب في المجال الكهرومغناطيسي تطبيقًا في عدد من المشكلات التي تتضمن التناظر الكروي ، على سبيل المثال أنماط إشعاع الهوائيات أو اضمحلال جاما النووي. في هذه التطبيقات ، غالبًا ما يهتم المرء بالقدرة المشعة في المجال البعيد. في هذه المناطق ، ه و ب الحقول مقاربة ل

ثم يُعطى التوزيع الزاوي للقدرة المشعة بمتوسط ​​زمني


شاهد الفيديو: الأشعة الكهرومغناطيسية - مدبلج (ديسمبر 2021).