العلاقة بين الموجات الكهرومغناطيسية والضوء

مقدمة في الموجات الكهرومغناطيسية:

الإشعاع الكهرومغناطيسي: هو أحد الطرق العديدة التي تنتقل بها الطاقة عبر الفضاء. الحرارة الناتجة عن النار المشتعلة وضوء الشمس والأشعة السينية التي يستخدمها طبيبك، وكذلك الطاقة المستخدمة لطهي الطعام في الميكروويف، كلها أشكال من الإشعاع الكهرومغناطيسي. في حين أنّ هذه الأشكال من الطاقة قد تبدو مختلفة تماماً عن بعضها البعض، إلّا أنّها مرتبطة من حيث أنّها تظهر جميعها خصائص تشبه الموجة.

إذا كنت قد ذهبت للسباحة في المحيط، فأنت بالفعل على دراية بالأمواج. الموجات هي ببساطة اضطرابات في وسط مادي معين أو مجال ما، مما يؤدي إلى اهتزاز أو تذبذب. إنّ انتفاخ الموجة في المحيط، والغطس اللاحق الذي يليه، هو ببساطة اهتزاز أو تذبذب للمياه على سطح المحيط. تتشابه الموجات الكهرومغناطيسية، لكنّها أيضاً متميزة من حيث أنّها تتكون في الواقع من (222) موجة تتأرجح بشكل عمودي مع بعضها البعض.

إحدى الموجات عبارة عن مجال مغناطيسي متذبذب، والآخر هو مجال كهربائي متذبذب. يمكن تصور ذلك على النحو التالي:

في حين أنّه من الجيد أن يكون لديك فهم أساسي لما هو الإشعاع الكهرومغناطيسي، فإنّ معظم الكيميائيين أقل اهتماماً بالفيزياء الكامنة وراء هذا النوع من الطاقة، وهم أكثر اهتماماً بكيفية تفاعل هذه الموجات مع المادة. وبشكل أكثر تحديداً، يدرس الكيميائيون كيفية تفاعل الأشكال المختلفة للإشعاع الكهرومغناطيسي مع الذرات والجزيئات.

من خلال هذه التفاعلات، يمكن الحصول على معلومات حول بنية الجزيء، بالإضافة إلى أنواع الروابط الكيميائية التي يحتوي عليها. قبل أن نتحدث عن ذلك، من الضروري التحدث أكثر قليلاً عن الخصائص الفيزيائية لموجات الضوء.

الضوء كإشعاع كهرومغناطيسي:

على الرغم من التطورات النظرية والتجريبية في النصف الأول من القرن التاسع عشر والتي أسست الخصائص الموجية للضوء، لم يتم الكشف عن طبيعة الضوء بعد. تغير هذا الوضع بشكل كبير عندما قام الفيزيائي الاسكتلندي “جيمس كليرك ماكسويل“، في صياغته للكهرومغناطيسية، وصف “ماكسويل” الضوء بأنّه 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 1888م، نجح الفيزيائي الألماني “هاينريش هيرتز” في إثبات وجود موجات كهرومغناطيسية طويلة الموجة وأظهر أنّ خصائصها متوافقة مع خصائص الضوء المرئي ذو الطول الموجي الأقصر.

ما هو الفرق بين موجات الضوء والموجات الكهرومغناطيسية؟

الضوء هو نوع واحد فقط من الموجات الكهرومغناطيسية، يختلف الطول الموجي والتردد عكسياً مع بعضهما البعض لوصف أنواع مختلفة من الموجات الكهرومغناطيسية. إذا كنت تستخدم كلمة “فوتون” لوصف الضوء، فيمكنك استخدامها بشكل متساوٍ لوصف الأشعة السينية وموجات الميكروويف وموجات الراديو، وكلها تنتمي إلى الطيف الكهرومغناطيسي. تتشابه الموجة الراديوية تماماً مع الموجة الضوئية، إلا أنّ ترددها أقل كثيراً وطولها الموجي أعلى كثيراً.

الراديو والميكروويف والأشعة فوق البنفسجية، والضوء المرئي، وأشعة جاما لها تأثيرات مختلفة تماماً، لكنّها جميعها من نفس النوع تماماً: الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR). إنّها مجرد موجات من الطاقة تنتقل عبر الفضاء أو عبر الأشياء. الفرق الوحيد بين أشعة جاما من القنابل النووية والموجات التي تسمح لأجهزة التلفاز والميكروويف لدينا بالقيام بعملها هو مقدار الطاقة التي تحصل عليها تلك الموجات.

تمتلك موجات الراديو أقل طاقة في الطيف الكهرومغناطيسي. ولكن إذا كان بإمكانك زيادة الطاقة في موجات الراديو قليلاً، فستحولها إلى أفران ميكروويف ويمكنك تناول العشاء بواسطتها. استمر في زيادة الطاقة وستكون قادراً على استخدام تلك الموجات كمصباح (ضوء مرئي) قبل أن تبدأ في السطوع من خلال الأشياء (الأشعة السينية) وفي النهاية، عندما تكون في الطرف الآخر من طيف الطاقة، فإنّها ستكون أشعة جاما مميتة. (لقد حصلت أشعة جاما على أكثر من مليون مرة من الطاقة مثل موجات الراديو).

الطاقة والطول الموجي والتردد:

الإشعاع الكهرومغناطيسي هو مجرد موجات من الطاقة المتحركة، ولكن عندما نضبط محطات الراديو أو التلفزيون، فإنّنا لا نتحدث عن طاقتها، الأمر كله يتعلق بالتردد. فرن الميكروويف الخاص بك له تردد معين أيضاً. وإذا كان لديك جهاز أشعة سينية خاص بالحيوانات الأليفة، فسوف يعمل على ترددات معينة أيضاً.

التردد هو عدد مرات حدوث شيء ما. في حالة الإشعاع الكهرومغناطيسي، هو عدد المرات التي تتعرض فيها لموجة من الإشعاع إذا وقفت في طريقها. في الوقت الحالي، من المحتمل أنّك تتعرض لضربات موجات الراديو والضوء المرئي. ستحصل على موجات ضوئية مرئية أكثر من موجات الراديو كل ثانية لأنّ الضوء المرئي هو طاقة أعلى وإشعاع الطاقة الأعلى له تردد أعلى، وذلك لسببين:

• ينتج الإشعاع عالي الطاقة موجات رفيعة جداً (طول موجي قصير).

• تنتقل جميع الإشعاعات بنفس السرعة، سرعة الضوء (300000 كم / ثانية).

هذا المزيج من الأطوال الموجية المختلفة التي تسافر بنفس السرعة يعني أنّك ستضغط على موجات رفيعة أكثر بكثير في إشعاع بقيمة ثانية واحدة مما ستضخه الأمواج. تمتلك موجات الراديو أطول أطوال موجية تتراوح من بضعة أمتار إلى موجات يبلغ طولها كيلومترات. ولكل طول موجي تردد مطابق. هذا النطاق من الطول الموجي والتردد يعني أنّه يمكننا احتواء الكثير من محطات الراديو والتلفزيون المختلفة. فقط لو تمكنا من الحصول على ما يكفي من الأشياء الجيدة لرؤيتها والاستماع إليها.

من أين تأتي كل هذه الموجات؟

سواء انتهى الأمر به على هيئة أفران ميكروويف أو أشعة سينية أو ضوء شمس، فإنّ الطاقة التي تنتقل كإشعاع كهرومغناطيسي يتم إنتاجها دائماً بنفس الطريقة. كل هذا يأتي من الإلكترونات التي تفقد طاقتها فجأة. ينتج الضوء عندما تنخفض الإلكترونات إلى مستوى طاقة أقل في الذرة. تصدر الإلكترونات التي تصطدم فجأة بسطح معدني طاقة مثل الأشعة السينية. وتصدر الإلكترونات التي تهتز في أجهزة الإرسال الراديوية إشعاعاً منخفض الطاقة نضبطه.

ولكن ليس فقط أبراج الراديو وآلات الأشعة السينية والمصابيح الكهربائية هي التي تنتج الإشعاع الكهرومغناطيسي. كل جزء من المادة في الكون يصدر إشعاعاً، بما في ذلك أنت. الأشياء الدافئة مثلنا تبعث حرارة الجسم، وتلك الطاقة الحرارية تنتقل كأشعة تحت الحمراء. لذا فأنت في الواقع تصدر إشعاعات طاقة أعلى الآن من جهاز التحكم عن بعد أو فرن الميكروويف. لكن لا تكن مغروراً جداً، قد ننتج إشعاع طاقة أعلى من أجهزتنا، لكننا لا نضخ ما يكفي من الأشياء لفعل أي شيء أكثر فائدة من احتضانها.

ما هو الفوتون – The photon؟

الفوتون: هو الجسيم الأولي أو الكم للضوء. مهدت اكتشافات “بلانك” الطريق لاكتشاف الفوتون. يمكن امتصاص الفوتونات أو إطلاقها بواسطة الذرات والجزيئات. عندما يُمتص الفوتون، تنتقل طاقته إلى تلك الذرة أو الجزيء. نظراً لتكميم الطاقة، يتم نقل طاقة الفوتون بالكامل (تذكر أنّه لا يمكننا نقل أجزاء من “الكوانتا” وهي أصغر “حزم طاقة” فردية ممكنة). إنّ عكس هذه العملية صحيح أيضاً.

عندما تفقد ذرة أو جزيء الطاقة، فإنّها تصدر فوتوناً يحمل طاقة مساوية تماماً لفقدان طاقة الذرة أو الجزيء. هذا التغيير في الطاقة يتناسب طردياً مع تردد الفوتون المنبعث أو الممتص. تُعطى هذه العلاقة من خلال معادلة “بلانك” الشهيرة:

E=hν

حيث:

(E) هي طاقة الفوتون الممتص أو المنبعث، ووحدته الجول. 

(ν) هو تردد الفوتون، و يقاس بوحدة الهيرتز. 

(h) هي ثابت بلانك ( J⋅s 6.626×10⁻³⁴).  

يمكن وصف الإشعاع الكهرومغناطيسي بسعة (brightness) وطول الموجة والتردد والفترة. من خلال المعادلة (E=hν)، رأينا كيف يتناسب تردد الموجة الضوئية مع طاقتها. في بداية القرن العشرين، أدى اكتشاف طاقة الكم إلى الكشف عن أنّ الضوء ليس مجرد موجة، ولكن يمكن وصفه أيضاً بأنّه مجموعة من الجسيمات تعرف بالفوتونات.

تحمل الفوتونات كميات منفصلة من الطاقة تسمى الكوانتا (quanta). يمكن نقل هذه الطاقة إلى الذرات والجزيئات عند امتصاص الفوتونات. يمكن للذرات والجزيئات أيضاً أن تفقد الطاقة عن طريق إصدار الفوتونات.

ما هو الفرق بين الموجة الكهرومغناطيسية والفوتون؟

يمكن للفوتون أن يسافر عدة سنوات ضوئية عبر الفضاء الفارغ وبعد تلك الرحلة لا يزال من الممكن اكتشافه بالعين البشرية. تتطلب الموجة الكهرومغناطيسية جهاز إرسال قوي وهوائيات استقبال ضخمة لتقريب المسافة بين كوكبين. لا يتأثر مسار الفوتون بالشحنات الكهربائية. يتأثر المجال الكهربائي بالتأكيد بالشحنات الكهربائية القريبة. لذا فإنّ البيان المعتاد بأنّ الفوتونات هي موجات كهرومغناطيسية يجب أن تكون خاطئة.

الفوتونات ليست موجات وحاملها ليس المجال الكهرومغناطيسي. وفقاً لنموذج كتاب “هيلبرت”، يمكن تمثيل الفوتونات بسلاسل من جبهات الصدمات أحادية البعد متساوية الأبعاد التي تنتقل في مساحة معيشتنا. تتميز هذه الأوتار بمدة انبعاث ثابتة لا تعتمد على تردد الفوتون.