تشعشعات الکترومغناطیسی چیست؟ تعریف، طیف، خواص و کاربردها
تشعشعات الکترومغناطیسی، شکلی از انرژی هستند که بدون نیاز به محیط مادی منتشر می‌شوند. این انرژی خودپایا، دارای دو مولفه میدان الکتریکی و مغناطیسی است که با هم و در جهت انتشار موج در فضا نوسان می‌کنند. تشعشعات الکترومغناطیسی را اغلب با نام‌هایی مانند "نور"، EM، EMR یا امواج الکترومغناطیسی می‌شناسیم. این امواج در خلأ با سرعت نور حرکت می‌کنند.
انرژی تشعشعات الکترومغناطیسی به صورت بسته‌های کوانتومی به نام فوتون منتقل می‌شود. فوتون‌ها جرم سکون ندارند، اما دارای تکانه و جرم نسبیتی هستند و به همین دلیل تحت تأثیر نیروی گرانش قرار می‌گیرند، درست مانند ماده معمولی. هر زمان که ذرات باردار شتاب بگیرند، تشعشعات الکترومغناطیسی تولید و ساطع می‌شوند.
طیف الکترومغناطیسی: سفری در میان امواج انرژی
طیف الکترومغناطیسی، تمام انواع تشعشعات الکترومغناطیسی را در بر می‌گیرد. این طیف از طول موج بلند و انرژی کم (امواج رادیویی) تا طول موج کوتاه و انرژی زیاد (اشعه گاما) مرتب شده است.
ترتیب امواج در طیف الکترومغناطیسی (از کمترین به بیشترین انرژی):
- امواج رادیویی: ساطع شده از ستارگان و تولید شده توسط انسان برای انتقال داده‌های صوتی.
- مایکروویو: ساطع شده از ستارگان و کهکشان‌ها، مورد استفاده در رادیو نجومی، گرم کردن غذا و انتقال داده.
- فروسرخ (Infrared): ساطع شده از اجسام گرم، از جمله موجودات زنده، گرد و غبار و گازهای بین ستاره‌ای.
- نور مرئی: بخش کوچکی از طیف که توسط چشم انسان قابل مشاهده است. ساطع شده از ستارگان، لامپ‌ها و برخی واکنش‌های شیمیایی.
- فرابنفش (Ultraviolet): ساطع شده از ستارگان، از جمله خورشید. قرار گرفتن بیش از حد در معرض آن باعث آفتاب سوختگی، سرطان پوست و آب مروارید می‌شود.
- اشعه ایکس (X-ray): ساطع شده از گازهای داغ در جهان، تولید و استفاده شده توسط انسان برای تصویربرداری تشخیصی.
- اشعه گاما (Gamma-ray): ساطع شده از جهان، قابل استفاده در تصویربرداری، مشابه اشعه ایکس.
تشعشعات یونیزان و غیریونیزان: مرز خطر و ایمنی
تشعشعات الکترومغناطیسی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: یونیزان و غیریونیزان.
تشعشعات یونیزان انرژی کافی برای شکستن پیوندهای شیمیایی و جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌ها (تشکیل یون) را دارند. این تشعشعات به دلیل توانایی ایجاد تغییرات در ساختار مولکولی، می‌توانند برای سلامتی مضر باشند.
تشعشعات غیریونیزان انرژی کمتری دارند و عمدتاً توسط اتم‌ها و مولکول‌ها جذب می‌شوند. این تشعشعات ممکن است انرژی لازم برای شروع واکنش‌های شیمیایی یا شکستن پیوندها را فراهم کنند، اما انرژی آن‌ها برای جدا کردن الکترون‌ها کافی نیست.
به طور کلی، تشعشعاتی که انرژی آن‌ها از نور فرابنفش بیشتر است (مانند اشعه ایکس و گاما) یونیزان هستند. تشعشعاتی که انرژی آن‌ها از نور فرابنفش کمتر است (از جمله نور مرئی) غیریونیزان محسوب می‌شوند. لازم به ذکر است که نور فرابنفش با طول موج کوتاه نیز می‌تواند یونیزان باشد.
تاریخچه کشف تشعشعات الکترومغناطیسی: از نور مرئی تا امواج نامرئی
در اوایل قرن نوزدهم، دانشمندان موفق به کشف طول موج‌های نوری خارج از طیف مرئی شدند. ویلیام هرشل در سال 1800 تشعشعات فروسرخ (infrared) را شناسایی کرد و یک سال بعد، یوهان ویلهلم ریتر، تشعشعات فرابنفش (ultraviolet) را کشف کرد. هر دو دانشمند از منشور برای تجزیه نور خورشید به طول موج‌های مختلف استفاده کردند.
معادلات توصیف کننده میدان‌های الکترومغناطیسی بین سال‌های 1862 تا 1864 توسط جیمز کلرک ماکسول توسعه یافتند. پیش از نظریه یکپارچه الکترومغناطیس ماکسول، دانشمندان بر این باور بودند که الکتریسیته و مغناطیس دو نیروی جداگانه هستند.
کنش‌های متقابل الکترومغناطیسی: قوانین حاکم بر نیروها
معادلات ماکسول، چهار کنش متقابل اصلی الکترومغناطیسی را توصیف می‌کنند:
- نیروی جاذبه یا دافعه بین بارهای الکتریکی، با مربع فاصله بین آن‌ها نسبت معکوس دارد.
- یک میدان الکتریکی متحرک، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند و یک میدان مغناطیسی متحرک، یک میدان الکتریکی تولید می‌کند. (القای الکترومغناطیسی)
- جریان الکتریکی در یک سیم، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، به طوری که جهت میدان مغناطیسی به جهت جریان بستگی دارد.
- تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد. قطب‌های مغناطیسی به صورت جفتی وجود دارند که یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند، درست مانند بارهای الکتریکی.
- شیمی
- علم
