طیف الکترومغناطیسی — به زبان ساده

طیف الکترومغناطیسی شامل رنج وسیعی از فرکانس‌های مختلف امواج و تابش‌های الکترومغناطیسی است که اطلاعاتی در مورد طول موج، دمای تابش و انرژی فوتون مربوطه به موج را در اختیار ما می‌گذارد.

طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌ $$1Hz$$ (هرتز) شروع و تا فرکانس‌های بالای $$10^{25}Hz$$ ادامه دارد. طبق رابطه معکوس فرکانس با طول موج $$(f=\frac{c}{\lambda})$$ می‌توان گفت که طیف مذکور از طول موج‌های خیلی بلندی (حدود 100 هزار کیلومتر) تا ابعاد اتمی (حدود ۱ درصد ابعاد هسته) گسترش می‌یابد. به طور کلی امواج الکترومغناطیسی را با توجه به ناحیه فرکانسی یا طول موجی که در آن قرار دارند، از پایین‌ترین فرکانس (بالاترین طول موج) تا فرکانس‌های بالا (طول موج کوتاه) به ترتیب زیر دسته‌بندی ‌می‌کنند:

امواج رادیویی، امواج میکروویو، امواج مادون قرمز، ناحیه مرئی، امواج فرابنفش، اشعه ایکس و در نهایت امواج گاما

نگاهی دقیق‌تر به طیف الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی در هر کدام از طیف‌های فوق دارای ویژگی‌های متفاوتی نظیر چگونگی تولید، نحوه تعامل با ماده (محیط) و کاربرد عملی هستند. امواج گاما، اشعه ایکس و فرابنفش به دلیل فرکانس خیلی بالا و در نتیجه انرژی زیادشان در دسته کلی‌تر امواج یونیزه‌کننده قرار می‌گیرند. در‌ واقع فوتون مربوط به آنها انرژی لازم و کافی برای کندن الکترون و یونیزه کردن اتم‌ها و وقوع واکنش‌های شیمیایی را دارند. به همین علت قرار گرفتن در معرض تابش این امواج برای سلامتی مضر بوده و می‌تواند باعث سرطان یا آسیب دیدن ساختار مولکولی DNA شود. امواج با فرکانس‌ ناحیه مرئی و پایین‌تر از آن، انرژی کافی برای تحقق امور فوق را ندارند.

فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه در فرادرس

کلیک کنید

برای آشنایی با حدود باند فرکانسی، طول موج و انرژی امواج الکترومغناطیس به تصاویر زیر دقت کنید.

به دلیل کاربردهای مخابراتی ناحیه‌های رادیویی و میکروویو، مهندسان برای راحتی کار و استاندارد‌سازی موارد مربوطه، این دو ناحیه از طیف الکترومغناطیسی را به زیر ناحیه‌هایی تقسیم‌بندی کرده‌اند که در شکل (۱) مشخص است. همچنین در علوم و مهندسی فوتونیک، مجموعه نواحی مادون قرمز (فروسرخ)، ناحیه مرئی و فرابنفش را ناحیه اپتیکی نام‌گذاری می‌کنند. در مخابرات فیبر نوری از طول موج‌هایی که در انتهای ناحیه مادون‌قرمز قرار دارند، استفاده می‌شود. ناحیه اپتیکی، با تفکیک بیشتر در شکل (۲) نشان داده شده است.

از آنجا که طیف الکترومغناطیسی، طیفی پیوسته است، در ناحیه مرئی مشخص کردن این که دقیقاً از چه طول موج یا فرکانسی تغییر رنگ رخ می‌دهد، کاری دشوار است. اما به طور تقریبی و با دقت خوبی می‌توان طول موج رنگ‌های مختلف که چشم انسان قادر به تفکیک آن‌ها بوده را مشخص کرد (شکل ۳).

جهت آشنایی کامل‌تر با ناحیه‌های فرکانسی مختلف در طیف الکترومغناطیسی و کاربردهای آن‌ها، پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر داشته باشید:

• امواج رادیویی -- به زبان ساده
• مایکروویو (Microwave) یا ریز موج -- به زبان ساده
• مادون قرمز (Infrared) -- به زبان ساده
• طیف مرئی -- به زبان ساده
• تابش ترمزی و اشعه ایکس -- به زبان ساده

انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی

مقدار انرژی امواج الکترومغناطیسی، در واقع انرژی فوتون وابسته به آنها معمولاً با واحد «الکترون‌‌ولت» (Electronvolt) نمایش داده ‌می‌شود. یک الکترون‌ولت برابر با $$1.6\times10^{-19}$$ ژول است. می‌دانیم که انرژی یک فوتون طبق فرمول $$E=hf$$ با فرکانس رابطه‌ای خطی دارد؛ در نتیجه با افزایش فرکانس، انرژی آن نیز بیشتر می‌شود. حدود انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی در شکل (4) آورده شده است. در رابطه ذکر شده $$h$$ ثابت پلانک با مقدار $$6.62\times10^{-34}j.s$$ یا $$4.13\times10^{-15}eV.s$$ است.

دمای تابش امواج الکترومغناطیسی

در مقاله جسم سیاه دیدیم که اجسام در هر دمایی تابش می‌کنند. طول موج وابسته به این تابش طبق «قانون جابجایی وین» (Wien’s displacement law) برابر است با:

$${\displaystyle \lambda _{\text{max}}={\frac {2.897771955...×10^{-3}}{T}}}$$

مطابق با رابطه فوق، هرچه دمای جسمی بالاتر رود، طول‌ موج تابش شده از آن کمتر می‌شود. از آنجا هم که طول موج با معکوس فرکانس رابطه دارد ($$f=\frac{c}{\lambda}$$)، هرچه دمای جسم بالاتر باشد، فرکانس موج الکترومغاطیسی تابش شده از آن بیشتر است. شکل (۵) دمای متناظر با فرکانس امواج الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد. درواقع اگر جسمی دمایش به مقادیر درج شده در شکل برسد، تابشی در فرکانس مربوطه خواهد داشت. از این نمودار می‌توان به تکنولوژی مادون قرمز دوربین‌های دید در شب و سیستم‌های هوشمند تشخیص موجودات زنده در خودروها پی برد، چراکه دمای بدن انسان و موجودات زنده تابشی در ناحیه مادون قرمز دارد.

برهمکنش با ماده

امواج الکترومغناطیسی بسته به فرکانس یا طول موج‌شان یا به طور دقیق‌تر با توجه به ناحیه‌ای که در آن جای می‌گیرند، به طور متفاوتی با مواد برهمکنش یا تعامل می‌کنند. به طور خلاصه تعامل اصلی هر ناحیه با مواد را می‌توان در جدول زیر مشخص کرد. علم «اسپکتروسکوپی» (Spectroscopy) که به علم شناسایی مواد نیز معروف است، ابزارهای آن مبتنی بر طیف الکترومغناطیسی و نحوه تعامل امواج با ماده، توسعه پیدا می‌کند.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک و مهندسی مخابرات، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مخابرات
• فوتون در فیزیک — به زبان ساده
• طیف مرئی -- به زبان ساده
• فیبر نوری -- به زبان ساده
• امواج الکترومغناطیسی — از صفر تا صد
• موج الکترومغناطیسی چگونه ایجاد می شود؟ — آموزش جامع

^^