طیف الکترومغناطیسی

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 1025Hz ادامه دارد. طبق رابطه معکوس فرکانس با طول موج (f=cλ) 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.

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

شکل (۱) : طیف الکترومغناطیسی، نمایشی از ناحیه‌های مختلف امواج الکترومغاطیسی است که از فرکانس‌های پایین (طول موج‌های بالا) تا فرکانس‌های بالا (طول‌ موج‌های کوتاه) گسترش پیدا می‌کند.

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.

شکل (۲) : ناحیه اپتیکی شامل امواج مادون قرمز، ناحیه مرئی و فرانبفش می‌شود.

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).

 

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 1.6×10−19 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 6.62×10−34j.s یا 4.13×10−15eV.s است.

شکل (۴) : انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی

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:

λmax=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=cλ)، 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.

شکل (۵) : دمای تابش امواج الکترومغناطیسی و فرکانس متناظر با آن.

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.

 

ناحیه طیف	بیشترین برهمکنش یا تعامل با ماده
امواج رادیویی	ایجاد نوسان دسته‌جمعی بارهای متحرک در جسم که با فرکانس پلاسما نوسان می‌کنند. به عنوان مثال می‌توان به حرکت نوسانی یک الکترون در آنتن اشاره کرد.
امواج میکروویو ~ امواج مادون قرمز دور (FIR)	تحریک اٌهمیک (گرمایی) پلاسما و ایجاد نوسان پلاسما (در اینجا پلاسما، گاز یونیده شده موسوم به حالت چهارم ماده است) / ایجاد چرخش مولکولی
امواج مادون قرمز نزدیک (NIR)	ایجاد ارتعاش مولکولی / ایجاد امواج الکترومغناطیسی که در سطح ماده (فلز) منتشر می‌شوند که به پلاسمون (به دلیل نوسان با فرکانس پلاسما) معروف اند.
ناحیه مرئی	تحریک الکترونی مولکولی (مثل مولکول‌های رنگدانه در شبکیه چشم انسان / ایجاد امواج الکترومغناطیسی که در سطح ماده (فلز) منتشر می‌شوند که به پلاسمون (به دلیل نوسان با فرکانس پلاسما) معروف اند.
فرابنفش	تحریک مولکولی و اتمی / یونیزه کردن / رهاسازی الکترون (اثر فوتوالکتریک)
اشعه X	تحریک مولکولی و اتمی / یونیزه کردن / پراکندگی کامپتون (برای اعداد اتمی کم)
امواج گاما	آزادسازی الکترون‌ها از اتم‌هایی با هسته سنگین / پراکندگی کامپتون (برای همه اعداد اتمی) / تحریک و تفکیک هسته اتم
امواج پر انرژی گاما	تحریک و تفکیک هسته اتمی / تولید ذره و پاد‌ذره (به طور مثال یک فوتون با انرژی حداقل دو برابر جرم سکون الکترون (1.02MeV) می‌تواند به یک الکترون و یک پوزیترون تبدیل شود)