اشعاع كهرومغناطيسى

اشعاع كهرومغناطيسى
جزء من	كهرومغناطيسيه
بيتكون من	موجه كهروماغناطيسيه فوتون

لنك عشوائى
تصانيف	شوف كمان
مصطلحات | مهن جهاز| جوايز كل الليستات	اشعاع كهرومغناطيسى

موجة كهرومغناطيسية مستقطبة خطى تسير فى المحور z، حيث بيترمز E لالمجال الكهربائى وB العمودى لالمجال المغناطيسى

فى الفيزياء ، الإشعاع الكهرومغناطيسى ( EMR ) أو الموجة الكهرومغناطيسية ( EMW ) موجة ذاتية الانتشار للمجال الكهرومغناطيسى تحمل الزخم والطاقة الإشعاعية عبر الفضاء. و بيشمل طيف واسع، بيتصنف حسب التردد (الذى يتناسب عكسى مع الطول الموجى )، بدء من موجات الراديو ، والموجات الميكروية ، والأشعة تحت الحمرا ، والنور المرئى ، و الأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وصول لأشعة جاما . تنتقل كل أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسى بسرعة النور فى الفراغ، وتُظهر ازدواجية الموجة والجسيم ، حيث تتصرف كموجات وكجسيمات منفصلة بتتسمما الفوتونات.الإشعاع الكهرومغناطيسى بينتج عن طريق تسريع الجسيمات المشحونة، زى تلك القادمة من الشمس و الأجرام السماوية التانيه، أو بيولد صناعى لتطبيقات متنوعة. ويعتمد تفاعله مع المادة على طول موجته،و ده يؤثر على استخداماته فى الاتصالات و الطب و الصناعة والبحث العلمى. بتمكن موجات الراديو من البث والاتصالات اللاسلكية ، وبيستخدم الأشعة تحت الحمرا فى التصوير الحرارى ، والنور المرئى ضرورى للرؤية، أما الإشعاعات ذات الطاقة العالية، زى الأشعة السينية و أشعة غاما، فبتستعمل فى التصوير الطبى و علاج السرطان والتفتيش الصناعى. ارتبط الإشعاع الكهرومغناطيسى بآثار صحية سلبية ، حيث صنّفت منظمة الصحة العالمية الإشعاع الكهرومغناطيسى بترددات الراديو ضمن المجموعة 2B من المواد اللى يُحتمل أن تكون مُسرطنة.

فى ميكانيكا الكم ، الإشعاع الكهرومغناطيسى بيتشاف من منظور بديل، و هو أنه بيتكون من فوتونات ، هيا جسيمات أولية غير مشحونة ذات كتلة سكون صفرية، تُمثل كمات المجال الكهرومغناطيسى ، المسؤولة عن كل التفاعلات الكهرومغناطيسية. أما الديناميكا الكهربائية الكمية فهى نظرية تشرح كيفية تفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسى مع المادة على المستوى الذرى. وتُوفر التأثيرات الكمية مصادر إضافية للإشعاع الكهرومغناطيسي، زى انتقال الإلكترونات لمستويات طاقة اقل فى الذرة، و إشعاع الجسم الأسود .

فيزيا

الأطوال الموجية النسبية للموجات الكهرومغناطيسية لثلاثة ألوان مختلفة من النور (الأزرق و الأخضر و الأحمر) مع مقياس مسافة بالميكرومتر على طول المحور السينى

خصايص

الإشعاع الكهرومغناطيسى ينتج عن تسارع الجسيمات المشحونة، و ممكن ينبعث طبيعى ، زى ما هو الحال من الشمس و الأجرام السماوية التانيه، أو بيولد صناعى لتطبيقات متنوعة. بتتسمما الطاقة الموجودة فى الموجات الكهرومغناطيسية ساعات بالطاقة الإشعاعية . ما بتحتاجش طاقة الموجات الكهرومغناطيسية لوسط ناقل لتنتقل عبر الفضاء؛ فهى تنتقل عبر الفراغ بسرعة النور.

يمكن تخيل الموجات الكهرومغناطيسية على أنها موجة مستعرضة متذبذبة ذاتية الانتشار من المجالين الكهربائى و المغناطيسى. بيبيين ده العرض ثلاثى الأبعاد موجة مستوية مستقطبة خطى بتنتشر من اليسار لاليمين. يكون المجالين الكهربائى و المغناطيسى فى دى الموجة متوافقين فى الطور، حيث يصلان لأدنى و أعلى قيم لهما مع بعض .

المجالات الكهربائية و المغناطيسية تخضع لخاصية التراكب . علشان كده، يُساهم المجال الناتج عن أى جسيم معين أو مجال كهربائى أو مغناطيسى متغير مع الزمن فى المجالات الموجودة فى نفس المكان نتيجة لأسباب تانيه.كمان ، ولأنها مجالات متجهة ، كل متجهات المجالين المغناطيسى والكهربائى تتجمع حسب لقانون جمع المتجهات .

زى ، فى علم البصريات، ممكن موجتين ضوئيتين متماسكتين أو أكتر يتفاعلوا مع بعض، وبالتداخل البنّاء أو الهدّام، ينتج إشعاع ناتج بيبقى مختلف عن مجموع الإشعاعات بتاعة كل موجة لوحدها.

المجالات الكهرومغناطيسية للنور ما بتتأثرش بالمرور عبر مجالات كهربائية أو مغناطيسية ساكنة فى وسط خطين كالفراغ. رغم ده ، فى الأوساط اللى مشخطية، زى بعض البلورات ، ممكن بتحصل تفاعلات بين النور والمجالات الكهربائية و المغناطيسية الساكنة، وتشمل دى التفاعلات تأثير فاراداى وتأثير كير .

فى الانكسار ، تتغير سرعة واتجاه الموجة عند انتقالها من وسط لآخر ليه كثافة مختلفة. وتحدد نسبة معاملات انكسار الوسطين درجة الانكسار، ويلخصها قانون سنيل . يتشتت النور بالأطوال الموجية المركبة (نور الشمس الطبيعى) لطيف مرئى عند مروره عبر منشور، و ده بسبب اعتماد معامل انكسار مادة المنشور على الطول الموجى ( التشتت )؛ يعنى كل موجة مكونة للنور المركب تنحنى بمقدار مختلف.

الإشعاع الكهرومغناطيسى بيبيين خصايص موجية وجسيمية فى آنى واحد (وهى ظاهرة معروفه بازدواجية الموجة والجسيم ). تأكدت دى الخصايص الموجية والجسيمية فى كتير من التجارب. وتكون الخصايص الموجية اكتر وضوح عند قياس الإشعاع الكهرومغناطيسى على مدى فترات زمنية طويلة نسبى ومسافات كبيرة، فى الوقت نفسه تكون الخصايص الجسيمية اكتر وضوح عند قياس فترات زمنية ومسافات قصيرة. زى ، لما تمتص المادة الإشعاع الكهرومغناطيسي، تبقا الخصايص الشبيهة بالجسيمات اكتر وضوح لما يكون متوسط عدد الفوتونات فى مكعب الطول الموجى ليه الصلة أصغر بكتير من 1. مش صعب ملاحظة التوزيع اللى مشمنتظم للطاقة عند امتصاص النور تجريبى، لكن ده وحده لا بيعتبر دليل على سلوك "جسيمي". لكن يعكس الطبيعة الكمومية للمادة . وتصف نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية نظرية كمومية للتفاعل بين الإشعاع الكهرومغناطيسى والمادة، زى الإلكترونات.

الموجات الكهرومغناطيسية ممكن تكون مستقطبة ، أو منعكسة، أو منكسرة، أو محيدة ، و ممكن تتداخل فيما بينها. بعض التجارب بتبيين الطبيعة الموجية و الجسيمية للموجات الكهرومغناطيسية، زى التداخل الذاتى لفوتون واحد. لما يُرسل نور منخفض الشدة عبر مقياس التداخل، فإنه يُكتشف بمضاعف ضوئى أو كاشف حساس آخر على طول دراع واحد بس من الجهاز، و هو ما يتوافق مع خصايص الجسيمات، بس التأثير التراكمى للكتير من عمليات الكشف دى ها يكون تداخل يتوافق مع خصايص الموجات.

نموذج الموجة

تمثيل متجه المجال الكهربائى لموجة من الإشعاع الكهرومغناطيسى المستقطب دائرى

فى الأوساط المتجانسة والمتناحية، يكون الإشعاع الكهرومغناطيسى موجة مستعرضة ، ده معناه أن تذبذباته عمودية على اتجاه انتقال الطاقة وحركتها. وينتج ذلك من المعادلات اللى بعد كده : $${\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}$$ المعادلات دى بتقول أن أى موجة كهرومغناطيسية لازم تكون موجة مستعرضة، حيث يكون المجال الكهربائى E والمجال المغناطيسى B عموديين على اتجاه انتشار الموجة. ويتناسب الجزءان الكهربائى و المغناطيسى من المجال فى الموجة الكهرومغناطيسية بنسبة ثابتة لتحقيق معادلتى ماكسويل اللى تحددان كيفية اشتقاق واحد منهم من الآخر. فى الأوساط عديمة التبديد (الخالية من الفقد)، يكون دهن المجالان E و B متوافقين فى الطور، حيث يوصل الاتنين لقيم عظمى وصغرى عند نفس النقاط فى الفضاء.

فى الإشعاع الكهرومغناطيسى البعيد ، اللى بيتوصف بمعادلتين ماكسويل للالتفاف بدون مصدر، يتناسب التغير الزمنى فى واحد من نوعى المجال طردى مع التفاف المجال الآخر. تتطلب دى المشتقات أن يكون المجالين E B فى الإشعاع الكهرومغناطيسى متوافقين فى الطور. من أهم خصايص النور تردده . تردد الموجة هو معدل تذبذبها، وبيتقاس بالهرتز ، هيا وحدة التردد فى النظام الدولى للوحدات ، حيث يساوى الهرتز الواحد تذبذب واحد فى الثانية. فى العاده يمتلك النور ترددات متعددة تتجمع لتكوين الموجة الناتجة. تخضع الترددات المختلفة لزوايا انكسار مختلفة، هيا ظاهرة معروفه بالتشتت .

الموجة أحادية اللون (موجة ذات تردد واحد) تتكون من قيعان وقمم متتالية، وبتتسمما المسافة بين قمتين أو قاعين متجاورين بالطول الموجى . تتفاوت موجات الطيف الكهرومغناطيسى فى الحجم، من موجات الراديو الطويلة اوى اللى يزيد طولها عن طول قارة لأشعة جاما القصيرة اوى اللى يقل حجمها عن حجم نواة الذرة. يتناسب التردد عكسى مع الطول الموجي، حسب المعادلة:

$\displaystyle v=f\lambda$

v هيا سرعة الموجة ( c فى الفراغ أو أقل فى الأوساط التانيه)، و f هو التردد، و λ هو الطول الموجى. لما تعبر الموجات الحدود بين الأوساط المختلفة، تتغير سرعاتها فى الوقت نفسه تبقى تردداتها ثابتة.

الموجات الكهرومغناطيسية فى الفضاء الحر لازم تكون حلول لمعادلة ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية . معروف نوعين رئيسيين من الحلول، وهما الموجات المستوية والموجات الكروية. ممكن اعتبار الموجات المستوية حالةً حديةً للموجات الكروية عند مسافة كبيرة اوى (مثالى لا نهائية) من المصدر. ممكن يكون لكلا النوعين من الموجات شكل موجى دالة زمنية اختيارية (طالما أنها قابلة للتفاضل بدرجة كافية لتتوافق مع معادلة الموجة). زى مع أى دالة زمنية، ممكن تحليل دى الدالة باستخدام تحليل فورييه لطيف ترددها ، أو لمكونات جيبية منفردة، يحتوى كل منها على تردد وسعة وطور واحد. اتقال إن دى الموجة المكونة أحادية اللون .

التداخل هو تراكب موجتين أو اكتر ينتج عنه نمط موجى جديد. إذا كانت للمجالات مركبات فى نفس الاتجاه، فإنها تتداخل تداخل بناءً، فى الوقت نفسه تتسبب الاتجاهات المتعاكسة فى تداخل هدام. ذلك، ممكن دمج إشارات استقطاب متعددة (أى تداخلها) لتشكيل حالات استقطاب جديدة، و هو اللى يتعرف بتوليد حالة الاستقطاب المتوازى.

معادلات ماكسويل

جيمس كلارك ماكسويل استنتج الصيغة الموجية للمعادلات الكهربائية و المغناطيسية ، كاشف بكده عن الطبيعة الموجية للمجالين الكهربائى و المغناطيسى وتناظرهما . ولأن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية المتوقعة من المعادلة الموجية تدورت مع سرعة النور المقاسة، استنتج ماكسويل أن النور نفسه موجة كهرومغناطيسية. و أكد هاينريش هيرتز صحة معادلات ماكسويل بتجارب عملها على الموجات الراديوية. من المعادلات الأربع، قام ماكسويل بتنقيح معادلتين هما قانون فاراداى للحث الكهرومغناطيسى وقانون أمبير الدائرى ، اللى وسّعه بإضافة حد تيار الإزاحة لالمعادلات بنفسه. اعتقد ماكسويل أن تيار الإزاحة، اللى اعتبره حركة الشحنات المقيدة، هو ما بيولد المجال المغناطيسى. أما المعادلتان الأخريان فهما قانون جاوس وقانون جاوس للمغناطيسية .

المجالات القريبة و البعيدة

فى الإشعاع الكهرومغناطيسى ( زى الموجات الدقيقة الصادرة من هوائي، زى ما هو موضح هنا)، يُطلق مصطلح الإشعاع بس على أجزاء المجال الكهرومغناطيسى اللى تشع فى الفضاء اللانهائى وتتناقص شدتها حسب قانون التربيع العكسى للقوة، بحيث تكون الطاقة الكلية اللى تعبر كرة وهمية تحيط بالمصدر ثابتة بغض النظر عن حجم الكرة. علشان كده، الإشعاع الكهرومغناطيسى بيوصل الجزء البعيد من المجال الكهرومغناطيسى حول جهاز الإرسال. أما جزء من المجال القريب (المجاور لجهاز الإرسال) فيشمل المجال الكهرومغناطيسي المتغير، ولكنه مش إشعاع كهرومغناطيسى.

معادلات ماكسويل أثبتت أن بعض الشحنات والتيارات ( المصادر ) بتنتج مجالات كهرومغناطيسية محلية قرب ها لا تُشعّ. بتنتج التيارات مباشره مجالات مغناطيسية من نوع ثنائى القطب المغناطيسى تتلاشى مع زيادة المسافة عن التيار. وبالمثل، بتنتج الشحنات المتحركة اللى تتباعد فى موصل بفعل تغير الجهد الكهربائى (كما فى الهوائى) مجال كهربائى من نوع ثنائى القطب الكهربائى ، ولكنه يتلاشى كمان مع زيادة المسافة. تُشكّل المجالات دى المجال القريب . لا يُعزى الإشعاع الكهرومغناطيسى لأى من دول السلوكين. لكن ينقلان الطاقة بكفاءة لمستقبل قريب اوى من المصدر، زى ما هو الحال جوه المحول . يؤثر المجال القريب تأثير قوى على مصدره، حيث يؤدى أى امتصاص للطاقة من قِبل المستقبل لزيادة الحمل (انخفاض المفاعلة الكهربائية ) على المصدر. لا ينتشر المجال القريب بحرية فى الفضاء، حامل الطاقة بعيد دون حد للمسافة، لكن يتذبذب، ويعيد طاقته لالمرسل إذا لم يمتصها المستقبل.

المجال البعيد عكس ده من كده، بيتكون من إشعاع لا يتأثر بجهاز الإرسال، بمعنى أن جهاز الإرسال يحتاج لنفس القدرة لإرسال التغييرات فى المجال بغض النظر عما إذا كان فيه أى شيء يمتص الإشارة، زى ، ما بتحتاجش محطة الراديو لزيادة قدرتها لما يستخدم المزيد من أجهزة الاستقبال الإشارة. ده الجزء البعيد من المجال الكهرومغناطيسى هو الإشعاع الكهرومغناطيسى. بتنتشر المجالات البعيدة (تشع) بدون ما يؤثر عليها جهاز الإرسال. وده يخلليها مستقلة بمعنى أن وجودها وطاقتها، بعد مغادرتها جهاز الإرسال، مستقلان تمام عن جهاز الإرسال و جهاز الاستقبال. وبسبب قانون حفظ الطاقة ، مقدار القدرة اللى تمر عبر أى سطح مقفول مرسوم حول المصدر يكون متساوى. تتناقص كثافة قدرة الإشعاع الكهرومغناطيسى من مصدر متناحى مع مربع المسافة من المصدر؛ وده اللى يتسما قانون التربيع العكسى . تتغير شدة المجال الناتجة عن أجزاء ثنائية القطب من المجال القريب حسب لقانون التكعيب العكسي، و علشان كده تتلاشى مع المسافة.

فى صياغة جهد ليينارد-ويشرت للحقول الكهربائية و المغناطيسية الناتجة عن حركة جسيم منفرد ( حسب لمعادلات ماكسويل)، الحدود المرتبطة بتسارع الجسيم هيا المسؤولة عن جزء الحقل اللى بيعتبر إشعاع كهرومغناطيسى. فى المقابل، يرتبط الحد المرتبط بتغير المجال الكهربائى الساكن للجسيم والحد المغناطيسى الناتج عن سرعة الجسيم المنتظمة بالمجال القريب، ولا يشملان الإشعاع الكهرومغناطيسى.

نموذج الجسيمات و نظرية الكم

ظهرت ظاهرة شاذة فى أواخر القرن التسعتاشر تمثلت فى تناقض بين النظرية الموجية للنور و قياسات الأطياف الكهرومغناطيسية المنبعثة من مشعات حرارية معروفه بالأجسام السوداء . عانى الفيزيائيين لسنين كتيرة دون جدوى من حل المشكلة دى، اللى اتعرفت بعدين باسم كارثة الأشعة فوق البنفسجية . سنة 1900، وضع ماكس بلانك نظرية جديدة لإشعاع الجسم الأسود تُفسر الطيف المرصود. استندت نظرية بلانك لفكرة أن الأجسام السوداء تُصدر النور (وغيره من الإشعاعات الكهرومغناطيسية) بس على شكل حزم أو رُزم منفصلة من الطاقة. اتسمت دى الرُزم بالكمات . سنة 1905، اقترح ألبرت أينشتاين اعتبار كمات النور جسيمات حقيقية. بعدين ، أُطلق على جسيم النور اسم الفوتون ، ليتوافق مع الجسيمات التانيه اللى اتوصفت ساعتها ، زى الإلكترون والبروتون . يمتلك الفوتون طاقة، E ، تتناسب مع تردده، f ، حسب للمعادلة اللى بعد كده :

$E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!$

h هو ثابت بلانك ، $\lambda$ يمثل λ الطول الموجى و c سرعة النور . معروف ده ساعات بمعادلة بلانك-أينشتاين . فى نظرية الكم (شوف التكميم الاولانى )، تتناسب طاقة الفوتونات طردى مع تردد الموجة الكهرومغناطيسية. وبالمثل، زخم الفوتون p يتناسب طردى مع تردده وعكسى مع طوله الموجى.

$p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.$

مصدر اقتراح أينشتاين بأن النور بيتكون من جسيمات (أو ممكن يتصرف كجسيمات فى بعض الظروف) كان شذوذًا تجريبى ما فسرتهوش نظرية الموجة: التأثير الكهروضوئى ، حيث يؤدى سقوط النور على سطح معدنى لانبعاث إلكترونات من السطح،و ده يتسبب فى تدفق تيار كهربائى عبر جهد كهربائى مطبق. أظهرت القياسات التجريبية أن طاقة الإلكترونات المنبعثة تتناسب طردى مع تردد النور، مش شدته .كمان ، عند تردد اقل معين، بيعتمد على نوع المعدن، لا يتدفق أى تيار بغض النظر عن شدة النور. بدت دى الملاحظات متناقضة مع نظرية الموجة، ولسنين حاول الفيزيائيين إيجاد تفسير لها. سنة 1905، فسر أينشتاين دى الظاهرة بإحياء نظرية الجسيمات للنور. رغم ده ، و علشان غلبة الأدلة المؤيدة لنظرية الموجة، اتقابلت أفكار أينشتاين فى البداية بتشكيك كبير بين الفيزيائيين الراسخين. فى النهاية تم قبول تفسير أينشتاين حيث لوحظ سلوك جديد يشبه الجسيمات للنور، زى تأثير كومبتون .

لما يمتصّ الذرة فوتون، فإنه يُثيرها ، رافع إلكترون لمستوى طاقة أعلى (أبعد فى المتوسط عن النواة). ولما يهبط إلكترون فى جزيء أو ذرة مُثارة لمستوى طاقة أدنى، فإنه يُصدر فوتون ضوئى بتردد يُناسب فرق الطاقة. ولأن مستويات طاقة الإلكترونات فى الذرات منفصلة، كل عنصر وكل جزيء يُصدر ويمتص تردداته المميزة. بيتسما انبعاث الفوتونات الفورى بالتألق ، و هو نوع من أنواع التلألؤ الضوئى . ومن الأمثلة على ذلك النور المرئى المنبعث من الدهانات الفلورية، استجابه للأشعة فوق البنفسجية ( النور الأسود ). فيه كتير من انبعاثات التألق التانيه المعروفة فى نطاقات طيفية تانيه اللى مشنور المرئى. أما الانبعاث المتأخر فبيتسما بالفسفرة .

ميكانيكا الكم كمان بتتحكم ظاهرة الانبعاث ، اللى تُلاحظ لما يتوهج غاز مُشع نتيجة إثارة ذراته بأى آلية، بما فيها الحرارة. لما تهبط الإلكترونات لمستويات طاقة أدنى، ينبعث طيف بييمثل القفزات بين مستويات طاقة الإلكترونات، لكن تُرى خطوط طيفية لأن الانبعاث بيحصل بس عند طاقات مُحددة بعد الإثارة. ومن الأمثلة على ذلك طيف انبعاث السدم . تتسارع الإلكترونات سريعة الحركة بشكل حاد عند اصطدامها بمنطقة قوة، علشان كده فهى مسؤولة عن إنتاج جزء كبير من الإشعاع الكهرومغناطيسى عالى التردد المُلاحظ فى الطبيعة. ممكن استخدام دى الظواهر للكشف عن تركيب الغازات المُضاءة من الخلف ( أطياف الامتصاص ) والغازات المُتوهجة ( أطياف الانبعاث ). بييحدد التحليل الطيفى (زى ) العناصر الكيميائية اللى بيتكون منها نجم مُعين. ممكن استخدام الانزياحات فى تردد الخطوط الطيفية لعنصر ما، اللى بتتسمما الانزياح الأحمر ، لتحديد المسافة الكونية للنجم. : 181 

ازدواجية الموجة و الجسيم

النظرية الحديثة اللى تفسر طبيعة النور تتضمن مفهوم ازدواجية الموجة والجسيم. النظرية دى تقوم على فكرة أن كل جسيم كمومى ممكن بيبيين سلوك موجى أو جسيمى، و ده تبع للملاحظة. وصلت الملاحظة لانهيار دالة الموجة لده الجسيم. فإذا استندت النظرية لتفسير كوبينهاجين ، الملاحظة تُؤدى بالفعل لانهيار دالة الموجة؛ أما فى تفسير الأكوان المتعددة ، كل النتائج المحتملة للانهيار بتحصل فى أكوان متوازية ؛ و فى نظرية الموجة الدليلية ، بييحدد سلوك الجسيم ببساطة بالموجات. لوحظت طبيعة الازدواجية للفوتون الحقيقى فى تجربة الشق المزدوج . تأثيرات الموجات والجسيمات مع بعض تُفسر أطياف الانبعاث والامتصاص للإشعاع الكهرومغناطيسى تفسير كامل. بييحدد تركيب المادة فى الوسط اللى ينتقل عبره النور طبيعة طيف الامتصاص والانبعاث. وتتوافق دى النطاقات مع مستويات الطاقة المسموح بيها فى الذرات. أما النطاقات الداكنة فى طيف الامتصاص فبترجع لالذرات الموجودة فى الوسط الفاصل بين المصدر والمراقب. تمتص الذرات ترددات معينة من النور بين الباعث والكاشف/العين، بعدين تُعيد إشعاعها فى كل الاتجاهات. ويظهر نطاق داكن للكاشف بسبب لإشعاع المُشتت بره حزمة النور . فزى ، بترجع النطاقات الداكنة فى النور المنبعث من نجم بعيد لالذرات الموجودة فى غلافه الجوى.

سرعة الانتشار

  

المقال الاساسى: Speed of light

فى الفضاء الفارغ (الفراغ)، ينتقل الإشعاع الكهرومغناطيسى بسرعة النور . $c$ سرعته 299,792,458 متر فى التانيه (حوالى 186,000 ميل فى الثانية). فى وسط اللى مشفراغ، يتحرك بسرعة أقل. $v$ ، وبيدى بمعامل لا بُعدى يتراوح بين 0 و1، و هو خاصية مميزة للوسط بتتسمما عامل السرعة ${\mathit {VF}}$ أو مقلوبه، معامل الانكسار $n$ :

$v={\mathit {VF}}\cdot c={c \over n}$.

السبب هو أن المجالين الكهربائى و المغناطيسى للموجة فى المادة يتباطأو لأنهم يستقطبو الجسيمات المشحونة فى الوسط اللى تمر عبره.: 401 المجال الكهربائى المتذبذب  يتسبب فى تحرك الشحنات الموجبة والسالبة المجاورة فى الذرات، متباعدةً ومتقاربةً قليل،و ده بيعمل استقطاب متذبذب ، مُنشئً مجال استقطاب كهربائى. ويُحرك المجال المغناطيسى المتذبذب ثنائيات الأقطاب المغناطيسية المجاورة، مُحدث مغنطة متذبذبة، مُنشئً مجال مغناطيسى متذبذب مُستحثًا. المجالات دى المُستحثة، المُتراكبة على مجالات الموجة الأصلية، تُبطئ الموجة ( نظرية إيوالد-أوسين للانطفاء ). يعتمد مقدار التباطؤ على الخصايص الكهرومغناطيسية للوسط، أى السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية . فى النظام الدولى للوحدات (SI) ، سماحية الفراغ σ. $\epsilon _{\text{0}}=$ 8.854×10 ⁻¹² فاراد /متر ونفاذية فراغية قدرها $\mu _{\text{0}}=$ 1.257× ^10⁻⁶ هنرى /متر. تحدد دى الثوابت الكونية سرعة النور فى الفراغ:

$c={1 \over {\sqrt {\epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}}$

فى وسط متجانس الخواص وخطي، ده معناه أن الاستقطاب الكهربائى يتناسب مع المجال الكهربائى $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E}$ والمغنطة تتناسب طردى مع المجال المغناطيسى $\mathbf {H} ={1 \over \mu }\mathbf {B}$ سرعة الأمواج، ${\mathit {VF}}$ ويتم تحديد معامل الانكسار بمعيارين بس: السماحية الكهربائية $\epsilon$ من الوسط بوحدة فاراد لكل متر، والنفاذية المغناطيسية للوسط $\mu$ بالهنرى لكل متر: 401 

$v={1 \over {\sqrt {\epsilon \mu }}}$

$n={1 \over {\mathit {VF}}}=c{\sqrt {\epsilon \mu }}={\sqrt {\epsilon \mu \over \epsilon _{\text{0}}\mu _{\text{0}}}}$

إذا كانت سماحية ونفاذية الوسط ثابتة بالنسبة لموجات كهرومغناطيسية ذات ترددات مختلفة، بيتقال على ده الوسط اسم الوسط غير المشتت : 417–418 فى دى الحالة، ستنتقل كل ترددات الموجات الكهرومغناطيسية بنفس السرعة، وسيظل شكل الموجة ثابت وقت انتقالها. بس، فى المادة الحقيقية $\epsilon$ و $\mu$ تتغير خصايصها فى العاده بتغير التردد، وده ما بيتسما بالوسط المشتت . فى الأوساط المشتتة، تتميز النطاقات الطيفية المختلفة بخصايص انتشار متباينة، ويتغير شكل الموجة وقت انتقالها عبر ده الوسط.

تاريخ الاكتشاف

الإشعاعات الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية اللى ما بتتشافش اكتُشفت فى أوائل القرن التسعتاشر. بيتنسب اكتشاف الأشعة تحت الحمرا لعالم الفلك ويليام هيرشل ، اللى نشر نتائجه سنة 1800 قدام الجمعية الملكية فى لندن . استخدم هيرشل منشور زجاجى لكسر نور الشمس ، واكتشف أشعة غير مرئية بتسبب تسخين يتجاوز الجزء الأحمر من الطيف، و ده بارتفاع درجة الحرارة المسجلة بمقياس حرارة . اتسمت دى "الأشعة الحرارية" بعدين بالأشعة تحت الحمرا. سنة 1801، الفيزيائى الألمانى يوهان فيلهلم ريتر اكتشف الأشعة فوق البنفسجية فى تجربة مشابهة لتجربة هيرشل، باستخدام نور الشمس ومنشور زجاجى. لاحظ ريتر أن الأشعة اللى ما بتتشافش القريبة من الحافة البنفسجية للطيف الشمسي، عند تشتيتها بمنشور مثلث، تُظلم عينات كلوريد الفضة بسرعة اكبر من النور البنفسجى القريب. كانت تجارب ريتر يعتبر مقدمة مبكرة لما سيصبح بعدين التصوير الفوتوغرافى. لاحظ ريتر أن الأشعة فوق البنفسجية (اللى كانت بتتسمما فى البداية "الأشعة الكيميائية") قادرة على إحداث تفاعلات كيميائية.

جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879)

فى الفترة بين 1862 و1864، جيمس كلارك ماكسويل حط معادلات للمجال الكهرومغناطيسي، أشارت لأن الموجات فى المجال ده تنتقل بسرعة قريبة اوى من سرعة النور المعروفة. وبناء على ذلك، افترض ماكسويل أن النور المرئى (و كمان الأشعة تحت الحمرا و الأشعة فوق البنفسجية اللى ما بتتشافش بالاستدلال) بيتكون من اضطرابات (أو إشعاع) بتنتشر فى المجال الكهرومغناطيسى. سنة 1887، أنتج هاينريش هيرتز موجات الراديو عمدًا لأول مرة، باستخدام دوائر كهربائية مصممة لإنتاج تذبذبات بتردد أقل بكتير من تردد النور المرئى : و ده باتباع وصفات إنتاج الشحنات والتيارات المتذبذبة اللى اقترحتها معادلات ماكسويل. كما طور هيرتز طرق للكشف عن دى الموجات، و أنتج ووصف ما اتسما بعدين بموجات الراديو والميكروويف .  286، 7 

ويلهلم رونتجن اكتشف الأشعة السينية وسماها ده الاسم. بعد تجربة تطبيق جهد كهربائى عالى على أنبوب مفرغ من الهواء فى 8 نوفمبر 1895، لاحظ توهج على لوح زجاجى مطلى مجاور. فى شهر واحد، اكتشف الخصايص الرئيسية للأشعة السينية. :  307 

الجزء الأخير من الطيف الكهرومغناطيسى اللى تم اكتشافه كان مرتبط بالنشاط الإشعاعى . فقد وجد هنرى بيكريل أن أملاح اليورانيوم بتسبب ضبابية على لوحة فوتوغرافية غير مُعرَّضة للنور بورقة تغطية، بطريقة مشابهة للأشعة السينية. واكتشفت مارى كورى أن عناصر مُعينة بس هيا اللى تُصدر دى الأشعة، وبسرعه اكتشفت الإشعاع الشديد للراديوم . سنة 1899، قام إرنست رذرفورد بتمييز الإشعاع المنبعث من اليورانيوم لأشعة ألفا ( جسيمات ألفا ) و أشعة بيتا ( جسيمات بيتا ) بتجارب بسيطة، لكن تبيّن أن دى الأشعة جسيمية مشحونة. بس، سنة 1900، اكتشف العالم الفرنساوى بول فيلار نوع تالت من الإشعاع من الراديوم، و هو إشعاع متعادل الشحنة وذو قدرة اختراق عالية. بعد ما وصفه، أدرك رذرفورد أنه لا بد أن يكون نوع تالت من الإشعاع، اللى سماه رذرفورد سنة 1903 اسم أشعة جاما .

الفيزيائى البريطانى ويليام هنرى براج سنة 1910، أثبت أن أشعة جاما هيا إشعاع كهرومغناطيسى و مش جسيمات، و سنة 1914، قاس رذرفورد و إدوارد أندرادى أطوال موجاتها، ووجدا أنها مشابهة للأشعة السينية لكن بأطوال موجية أقصر وتردد أعلى، رغم وجود "تداخل" بين الأشعة السينية و أشعة جاما يسمح بوجود أشعة سينية ذات طاقة أعلى (و علشان كده طول موجى أقصر) من أشعة جاما والعكس صحيح. ويكمن الفرق بينهم فى مصدر الشعاع؛ فأشعة جاما تميل لأن تكون ظواهر طبيعية تنشأ من النواة اللى مشمستقرة للذرة، فى الوقت نفسه بتولد الأشعة السينية كهربائى (و علشان كده من صنع الإنسان) إلا إذا كانت ناتجة عن إشعاع كبح الأشعة السينية الناجم عن تفاعل جسيمات سريعة الحركة ( زى جسيمات بيتا) مع مواد معينة، فى العاده تكون ذات أعداد ذرية أعلى :  308، 9 

الطيف الكهرومغناطيسى

الطيف الكهرومغناطيسى مع تسليط النور على النور المرئى. يوضح الرسم البيانى السفلى (الطيف المرئى) الطول الموجى بوحدات النانومتر (nm).

الإشعاع الكهرومغناطيسى (مع استثناء المجالات الكهربائية و المغناطيسية الساكنة والمجالات القريبة من الإشعاع) بيتصنف حسب الطول الموجى لموجات راديوية ، وموجات ميكروية ، وأشعة تحت الحمرا ، وموجات مرئية ، وموجات فوق بنفسجية ، وأشعة سينية ، و أشعة جاما . ويمكن التعبير عن أى موجة كهرومغناطيسية باستخدام تحليل فورييه بدلالة الموجات الجيبية ( الإشعاع أحادى اللون )، اللى بدورها ممكن تصنيف كل منها ضمن دى المناطق من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسى.

γ = أشعة جاما

HX = الأشعة السينية الصلبة

الأشعة السينية اللينة (SX)

الأشعة فوق البنفسجية الشديدة = EUV

NUV = الأشعة فوق البنفسجية القريبة

النور المرئى (أشرطة ملونة)
NIR = الأشعة تحت الحمرا القريبة
الأشعة تحت الحمرا المتوسطة = MIR
الأشعة تحت الحمرا البعيدة = FIR
EHF = تردد عالى اوى (موجات ميكروية)
SHF = تردد فائق العلو (الميكروويف)
UHF = تردد فائق العلو (موجات الراديو)
VHF = تردد عالى اوى (راديو)
HF = التردد العالى (الراديو)
MF = التردد المتوسط (الراديو)
LF = التردد المنخفض (الراديو)
VLF = تردد منخفض اوى (راديو)
VF = تردد الصوت
ULF = تردد منخفض اوى (راديو)
SLF = تردد منخفض اوى (راديو)
ELF = تردد منخفض اوى (راديو)

بالنسبة لبعض أنواع الموجات الكهرومغناطيسية، يُفضل التعامل مع شكل الموجة على أنه عشوائي ، وعندها لازم إجراء التحليل الطيفى باستخدام تكنولوجيات رياضية مختلفة قليل تتناسب مع العمليات العشوائية أو الاحتمالية . فى الحالات دى ، تُمثل مكونات التردد الفردية بدلالة محتواها من الطاقة ، ولا تُحفظ معلومات الطور. بيتقال على ده التمثيل اسم كثافة القدرة الطيفية للعملية العشوائية. زى ، يُصادف الإشعاع الكهرومغناطيسى العشوائى اللى يتطلب النوع ده من التحليل فى باطن النجوم، و فى بعض أشكال الإشعاع التانيه ذات النطاق الترددى الواسع اوى، زى مجال الموجة عند نقطة الصفر فى الفراغ الكهرومغناطيسى.

سلوك الإشعاع الكهرومغناطيسى وتفاعله مع المادة بيعتمد على تردده، ويتغير نوعى بتغير التردد. فالترددات المنخفضة ليها أطوال موجية أطول، والترددات العالية ليها أطوال موجية أقصر، وترتبط دى الأطوال الموجية بفوتونات ذات طاقة أعلى. مافيش حد أساسى معروف لهذه الأطوال الموجية أو الطاقات، سواء عند طرفى الطيف، مع أن الفوتونات ذات الطاقات القريبة من طاقة بلانك أو اللى تتجاوزها (وهى أعلى بكتير من أن تُلاحظ) ستتطلب نظريات فيزيائية جديدة لتفسيرها.

الراديو و الميكروويف

ظواهر الإشعاع الكهرومغناطيسى ذات الأطوال الموجية اللى تتراوح من متر واحد لمليمتر واحد بتتسمما بالموجات الميكروية؛ بترددات تتراوح بين 300 ميجاهرتز (0.3 (جيجاهرتز) و300 عند ترددات الراديو (جيجاهرتز)، لما تصطدم موجات الراديو بموصل ، فتتفاعل معه وتنتقل عبره، مُحدثةً تيار كهربائى على سطحه عن طريق تحريك إلكترونات المادة الموصلة فى حزم مترابطة من الشحنات. عند ترددات الراديو والميكروويف، يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسى مع المادة بشكل أساسى كمجموعة كبيرة من الشحنات المنتشرة على عدد كبير من الذرات المتأثرة. فى الموصلات الكهربائية ، توصل دى الحركة الجماعية المُستحثة للشحنات ( التيارات الكهربائية ) لامتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو لانفصال الشحناتو ده يُسبب توليد إشعاع كهرومغناطيسى جديد (انعكاس فعال للإشعاع الكهرومغناطيسى). ومن الأمثلة على ذلك امتصاص أو انبعاث موجات الراديو بالهوائيات، أو امتصاص الموجات الميكروية بالماء أو جزيئات تانيه ذات عزم ثنائى قطب كهربائى ، زى ما هو الحال جوه فرن الميكروويف . بتنتج دى التفاعلات إما تيارات كهربائية أو حرارة، أو الاتنين.

الأشعة تحت الحمرا

الأشعة تحت الحمرا (IR) زى ما هو الحال مع موجات الراديو والميكروويف، تنعكس بالمعادن (و كمان معظم الإشعاعات الكهرومغناطيسية، لحد فى نطاق الأشعة فوق البنفسجية). رغم ده ، وعكس إشعاعات الراديو والميكروويف منخفضة التردد، بتتفاعل الأشعة تحت الحمرا الكهرومغناطيسية فى العاده مع ثنائيات الأقطاب الموجودة فى الجزيئات المفردة، اللى تتغير مع اهتزاز الذرات عند نهايات الرابطة الكيميائية. وبسبب ده، تمتصها مجموعة واسعة من المواد،و ده يوصل لارتفاع درجة حرارتها مع تبدد الاهتزازات على شكل حرارة. وتؤدى العملية نفسها، عند عكسها، لإشعاع المواد الصلبة للأشعة تحت الحمرا تلقائى (شوف قسم الإشعاع الحرارى تحته).

ينقسم الإشعاع تحت الأحمر لمناطق فرعية طيفية. وبينما توجد مخططات تقسيم فرعية مختلفة، يُقسم الطيف فى العاده للأشعة تحت الحمرا القريبة (0.75–1.4 ميكرومتر)، الأشعة تحت الحمرا ذات الطول الموجى القصير (1.4-3 ميكرومتر)، الأشعة تحت الحمرا متوسطة الطول الموجى (3-8 ميكرومتر)، الأشعة تحت الحمرا ذات الطول الموجى الطويل (8-15 (ميكرومتر) و الأشعة تحت الحمرا البعيدة (15-1000) ميكرومتر).

بعض الحيوانات، زى الثعابين ، تمتلك أغشية حساسة للحرارة (أعضاء الحفر) بتقدر اكتشاف اختلافات درجات الحرارة،و ده يسمح ليها باستشعار الأشعة تحت الحمرا.

النور المرئى

تُنتج المصادر الطبيعية إشعاع كهرومغناطيسى عبر الطيف الكهرومغناطيسى. الإشعاع الكهرومغناطيسى بالطول الموجى بين 400 نانومتر و700 نانومتر بالتقريب . يتم الكشف عن 700 نانومتر مباشره بالعين البشرية وتُدرك كنور مرئى. أما الأطوال الموجية التانيه، و بالخصوص الأشعة تحت الحمرا القريبة (أطول من 700 نانومتر)، فهى غير مرئية. (نانومتر) و الأشعة فوق البنفسجية (أقصر من 400) يُشار ساعات ل(نانومتر) باسم النور.

مع زيادة الترددات فى نطاق النور المرئي، تمتلك الفوتونات طاقة كافية لتغيير بنية الروابط فى بعض الجزيئات. مش من قبيل المصادفة يحصل ده فى نطاق النور المرئي، علشان تتضمن آلية الرؤية تغيير فى روابط جزيء واحد، هو الريتينال ، اللى يمتص فوتون واحد. ويؤدى ده التغيير فى الريتينال لتغيير فى شكل بروتين الرودوبسين اللى يحتويه،و ده يبتدى العملية الكيميائية الحيوية اللى تخللى شبكية العين البشرية تستشعر النور.

النور المرئى لا يؤثر إلا على نسبة صغيره من الجزيئات. فى العاده لا يكون تأثيره دايما أو ضار، لكن يُثير الفوتون إلكترون يُطلق فوتون آخر عند عودته لموضعه الأصلى. وده هو مصدر اللون اللى بتنتجه معظم الأصباغ. أما الريتينال فهو استثناء. فعند امتصاص الفوتون، يتغير تركيب الريتينال بشكل دائم من الشكل الهندسى cis لالشكل الهندسى trans ، ويحتاج لبروتين لإعادته لحالته الأصلية، أى ليرجع قادر على العمل كمستشعر للنور مرة تانيه.

عملية التمثيل الضوئى تبقا ممكنة فى ده النطاق كمان ، وللسبب نفسه. علشان تُثار جزيئة واحدة من الكلوروفيل بفوتون واحد. فى الأنسجة النباتية اللى تقوم بعملية التمثيل الضوئي، تعمل الكاروتينات على إخماد الكلوروفيل المُثار إلكترونى الناتج عن النور المرئى فى عملية بتتسمما الإخماد اللى مشضوئى ، و ده لمنع التفاعلات اللى قد تتداخل مع عملية التمثيل الضوئى عند مستويات الإضاءة العالية.

تشير أدلة محدودة لأن بعض أنواع الأكسجين التفاعلية تتكون بفعل النور المرئى فى الجلد، و أن دى الأنواع ممكن يكون ليها دور فى الشيخوخة الضوئية ، بنفس طريقة الأشعة فوق البنفسجية أ .

معروف أن الأشعة تحت الحمرا والموجات الدقيقة وموجات الراديو لا تتلف الجزيئات و الأنسجة البيولوجية إلا عن طريق التسخين الجماعي، مش عن طريق الإثارة من فوتونات مفردة من الإشعاع.

الأشعة فوق البنفسجية

مع زيادة التردد فى نطاق الأشعة فوق البنفسجية، تحمل الفوتونات طاقة كافية (حوالى 3 إلكترون فولت أو اكتر) لإثارة جزيئات معينة ذات روابط ثنائية،و ده يوصل لإعادة ترتيب كيميائى دائم. فى الحمض النووى (DNA )، يتسبب ده فى تلف دائم. كما يتضرر الحمض النووى بشكل مش مباشر بفعل أنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية من النوع أ (UVA)، اللى تتميز بطاقة منخفضة اوى بحيث لا بتسبب الضرر بالحمض النووى بشكل مباشر. للسبب ده، ممكن للأشعة فوق البنفسجية بجميع أطوال موجاتها أن بتسبب الضرر بالحمض النووي، هيا قادرة على التسبب بالسرطان، وبالنسبة للأشعة فوق البنفسجية من النوع ب ( UVB )، بتسبب حروق جلدية (حروق الشمس) أشد بكتير من تلك الناتجة عن التسخين البسيط (ارتفاع درجة الحرارة).

فى الجزء الأعلى من نطاق الأشعة فوق البنفسجية، طاقة الفوتونات بتبقى كبيرة كفاية إنها تدى الإلكترونات طاقة تخليها تتحرر من الذرة، وده بيتسمّى التأيّن الضوئى. والطاقة المطلوبة للعملية دى دايم بتكون اكبر من حوالى 10 إلكترون فولت (eV)، وده بيقابل أطوال موجية أقل من 124 نانومتر (وفى مصادر بتقول إن الحد الواقعى أقرب لـ 33 إلكترون فولت، هيا الطاقة اللازمة لتأيين المية).

الجزء ده من الطيف فوق البنفسجي، اللى طاقته فى مدى التأيّن، ساعات بيتسمّى "الأشعة فوق البنفسجية الشديدة". والنوع ده من الأشعة بيتم امتصاصه بشكل كبير فى الغلاف الجوى للأرض.

الأشعة السينية و أشعة جاما

بيتقال على الإشعاع الكهرومغناطيسى المُكوّن من فوتونات تحمل طاقة تأين دنيا، أو طاقة أعلى (اللى بتشمل الطيف الكامل بأطوال موجية أقصر)، اسم الإشعاع المؤين . (تتكون أنواع تانيه كثيرة من الإشعاع المؤين من جسيمات غير كهرومغناطيسية). يمتد الإشعاع المؤين الكهرومغناطيسى من الأشعة فوق البنفسجية القصوى لكل الترددات الأعلى و الأطوال الموجية الأقصر، ده معناه أن كل أشعة إكس و أشعة جاما بتتصنف ضمنه. ممكن لده الإشعاع إحداث أشد أنواع التلف الجزيئي، اللى قد بيحصل فى علم الأحياء لأى نوع من الجزيئات الحيوية، بما فيها الطفرات والسرطان، و فى الغالب ب ياخد أعماق كبيرة تحت الجلد، علشان الطرف الأعلى من طيف أشعة إكس، وطيف أشعة جاما بأكمله، يخترقان المادة.

الغلاف الجوى و الغلاف المغناطيسى

رسم بيانى تقريبى لامتصاص وتشتيت (أو عتامة ) الغلاف الجوى للأرض لأطوال موجية مختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسى

معظم الأشعة فوق البنفسجية و الأشعة السينية تُحجب عن طريق الامتصاص الاول من النيتروجين الجزيئي، بعدين (بالنسبة للأطوال الموجية فى نطاق الأشعة فوق البنفسجية العليا) من الإثارة الإلكترونية للأكسجين، و أخير الأوزون فى نطاق الأشعة فوق البنفسجية المتوسطة. يوصل 30% بس من نور الشمس فوق البنفسجى للأرض، ويتم نقل معظمه بكفاءة عالية.

النور المرئى ينفذ كويس فى الهواء، هيا خاصية معروفه باسم النافذة الجوية ، علشان ما يمتلكش طاقة كافية لإثارة النيتروجين أو الأكسجين أو الأوزون، ولكنه يمتلك طاقة عالية اوى لإثارة الترددات الاهتزازية الجزيئية لبخار الميه وتانى أكسيد الكربون. بترجع نطاقات الامتصاص فى الأشعة تحت الحمرا لأنماط الإثارة الاهتزازية فى بخار الماء. رغم ده ، عند طاقات منخفضة اوى بحيث لا تُثير بخار الماء، يبقا الغلاف الجوى شفاف مرة تانيه،و ده يسمح بانتقال معظم موجات الميكروويف والراديو بحرية.

عند أطوال موجات الراديو اللى تزيد عن 10 متر أو نحو ذلك (حوالى 30) عند ترددات 100 ميجاهرتز، يفضل الهواء فى الطبقات السفلى من الغلاف الجوى شفاف للموجات الراديوية، لكن البلازما فى طبقات معينة من الأيونوسفير تبتدى بالتفاعل مع الموجات الراديوية (شوف الموجات السماوية ). تسمح دى الخاصية بمرور بعض الأطوال الموجية الأطول (100 ميجاهرتز). م أو 3 تنعكس موجات الراديو القصيرة ( بترددات 10 ميجاهرتز)و ده يوصل لوصولها لما بعد خط البصر. بس، تبتدى بعض التأثيرات الأيونوسفيرية فى حجب موجات الراديو القادمة من الفضاء لما يكون ترددها أقل من حوالى 10 ميجاهرتز. ميغاهرتز (طول الموجة أطول من حوالى 30 م).

الإشعاع الحرارى و الكهرومغناطيسى كشكل من أشكال الحرارة

التركيب الأساسى للمادة بيتكون من جسيمات مشحونة مرتبطة ببعضها. لما يصطدم الإشعاع الكهرومغناطيسى بالمادة، فإنه يتسبب فى تذبذب الجسيمات المشحونة واكتسابها للطاقة. يعتمد مصير دى الطاقة على السياق. فقد تُعاد إشعاعها فور و تظهر كإشعاع متناثر أو منعكس أو نافذ. تتبدد فى حركات ميكروسكوبية تانيه جوه المادة، لتصل لحالة توازن حرارى وتتجلى كطاقة حرارية ، أو لحد طاقة حركية ، فى المادة. باستثناءات قليلة تتعلق بالفوتونات عالية الطاقة ( زى التألق ، و توليد التوافقيات ، والتفاعلات الكيميائية الضوئية، والتأثير الكهروضوئى للإشعاعات المؤينة فى نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، و الأشعة السينية، و أشعة غاما)، الإشعاع الكهرومغناطيسى الممتص يُودع طاقته ببساطة عن طريق تسخين المادة. بيحصل ده مع الأشعة تحت الحمرا، والموجات الميكروية، وموجات الراديو.

الموجات الراديوية الشديدة ممكن تحرق الأنسجة الحية حرارى وتطهو الطعام. أشعة الليزر تحت الحمرا، ممكن لأشعة الليزر المرئية وفوق البنفسجية ذات الشدة الكافية أن تُشعل الورق بسهولة. بيولد الإشعاع المؤين إلكترونات عالية السرعة فى المادة ويكسر الروابط الكيميائية، لكن بعد صدام دى الإلكترونات مرات كتيرة بذرات تانيه، تتحول معظم الطاقة فى النهاية لطاقة حرارية فى جزء صغير من الثانية. ينطبق ده التحذير كمان على الأشعة فوق البنفسجية، رغم ان معظمها غير مؤين، لأن الأشعة فوق البنفسجية ممكن تُتلف الجزيئات بسبب الإثارة الإلكترونية، هيا اكبر بكتير لكل وحدة طاقة من التأثيرات الحرارية.

الإشعاع تحت الأحمر فى التوزيع الطيفى لجسم أسود فى العاده بيعتبر شكل من أشكال الحرارة، نظر لامتلاكه درجة حرارة مكافئة وارتباطه بتغير فى الإنتروبيا لكل وحدة من الطاقة الحرارية. رغم ده ، مصطلح "الحرارة" مصطلح تقنى فى الفيزياء والديناميكا الحرارية، و كتير يُخلط بينه وبين الطاقة الحرارية. ممكن تحويل أى نوع من الطاقة الكهرومغناطيسية لطاقة حرارية عند تفاعله مع المادة. علشان كده، ممكن لأي إشعاع كهرومغناطيسى أن "يسخن" (بمعنى زيادة درجة حرارة الطاقة الحرارية ) مادةً ما عند امتصاصه. أما عملية الامتصاص العكسية أو المعكوسة زمنى فهى الإشعاع الحرارى. بيتكون جزء كبير من الطاقة الحرارية فى المادة من حركة عشوائية للجسيمات المشحونة، ويمكن لهذه الطاقة أن تُشع بعيد عن المادة. يمتص جزء آخر من المادة الإشعاع الناتج، فتؤدى الطاقة المترسبة لتسخين المادة.

الإشعاع الكهرومغناطيسى فى تجويف معتم عند التوازن الحرارى بيعتبر شكل من أشكال الطاقة الحرارية، وله أقصى إنتروبيا إشعاعية .

التأثيرات البيولوجية

علم الكهرومغناطيسية الحيوية هو دراسة تفاعلات وتأثيرات الإشعاع الكهرومغناطيسى على الكائنات الحية. تعتمد تأثيرات الإشعاع الكهرومغناطيسى على الخلايا الحية، بما فيها خلايا الإنسان، على قدرة الإشعاع وتردده. بالنسبة للإشعاع منخفض التردد (من موجات الراديو للأشعة فوق البنفسجية القريبة)، التأثيرات الاكتر فهم هيا تلك الناتجة عن قدرة الإشعاع وحدها، اللى بتحصل بالتسخين عند امتصاص الإشعاع. بالنسبة لهذه التأثيرات الحرارية، بيعتبر التردد مهم لأنه يؤثر على شدة الإشعاع واختراقه للكائن الحى (زى ، تخترق الموجات الدقيقة بشكل احسن من الأشعة تحت الحمرا). من المقبول بصوره كبيره أن المجالات منخفضة التردد الضعيفة اوى بحيث لا بتسبب تسخين ملحوظ مش ممكن يكون ليها أى تأثير بيولوجى. تشير بعض الأبحاث لأن المجالات الكهرومغناطيسية غير الحرارية الأضعف (بما فيها المجالات المغناطيسية منخفضة التردد للغاية، رغم ان الأخيرة لا بتتصنف بدقة كإشعاع كهرومغناطيسى ) ومجالات الترددات الراديوية والموجات الدقيقة المُعدلة ممكن يكون ليها تأثيرات بيولوجية، رغم ان أهمية ذلك مش واضحة.

منظمة الصحة العالمية صنّفت كل ترددات الأشعة فوق البنفسجية ضمن المجموعة الأولى من المواد المسرطنة. التعرض للأشعة فوق البنفسجية من الشمس السبب الرئيسى لسرطان الجلد، و هو اكتر أنواع السرطان انتشار بين اصحاب البشرة الفاتحة. بتسبب الأشعة فوق البنفسجية الضرر بالحمض النووى و الخلايا، كما بتسبب طفرات تُعيق تعديل الحمض النووى. قد يُسرّع النور المرئى و الأشعة تحت الحمرا من شيخوخة الجلد الضوئية، لكن واقيات الشمس لا يتُوفر فى العاده حماية من دى الآثار.

منظمة الصحة العالمية صنّفت الإشعاع الكهرومغناطيسى بترددات الراديو ضمن المجموعة 2ب - هيا مجموعة يحتمل أن تكون مسرطنة. فيها دى المجموعة مواد يحتمل أن تكون مسرطنة زى الرصاص والقهوة وعوادم العربيات.

سلاح

شعاع الحرارة هو واحد من تطبيقات الإشعاع الكهرومغناطيسي، حيث يستخدم ترددات الميكروويف لإحداث تأثير حرارى مزعج فى الطبقة العليا من الجلد. طوّر الجيش الامريكانى سلاح معروف لشعاع الحرارة بيتسما نظام الحرمان النشط ، كسلاح تجريبى لمنع العدو من الوصول لمنطقة معينة. أما شعاع الموت فهو سلاح نظرى يُطلق شعاع حرارة بيعتمد على الطاقة الكهرومغناطيسية بمستويات قادرة على إلحاق الضرر بالأنسجة البشرية. ادّعى هارى غريندل ماثيوز ، مخترع شعاع الموت، أنه فقد بصره فى عينهالشمال وقت عمله على سلاحه اللى بيعتمد على مغنطرون الميكروويف من عشرينات القرن العشرين (بيعمل فرن الميكروويف العادى تأثير طبخ مُتلف للأنسجة جوه الفرن عند حوالى 2). كيلو فولت/متر).

الاشتقاق من النظرية الكهرومغناطيسية

 الموجات الكهرومغناطيسية تُتنبأ بقوانين الكهرباء و المغناطيسية الكلاسيكية، والمعروفة بمعادلات ماكسويل . توجد حلول غير بديهية لمعادلات ماكسويل المتجانسة (بدون شحنات أو تيارات)، تصف موجات المجالات الكهربائية و المغناطيسية المتغيرة. بدايه من معادلات ماكسويل فى الفضاء الحر :

$$\nabla \cdot \mathbf {E} =0$$ قالب:EquationRef

 

$$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$$ قالب:EquationRef

$$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$$ قالب:EquationRef

  

$$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$$ قالب:EquationRef

• E و B هما المجال الكهربائى (بيتقاس بـ فولت/متر أو نيوتن/كولوم) والمجال المغناطيسى (بيتقاس بـ تسلا أو ويبر/متر²) على الترتيب؛
• ∇⋅X بيدّى التباعد (divergence)، و ∇×X بيدّى الدوران (curl) لمجال متجه X؛
• ∂B/∂t و ∂E/∂t هما مشتقات جزئية (يعنى معدل التغير مع الزمن مع تثبيت المكان) للمجال المغناطيسى والكهربائي؛
• μ₀ هيا نفاذية الفراغ (4π × 10⁻⁷ هنري/متر)، و ε₀ هيا سماحية الفراغ (8.85 × 10⁻¹² فاراد/متر).

جنب الحل البسيط $\mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0}$ ممكن اشتقاق حلول مفيدة باستخدام متدورة المتجهات اللى بعد كده ، هيا صالحة لجميع المتجهات. $\mathbf {A}$ فى حقل متجه ما: $$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .$$ بأخذ التفاف معادلة ماكسويل التانيه ( 2 ) نحصل على:

 

$$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)$$ قالب:EquationRef

بتقييم الطرف الأيسر من المعادلة ( 5 ) باستخدام المتدورة المكتوبه فوق وتبسيطها باستخدام المعادلة ( 1 )، نحصل على:

$$\nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} .$$ قالب:EquationRef

بتقييم الطرف الأيمن من المعادلة ( 5 ) عن طريق تبديل سلسلة المشتقات و إدخال Maxwell's equation (قالب:EquationNote), نحصل على:

$$\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$$ قالب:EquationRef

بدمج ( 6 ) و( 7 ) مرة تانيه، نحصل على معادلة تفاضلية ذات قيم متجهة للمجال الكهربائي، اللى تحل معادلات ماكسويل المتجانسة:

$\nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$

أخذ التفاف معادلة ماكسويل الرابعة ( 4 ) يوصل لمعادلة تفاضلية مماثلة لحقل مغناطيسى تحل معادلات ماكسويل المتجانسة:

$z=re^{i\phi }=x+iy\,\!$

المعادلتين التفاضليتين تأخذ شكل معادلة الموجة العامة للموجات اللى بتنتشر بسرعة $c_{0},$ أين $f$ هيا دالة للزمان و المكان، اللى تعطى سعة الموجة فى وقت معين و فى موقع معين: $$\nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}$$ ويكتب ده كمان على النحو التالي: $$\Box f=0$$ أين $\Box$ يشير لما يسمى بمؤثر دالمبير ، اللى بيدى فى الإحداثيات الديكارتية على النحو التالي: $$\Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\$$

بمقارنة مصطلحات سرعة الانتشار، ينتج فى حالة المجالين الكهربائى و المغناطيسى : $$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.$$

هذه هيا سرعة النور فى الفراغ. علشان كده، معادلات ماكسويل تربط سماحية الفراغ $\varepsilon _{0}$ نفاذية الفراغ $\mu _{0}$ ، وسرعة النور، c₀ _، بالمعادلة المكتوبه فوق. اكتشف ويلهلم إدوارد ويبر ورودولف كولراوش دى العلاقة قبل تطوير ماكسويل للديناميكا الكهربائية، لكن ماكسويل كان أول من وضع نظرية مجال تتوافق مع الموجات اللى تنتقل بسرعة النور.

معادلتين بس من أصل 4 معادلات، علشان كده معلومات اكتر تتعلق بالموجات دى مخفية ضمن معادلات ماكسويل. الموجة المتجهة العامة للمجال الكهربائى تأخذ الشكل التالي: $$\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}$$ هنا، $\mathbf {E} _{0}$ هو متجه ثابت، $f$ أى دالة قابلة للتفاضل من الدرجة الثانية، ${\hat {\mathbf {k} }}$ هو متجه وحدة فى اتجاه الانتشار، و ${\mathbf {x} }$ هو متجه موضع. $f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}$ هو حل عام لمعادلة الموجة. بعبارة تانيه، $$\nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},$$ بالنسبة لموجة عامة تنتقل فى ${\hat {\mathbf {k} }}$ اتجاه.

من المعادلة الأولى لماكسويل، نحصل على $$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0$$ هكذا، $$\mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0$$ و ده يعنى أن المجال الكهربائى متعامد مع اتجاه انتشار الموجة. وتعطى معادلة ماكسويل التانيه المجال المغناطيسي، وهو: $$\nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$$ هكذا، $$\mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E}$$ سيتم تحقيق المعادلات المتبقية بالاختيار ده لـ $\mathbf {E} ,\mathbf {B}$ .

موجات المجال الكهربائى و المغناطيسى فى المجال البعيد تنتقل بسرعة النور. ولها اتجاه محدد خاص ومقادير متناسبة. $E_{0}=c_{0}B_{0}$ وده ما ممكن ملاحظته مباشره من متجه بوينتينغ . المجال الكهربائى والمجال المغناطيسى واتجاه انتشار الموجة كلها متعامدة، وتنتشر الموجة فى نفس اتجاه $\mathbf {E} \times \mathbf {B}$ كذلك، المجالين الكهربائى و المغناطيسى البعيدين فى الفضاء الحر، واللذين يعتمدان كحلول موجية بشكل أساسى على معادلتى ماكسويل دول للحفاظ على توافقهما فى الطور. وده مضمون لأن الحل الموجى العام من الدرجة الأولى فى المكان والزمان، ويؤدى عامل الدوران على واحد من طرفى دول المعادلتين لمشتقات مكانية من الدرجة الأولى للحل الموجي، فى الوقت نفسه المشتق الزمنى على الطرف التانى من المعادلات، اللى يعطى المجال الآخر، من الدرجة الأولى فى الزمن،و ده ينتج عنه نفس فرق الطور لكلا المجالين فى كل عملية حسابية.

من منظور موجة كهرومغناطيسية بتنتشر للقدام، قد يتذبذب المجال الكهربائى صعودًا وهبوطًا، فى الوقت نفسه يتذبذب المجال المغناطيسى يمين ويسار. ممكن عكس دى الصورة بحيث يتذبذب المجال الكهربائى يمين ويسار، فى الوقت نفسه يتذبذب المجال المغناطيسى صعودًا وهبوطًا. ده حل مختلف ينتشر فى نفس الاتجاه. معروف ده التباين فى الاتجاه بالنسبة لاتجاه الانتشار بالاستقطاب . على المستوى الكمي، بيتوصف باستقطاب الفوتون . بييحدد اتجاه الاستقطاب باتجاه المجال الكهربائى.

تتوفر صيغٌ اكتر عمومية لمعادلات الموجة من الرتبة التانيه المكتوبه فوق، تسمح بانتشار الموجات فى أوساط ومصادر غير فراغية. توجد كتير من الاشتقاقات المتنافسة، تتفاوت جميعها فى مستويات التقريب والتطبيقات المقصودة. ومن الأمثلة العامة على ذلك صيغة معادلة المجال الكهربائى ، اللى تم تحليلها لزوج من معادلات الموجة الاتجاهية الصريحة، بعدين اختُزلت بكفاءة لمعادلة موجة أحادية الاتجاه باستخدام تقريب بسيط للتطور البطيء.

شوف كمان

 

• Antenna measurement
• Bioelectromagnetics
• Bolometer
• CONELRAD
• Electromagnetic pulse
• Electromagnetic radiation and health
• Evanescent wave coupling
• Finite-difference time-domain method
• Gravitational wave
• Helicon
• Impedance of free space
• Radiation reaction
• Health effects of sunlight exposure
• Sinusoidal plane-wave solutions of the electromagnetic wave equation

مراجع

• "Light: Electromagnetic waves, the electromagnetic spectrum and photons (article)". Khan Academy (بالإنجليزية). Retrieved 2021-05-02.

قرايه اكتر

• Hecht، Eugene (2001). Optics (ط. 4th). Pearson Education. ISBN:978-0-8053-8566-3.
• Serway، Raymond A.؛ Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (ط. 6th). Brooks Cole. ISBN:978-0-534-40842-8.
• Tipler، Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (ط. 5th). W. H. Freeman. ISBN:978-0-7167-0810-0.
• Reitz، John؛ Milford, Frederick؛ Christy, Robert (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (ط. 4th). Addison Wesley. ISBN:978-0-201-52624-0.
• Jackson، John David (1999). Classical Electrodynamics (ط. 3rd). John Wiley & Sons. ISBN:978-0-471-30932-1.
• Taflove، Allen؛ Hagness، Susan C. (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN:978-1-58053-832-9.

لينكات برانيه

 

• اشعاع كهرومغناطيسى – صور وتسجيلات صوتيه و مرئيه على ويكيميديا كومونز
• اشعاع كهرومغناطيسى على موقع كيورا - Quora
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف مخطط فريبيس للمعارف الحره
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف ملف المرجع للتحكم بالسلطه فى WorldCat
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف قاعده بيانات الضبط الوطنيه التشيكيه
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف مايكروسوفت اكاديمك
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف مكتبه الكونجرس (LCAuth)
• اشعاع كهرومغناطيسى معرف ملف استنادى متكامل

• محاضرات فاينمان فى الفيزياء، المجلد الأول، الفصل 28: الإشعاع الكهرومغناطيسي
• الموجات الكهرومغناطيسية من معادلات ماكسويل على مشروع PHYSNET .