المجال الكهرومغناطيسي

الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق الترددات (الطيف) للإشعاع الكهرومغناطيسي والأطوال الموجية ذات الصلة وطاقات الفوتون.

يغطي الطيف الكهرومغناطيسي الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات التي تتراوح من أقل من هيرتز إلى ما فوق 1025 هيرتز ، المقابلة للأطوال الموجية من آلاف الكيلومترات إلى جزء من حجم النواة الذرية. ينقسم نطاق التردد هذا إلى نطاقات منفصلة ، وتسمى الموجات الكهرمغنطيسية داخل كل نطاق تردد بأسماء مختلفة ؛ بداية من التردد المنخفض (الطول الموجي الطويل) للطيف هما: موجات الراديو ، والميكروويف ، والأشعة تحت الحمراء ، والضوء المرئي ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة atاما في النهاية ذات التردد العالي (الطول الموجي القصير). تتميز الموجات الكهرومغناطيسية في كل من هذه النطاقات بخصائص مختلفة ، مثل كيفية إنتاجها وكيفية تفاعلها مع المادة وتطبيقاتها العملية. الحد الأقصى لطول الموجات هو حجم الكون نفسه ، بينما يُعتقد أن طول الموجة القصير يقع بالقرب من طول بلانك. تصنف أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية العالية كإشعاع مؤين لأن فوتوناتها لديها طاقة كافية لتأييد الذرات ، مما يسبب تفاعلات كيميائية. يمكن أن يكون التعرض لهذه الأشعة خطرا على الصحة ، مما يسبب مرض الإشعاع ، وأضرار الحمض النووي والسرطان. يطلق على الإشعاع من الأطوال الموجية للضوء المرئي وانخفاضه الإشعاع غير المؤين حيث أنه لا يمكن أن يسبب هذه التأثيرات.

في معظم نطاقات التردد أعلاه ، يمكن استخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي لفصل الموجات الفيزيائية للترددات المختلفة ، مما ينتج طيفًا يُظهر ترددات المكونة. يستخدم التحليل الطيفي لدراسة تفاعلات الموجات الكهرومغناطيسية مع المادة. يتم وصف الاستخدامات التكنولوجية الأخرى تحت الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تاريخ اكتشاف الطيف الكهرومغناطيسي
بالنسبة لمعظم التاريخ ، كان الضوء المرئي هو الجزء الوحيد المعروف من الطيف الكهرومغناطيسي. أدرك اليونانيون القدماء أن الضوء سافر في خطوط مستقيمة ودرس بعض خصائصه ، بما في ذلك الانعكاس والانكسار. استمرت دراسة الضوء ، وخلال القرنين السادس عشر والسابع عشر ، نظرت النظريات المتضاربة إلى الضوء إما كموجة أو جسيم.

أول اكتشاف للإشعاع الكهرومغناطيسي غير الضوء المرئي جاء في عام 1800 ، عندما اكتشف ويليام هيرشل الأشعة تحت الحمراء. كان يدرس درجة الحرارة بألوان مختلفة عن طريق تحريك مقياس حرارة من خلال انقسام الضوء بواسطة المنشور. لاحظ أن أعلى درجة حرارة كانت حمراء. لقد فكر في أن هذا التغير في درجة الحرارة يرجع إلى “الأشعة الحرارية” التي كانت نوعًا من الأشعة الضوئية التي لا يمكن رؤيتها.

في العام التالي ، لاحظ يوهان ريتر ، الذي يعمل في الطرف الآخر من الطيف ، ما أسماه “الأشعة الكيميائية” (أشعة الضوء غير المرئية التي تسبب تفاعلات كيميائية معينة). وقد تصرفوا على نحو مشابه لأشعة الضوء البنفسجي المرئية ، لكنهم تجاوزوها في الطيف. ثم أعيدت تسميتها بالأشعة فوق البنفسجية.

تم ربط الإشعاع الكهرومغناطيسي لأول مرة بالكهرومغناطيسية في عام 1845 ، عندما لاحظ مايكل فاراداي أن استقطاب الضوء الذي يمر عبر مادة شفافة يستجيب إلى المجال المغناطيسي (انظر تأثير فاراداي). خلال ستينيات القرن التاسع عشر طور جيمس ماكسويل أربع معادلات تفاضلية جزئية للحقل الكهرومغناطيسي. اثنين من هذه المعادلات تنبأت بإمكانية وسلوك الموجات في الحقل. وبتحليل سرعة هذه الموجات النظرية ، أدرك ماكسويل أنها يجب أن تسافر بسرعة كانت تدور حول سرعة الضوء المعروفة. أدت هذه الصدفة المذهلة في القيمة إلى ماكسويل لجعل الاستنتاج بأن الضوء نفسه هو نوع من الموجات الكهرومغناطيسية.

تنبأت معادلات ماكسويل عددًا غير محدود من ترددات الموجات الكهرومغناطيسية ، وكلها تسير بسرعة الضوء. كان هذا أول مؤشر لوجود الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله.

تضمنت موجات ماكسويل المتوقّعة موجات بترددات منخفضة جداً مقارنة بالأشعة تحت الحمراء ، والتي يمكن نظرياً أن تُنشأ بتأثيرات متذبذبة في دائرة كهربائية عادية من نوع معين. في محاولة لإثبات معادلات ماكسويل وكشف الإشعاع الكهرومغناطيسي المنخفض التردد ، في عام 1886 ، بنى الفيزيائي هاينريش هيرتز جهازًا لتوليد وكشف ما يسمى الآن بموجات الراديو. وجد هيرتز الأمواج وكان قادرا على الاستنتاج (بقياس الطول الموجي له وضربه بتردده) أنه سافر بسرعة الضوء. أظهر هيرتز أيضا أن الإشعاع الجديد يمكن أن ينعكس وينكسر من قبل وسائل الإعلام العازلة المختلفة ، بنفس طريقة الضوء. على سبيل المثال ، استطاع هيرتز تركيز الأمواج باستخدام عدسة مصنوعة من راتنج الشجرة. في تجربة لاحقة ، أنتج هيرتز وبالمثل خصائص أفران الميكروويف. ومهدت هذه الأنواع الجديدة من الموجات الطريق للاختراعات مثل التلغراف اللاسلكي والراديو.

لاحظ فيلهلم رونتغن في عام 1895 نوعًا جديدًا من الإشعاعات المنبعثة خلال تجربة مع أنبوب مفرغ خاضعًا لجهد عالي. وقد أطلق على هذه الإشعاعات صور الأشعة السينية ووجد أنها تمكنت من السفر عبر أجزاء من جسم الإنسان ولكنها انعكست أو توقفت بسبب مادة كثيفة مثل العظام. قبل فترة طويلة ، تم العثور على العديد من الاستخدامات لهم في مجال الطب.

تم ملء الجزء الأخير من الطيف الكهرومغناطيسي باكتشاف أشعة gاما. في عام 1900 كان بول فيلارد يدرس الانبعاث الإشعاعي للراديوم عندما اكتشف نوعًا جديدًا من الإشعاع اعتقد في البداية أنه يتكون من جسيمات مشابهة لجسيمات ألفا وبيتا المعروفة ، ولكن مع كونه أكثر اختراقًا من أي منهما. ومع ذلك ، في عام 1910 ، أثبت الفيزيائي البريطاني وليام هنري براج أن أشعة غاما هي إشعاع كهرومغناطيسي ، وليس جسيمات ، وفي عام 1914 ، قام إرنست روثرفورد (الذي أطلق عليها اسم أشعة جاما في عام 1903 عندما أدرك أنها تختلف جوهريًا عن جسيمات ألفا وبيتا المشحونة). وقاس إدوارد أندرادي أطوال موجاتهم ، ووجدوا أن أشعة gاما مشابهة للأشعة السينية ، ولكن بأطوال موجية أقصر وترددات أعلى.

مجموعة من الطيف
يتم وصف الموجات الكهرومغناطيسية عادة عن طريق أي من الخصائص الفيزيائية الثلاثة التالية: التردد f ، طول الموجة λ ، أو طاقة الفوتون E. الترددات الملاحظة في مجال علم الفلك من 2.4 × 1023 هرتز (1 أشعة غاما GeV) وصولا إلى تردد البلازما المحلي لل المؤين بين النجمية (~ 1 كيلو هرتز). الطول الموجي يتناسب عكسيا مع تردد الموجة ، لذلك فإن أشعة gا haveا لها أطوال موجية قصيرة جدا هي أجزاء من حجم الذرات ، في حين أن الأطوال الموجية على الطرف المقابل من الطيف يمكن أن تكون طويلة مثل الكون. تتناسب طاقة الفوتون بشكل مباشر مع تردد الموجة ، لذلك فإن فوتونات أشعة جاما لديها أعلى طاقة (حوالي مليار إلكترون فولت) ، بينما فوتونات الموجات الراديوية لديها طاقة منخفضة جدًا (حول a femtoelectronvolt). تتضح هذه العلاقات من خلال المعادلات التالية:

أين:
c = 299792458 m / s هي سرعة الضوء في الفراغ
h = 6.62606896 (33) × 10−34 J · s = 4.13566733 (10) × 10−15 eV · s هو ثابت بلانك.
عندما توجد الموجات الكهرومغناطيسية في وسط مع المادة ، يتم تقليل طولها الموجي. عادة ما يتم اقتباس الأطوال الموجية للإشعاع الكهرومغناطيسي ، بغض النظر عن الوسط الذي يعبرون فيه ، من حيث طول الموجة الفراغي ، على الرغم من أن هذا لا يتم ذكره بشكل صريح دائمًا.

بشكل عام ، يتم تصنيف الإشعاع الكهرومغناطيسي بواسطة الطول الموجي إلى الموجات الراديوية أو الموجات الميكروية أو terahertz (أو دون المليمتر) والأشعة تحت الحمراء والمنطقة المرئية التي ينظر إليها على أنها الضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. يعتمد سلوك الإشعاع الكهرمغنطيسي على طول موجته. عندما يتفاعل الإشعاع الكهرمغنطيسي مع الذرات والجزيئات المفردة ، يعتمد سلوكها أيضًا على كمية الطاقة لكل كمية (فوتون) يحملها.

يمكن أن يكتشف التحليل الطيفي منطقة أوسع بكثير من الطيف الكهروضوئي من النطاق المرئي من 400 نانومتر إلى 700 نانومتر. يستطيع مطياف المختبر المشترك اكتشاف الأطوال الموجية من 2 نانومتر إلى 2500 نانومتر. يمكن الحصول على معلومات تفصيلية حول الخصائص الفيزيائية للأجسام أو الغازات أو حتى النجوم من هذا النوع من الأجهزة. تُستخدم المطيافات على نطاق واسع في الفيزياء الفلكية. على سبيل المثال ، العديد من ذرات الهيدروجين تنبعث منها فوتون موجة الراديو الذي يبلغ طوله 21.12 سم. أيضا ، يمكن أن تنتج من الترددات 30 هرتز وأدناه من قبل وأهمية في دراسة بعض السدم النجمية والترددات عالية كما تم الكشف عن 2.9 × 1027 هرتز من مصادر الفيزياء الفلكية.

الأساس المنطقي للأسماء الإقليمية للطيف
يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة بطرق مختلفة عبر الطيف. تختلف أنواع التفاعل هذه إلى حد كبير بحيث تم تطبيق أسماء مختلفة تاريخياً على أجزاء مختلفة من الطيف ، كما لو كانت هذه الأنواع مختلفة من الإشعاع. وهكذا ، على الرغم من أن هذه “الأنواع المختلفة” من الإشعاع الكهرومغناطيسي تشكل طيفًا مستمرًا كميًا من الترددات والأطوال الموجية ، إلا أن الطيف يبقى مقسمًا لأسباب عملية مرتبطة بفوارق التفاعل النوعي هذه.

تفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة
منطقة الطيف التفاعلات الرئيسية مع المادة
راديو التذبذب الجماعي لحملات الشحنة في المواد السائبة (التذبذب البلازمي). مثال على ذلك هو الرحلات التذبذبية للإلكترونات في الهوائي.
الميكروويف من خلال الأشعة تحت الحمراء البعيدة التذبذب في البلازما ، الدوران الجزيئي
بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الاهتزاز الجزيئي ، تذبذب البلازما (في المعادن فقط)
مرئي تحريض الإلكترون الجزيئي (بما في ذلك جزيئات الصباغ الموجودة في شبكية العين البشرية) ، التذبذبات البلازمية (في المعادن فقط)
فوق بنفسجي إثارة إلكترونات التكافؤ الجزيئي والذري ، بما في ذلك طرد الإلكترونات (تأثير كهروضوئي)
أشعة X إثارة وإخراج الإلكترونات الذرية الأساسية كومبتون التشتت (للأرقام الذرية المنخفضة)
أشعة غاما طرد نشط من الإلكترونات الأساسية في العناصر الثقيلة ، كومبتون التشتت (لجميع الأعداد الذرية) ، وإثارة النوى الذرية ، بما في ذلك تفكك النوى
أشعة جاما عالية الطاقة خلق أزواج الجسيمات المضادة. في طاقات عالية جدا يمكن لفوتون واحد إنشاء دش من الجسيمات عالية الطاقة والجسيمات المضادة على التفاعل مع المادة.
أنواع الإشعاع

الحدود
ويرد أدناه مناقشة للمناطق (أو النطاقات أو الأنواع) من الطيف الكهرومغناطيسي. لاحظ أنه لا توجد حدود محددة بدقة بين نطاقات الطيف الكهرومغناطيسي ؛ بدلا من ذلك تتلاشى في بعضها البعض مثل العصابات في قوس قزح (وهو الطيف الفرعي للضوء المرئي). يحتوي الإشعاع لكل تردد وطول موجة (أو في كل نطاق) على مزيج من خصائص منطقتين من الطيف الذي يربطها. على سبيل المثال ، يشبه الضوء الأحمر الأشعة تحت الحمراء في أنها يمكن أن تثير وتضيف الطاقة لبعض الروابط الكيميائية ويجب أن تفعل ذلك بالفعل لتشغيل الآليات الكيميائية المسؤولة عن التمثيل الضوئي وعمل النظام البصري.

مناطق الطيف
تصنف أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي على نطاق واسع في الفئات التالية:

أشعة غاما
الأشعة السينية
الأشعة فوق البنفسجية
إشعاع مرئي
الأشعة تحت الحمراء
إشعاع تيراهيرتز
إشعاع الميكروويف

موجات الراديو
وينطبق هذا التصنيف على الترتيب المتزايد لطول الموجة ، وهو سمة مميزة لنوع الإشعاع. في حين أن مخطط التصنيف يكون بشكل عام دقيقًا ، إلا أنه غالبًا ما يكون هناك بعض التداخل بين الأنواع المجاورة من الطاقة الكهرومغناطيسية. على سبيل المثال ، قد يستقبل الفلكيون موجات راديو SLF عند 60 هرتز ويدرسها علماء الفلك ، أو قد يكونون منتشرين على طول الأسلاك كطاقة كهربائية ، على الرغم من أن هذا الأخير ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، ليس إشعاعًا كهرومغناطيسيًا على الإطلاق (راجع الحقل القريب والبعيد).

يعتمد التمييز بين الأشعة السينية وأشعة gاما جزئيا على المصادر: الفوتونات الناتجة عن الانحلال النووي أو غيرها من العمليات النووية وشبه النووية / الجسيمات ، تسمى دائما أشعة gاما ، في حين يتم توليد الأشعة السينية عن طريق التحولات الإلكترونية التي تنطوي على ذرية داخلية عالية النشاط الإلكترونات. بشكل عام ، تعتبر التحولات النووية أكثر نشاطًا بكثير من التحولات الإلكترونية ، لذلك تكون أشعة جاما أكثر نشاطًا من الأشعة السينية ، ولكن هناك استثناءات. قياسا على التحولات الإلكترونية ، كما يقال التحولات الميونية الذري لإنتاج الأشعة السينية ، على الرغم من أن طاقتهم قد تتجاوز 6 megaelectronvolts (0.96 pJ) ، في حين أن هناك الكثير (من المعروف أن 77 أقل من 10 keV (1.6 fJ)) منخفض الطاقة النووية الانتقائية (على سبيل المثال ، الانتقال النووي 7.6 فولت (1.22 أ ج) من الثوريوم -229) ، وعلى الرغم من كونها أقل فعالية بمقدار مليون مرة من بعض الأشعة السينية المونيونية ، ما زالت الفوتونات المنبعثة تسمى أشعة جاما بسبب أصل نووي.

والاتفاقية التي يطلق عليها الإشعاع EM المعروف من النواة ، دائمًا ما يطلق عليها “أشعة جاما” هي الاتفاقية الوحيدة المحترمة عالميًا. ومن المعروف أن العديد من مصادر أشعة غاما الفلكية (مثل رشقات أشعة جاما) نشطة للغاية (في كل من الكثافة والطول الموجي) لتكون ذات أصل نووي. في كثير من الأحيان ، في مجال فيزياء الطاقة العالية وفي العلاج الإشعاعي الطبي ، لا يُطلق على EMR عالي الطاقة (في منطقة 10 MeV) – التي هي طاقة أعلى من أي أشعة غاما نووية – الأشعة السينية أو أشعة جاما ، ولكن بدلاً من ذلك مصطلح عام من “الفوتونات عالية الطاقة”.

إن منطقة الطيف حيث يسقط إشعاع كهرومغناطيسي ملحوظ ملحوظ ، تعتمد على الإطار المعتمد (بسبب تغير دوبلر للضوء) ، لذا فإن إشعاع EM الذي يمكن أن يقوله أحد المراقبين في منطقة واحدة من الطيف يمكن أن يظهر لمراقب يتحرك في جزء كبير من سرعة الضوء فيما يتعلق بالأول في جزء آخر من الطيف. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك الخلفية الميكروية الكونية. تم إنتاجه ، عندما تنفصل المادة والإشعاع ، عن طريق إزالة تهييج ذرات الهيدروجين إلى الحالة الأرضية. كانت هذه الفوتونات من عمليات انتقال سلسلة Lyman ، وضعها في الجزء فوق البنفسجي (UV) من الطيف الكهرومغناطيسي. وقد مر هذا الإشعاع الآن بما يكفي من التحول الأحمر الكوني ليضعه في منطقة الموجات الدقيقة من الطيف للمراقبين الذين يتحركون ببطء (مقارنة بسرعة الضوء) فيما يتعلق بالكون.

موجة تردد الراديو
تنبعث موجات الراديو وتستقبلها الهوائيات ، التي تتكون من موصلات مثل رنانات قضبان معدنية. في التوليد الاصطناعي للموجات الراديوية ، يقوم جهاز إلكتروني يسمى جهاز إرسال بتوليد تيار كهربائي تيار متردد يطبق على هوائي. وتولد الإلكترونات المتذبذبة في الهوائي مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة تشع بعيداً عن الهوائي كموجات راديوية. عند استقبال الموجات الراديوية ، تتداخل المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتأرجحة لموجة راديوية مع الإلكترونات في الهوائي ، مما يدفعها للخلف وللأمام ، مما يخلق تيارات متذبذبة يتم تطبيقها على جهاز استقبال لاسلكي. إن الغلاف الجوي للأرض شفاف بشكل أساسي بالنسبة للموجات الراديوية ، باستثناء طبقات من الجسيمات المشحونة في الأيونوسفير والتي يمكن أن تعكس ترددات معينة.

وتستخدم الموجات الراديوية على نطاق واسع للغاية لنقل المعلومات عبر المسافات في أنظمة الاتصالات الراديوية مثل البث الإذاعي والتلفزيوني وأجهزة الراديو ثنائية الاتجاه والهواتف المحمولة وسواتل الاتصالات والشبكات اللاسلكية. في نظام اتصالات راديوي ، يتم تشكيل تيار تردد راديوي مع إشارة تحمل معلومات في جهاز إرسال عن طريق تغيير السعة أو التردد أو الطور ، وتطبيقها على هوائي. وتحمل الموجات الراديوية المعلومات عبر الفضاء إلى المستقبل ، حيث يستقبلها الهوائي والمعلومات المنتزعة عن طريق إزالة التشكيل في المستقبِل. كما تستخدم الموجات اللاسلكية للتنقل في أنظمة مثل النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) والمنارات الملاحية ، وتحديد مواقع الأشياء البعيدة في التحديد الراديوي للموقع والرادار. كما أنها تستخدم للتحكم عن بعد ، وللتدفئة الصناعية.

يتم تنظيم استخدام الطيف الراديوي بدقة من قبل الحكومات ، بتنسيق من هيئة تسمى الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية (ITU) والتي تخصص ترددات لمستخدمين مختلفين لاستخدامات مختلفة.

ميكروويف
الموجات الدقيقة هي موجات راديو ذات طول موجي قصير ، من حوالي 10 سنتيمترات إلى واحد ملليمتر ، في نطاقات التردد SHF و EHF. يتم إنتاج طاقة الميكروويف مع أنابيب klystron و magnetron ، ومع أجهزة صلبة مثل الصمامات الثنائية Gunn و IMPATT. على الرغم من أنها تنبعث وتستوعبها هوائيات قصيرة ، إلا أنها تمتصها أيضًا الجزيئات القطبية ، مقترنة بالأنماط الاهتزازية والدورانية ، مما يؤدي إلى التسخين بكميات كبيرة. على عكس الموجات العالية التردد مثل الأشعة تحت الحمراء والضوء التي يتم امتصاصها بشكل رئيسي على الأسطح ، يمكن لأجهزة الميكروويف اختراق المواد وإيداع طاقتها تحت السطح. يستخدم هذا التأثير لتسخين الطعام في أفران الميكروويف ، وللتدفئة الصناعية والإنفاذ الحراري. الموجات الدقيقة هي الأطوال الموجية الرئيسية المستخدمة في الرادار ، وتستخدم في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، وتقنيات الشبكات اللاسلكية مثل واي فاي ، على الرغم من أن هذا على مستويات الشدة غير قادر على التسبب في التدفئة الحرارية. والكابلات النحاسية (خطوط النقل) التي تستخدم في نقل الموجات الراديوية ذات التردد المنخفض إلى الهوائيات لها فائض كبير في القدرة عند ترددات الموجات الصغرية ، وتستخدم أنابيب معدنية تسمى الدليل الموجي لحملها. على الرغم من أن الغلاف الجوي في الطرف المنخفض من النطاق يكون شفافاً بشكلٍ أساسي ، إلا أنه في الطرف الأعلى من امتصاص الموجات الميكروية للميكروويف بواسطة الغازات الجوية تحد من مسافات الانتشار العملي إلى بضعة كيلومترات.

إشعاع تيراهيرتز
إشعاع تيراهيرتز هو منطقة من الطيف بين الأشعة تحت الحمراء والميكروويف. وحتى وقت قريب ، نادراً ما دُرِس هذا النطاق ، ولم تكن توجد سوى مصادر قليلة لطاقة الميكروويف عند الطرف الأعلى من النطاق (موجات دون المليمترية أو ما يسمى بموجات تيراهيرتز) ، ولكن تظهر الآن تطبيقات مثل التصوير والاتصالات. كما يتطلع العلماء إلى تطبيق تكنولوجيا تيراهيرتز في القوات المسلحة ، حيث يمكن توجيه موجات عالية التردد إلى قوات العدو لتعجيز معداتهم الإلكترونية. يتم امتصاص إشعاع تيراهيرتز بقوة عن طريق الغازات الجوية ، مما يجعل نطاق التردد هذا عديم الفائدة للاتصال لمسافات طويلة.

الأشعة تحت الحمراء
يغطي جزء الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي المدى من حوالي 300 جيجاهرتز إلى 400 THz (1 مم – 750 نانومتر). يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أجزاء:

الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، من 300 غيغاهرتز إلى 30 THz (1 مم – 10 ميكرومتر). الجزء السفلي من هذا النطاق قد يطلق عليه أيضا الموجات الدقيقة أو موجات تيراهيرتز. وعادة ما يتم امتصاص هذا الإشعاع من خلال ما يسمى بأوضاع التناوب في جزيئات الطور الغازي ، والحركات الجزيئية في السوائل ، والفونونات في المواد الصلبة. يمتص الماء الموجود في الغلاف الجوي للأرض بقوة في هذا النطاق ، مما يجعل الغلاف الجوي في حالة غموض. ومع ذلك ، هناك نطاقات محددة الطول الموجي (“windows”) ضمن النطاق غير الشفاف والتي تسمح بنقل جزئي ، ويمكن استخدامها في علم الفلك. ويشار إلى طول الطول الموجي من حوالي 200 ميكرومتر إلى بضعة مليمترات باسم “المليمتر الفرعي” في علم الفلك ، مما يحفظ الأشعة تحت الحمراء البعيدة لأطوال موجية تقل عن 200 ميكرومتر.

منتصف الأشعة تحت الحمراء ، من 30 إلى 120 THz (10-2.5 ميكرومتر). يمكن أن تشع الأجسام الساخنة (مشعات الجسم الأسود) بقوة في هذا النطاق ، ويشع الجلد البشري عند درجة حرارة الجسم الطبيعية بقوة عند الطرف الأدنى من هذه المنطقة. يتم امتصاص هذا الإشعاع بواسطة الاهتزازات الجزيئية ، حيث تهتز الذرات المختلفة في جزيء حول مواضع توازنها. يطلق على هذا النطاق أحيانًا منطقة بصمة الإصبع ، نظرًا لأن طيف الامتصاص في منتصف الأشعة تحت الحمراء للمركب محدد جدًا لهذا المركب.

بالقرب من أشعة تحت الحمراء ، من 120 إلى 400 THz (2500- 750 نانومتر). تتشابه العمليات الفيزيائية ذات الصلة بهذا النطاق مع تلك الخاصة بالضوء المرئي. يمكن الكشف عن أعلى الترددات في هذه المنطقة مباشرة من قبل بعض أنواع أفلام التصوير الفوتوغرافي ، وبواسطة أنواع عديدة من مستشعرات الحالة الصلبة للصور الفوتوغرافية بالأشعة تحت الحمراء والفيديو.

الإشعاع المرئي (الضوء)
فوق الأشعة تحت الحمراء في التردد يأتي الضوء المرئي. تنبعث الشمس من ذروة قوتها في المنطقة المرئية ، على الرغم من أن دمج كامل طيف قدرة البث من خلال جميع الأطوال الموجية يُظهر أن الشمس تصدر أشعة تحت حمراء أكثر قليلاً من الضوء المرئي. وبحسب التعريف ، فإن الضوء المرئي هو جزء من الطيف الكهرمغنطيسي الذي تعتبر العين البشرية الأكثر حساسية له. يتم امتصاص الضوء المرئي (والضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء) وتنبعث منه الإلكترونات في الجزيئات والذرات التي تتحرك من مستوى طاقة إلى آخر. يسمح هذا الإجراء للآليات الكيميائية التي تكمن وراء الرؤية البشرية ونشاط البناء الضوئي. الضوء الذي يثير النظام البصري البشري هو جزء صغير جدا من الطيف الكهرومغناطيسي. يُظهر قوس قزح الجزء البصري (المرئي) من الطيف الكهرومغناطيسي ؛ الأشعة تحت الحمراء (إذا كان من الممكن رؤيتها) ستكون موجودة خلف الجانب الأحمر من قوس قزح مع ظهور الأشعة فوق البنفسجية فقط خارج نهاية البنفسج.

تم الكشف عن الأشعة الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي بين 380 نانومتر و 760 نانومتر (400-790 تيراهيرتز) بواسطة العين البشرية والتي ينظر إليها كضوء مرئي. الأطوال الموجية الأخرى ، وخاصة قرب الأشعة تحت الحمراء (أطول من 760 نانومتر) والأشعة فوق البنفسجية (أقل من 380 نانومتر) يشار إليها أحيانا باسم الضوء ، خاصة عندما تكون الرؤية للبشر غير ملائمة. الضوء الأبيض هو مزيج من الأضواء ذات الأطوال الموجية المختلفة في الطيف المرئي. تمرير الضوء الأبيض من خلال منشور ينقسم إلى عدة ألوان ضوئية يتم ملاحظتها في الطيف المرئي بين 400 نانومتر و 780 نانومتر.

إذا كان الإشعاع الذي يحتوي على تردد في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي يعكس كائنًا ، على سبيل المثال ، وعاء من الفاكهة ، ثم يضرب العينين ، فإن هذا يؤدي إلى إدراك مرئي للمشهد. يعالج النظام المرئي للدماغ عددًا كبيرًا من الترددات المنعكسة إلى ظلال وألوان مختلفة ، ومن خلال هذه الظاهرة النفسية الجسدية غير المفهومة ، يدرك معظم الناس وعاءًا من الفاكهة.

ولكن في معظم الأطوال الموجية ، لا يتم اكتشاف المعلومات التي يحملها الإشعاع الكهرومغناطيسي مباشرة بواسطة الحواس البشرية. تنتج المصادر الطبيعية إشعاع EM عبر الطيف ، كما يمكن للتكنولوجيا أن تتعامل مع نطاق واسع من الأطوال الموجية. تنقل الألياف الضوئية الضوء ، رغم أنه ليس بالضرورة في الجزء المرئي من الطيف (عادة ما يكون بالأشعة تحت الحمراء) ، يمكنه حمل المعلومات. يشبه التشكيل تلك المستخدمة في موجات الراديو.

الأشعة فوق البنفسجية
القادم في التردد يأتي الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية). إن طول موجة الأشعة فوق البنفسجية أقصر من النهاية البنفسجية للطيف المرئي ولكنها أطول من الأشعة السينية.

الأشعة فوق البنفسجية هي أطول إشعاع طول موجة لها فوتونات فعالة بما يكفي لتأين الذرات ، وتفصل الإلكترونات عنها ، وبالتالي تتسبب في تفاعلات كيميائية. وتسمى الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي القصير والأشعة الموجية الأقصر فوقها (الأشعة السينية وأشعة جاما) بالإشعاع المؤين ، ويمكن أن يتسبب التعرض لها في تلف الأنسجة الحية ، مما يجعلها خطرا على الصحة. يمكن للأشعة فوق البنفسجية أيضًا أن تتسبب في توهج العديد من المواد بالضوء المرئي ؛ هذا يسمى مضان.

في المدى المتوسط ​​للأشعة فوق البنفسجية ، لا يمكن أن تتأين الأشعة فوق البنفسجية ولكن يمكنها كسر الروابط الكيميائية ، مما يجعل الجزيئات غير تفاعلية بشكل غير عادي. على سبيل المثال ، يعود سبب حروق الشمس إلى التأثيرات المدمرة للأشعة فوق البنفسجية متوسطة المدى على خلايا الجلد ، وهو السبب الرئيسي لسرطان الجلد. يمكن للأشعة فوق البنفسجية في المدى المتوسط ​​أن تلحق ضررا لا يمكن إصلاحه بجزيئات الحمض النووي المعقدة في الخلايا المنتجة لأغشية الثايمين مما يجعلها مطفرة قوية جدا.

تصدر الشمس أشعة فوق بنفسجية (حوالي 10٪ من طاقتها الكلية) ، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة القصيرة جداً التي يمكن أن تدمر معظم الحياة على الأرض (مياه المحيط توفر بعض الحماية للحياة هناك). ومع ذلك ، فإن معظم موجات الأشعة فوق البنفسجية الضارة من الشمس تمتصها الغلاف الجوي قبل أن تصل إلى السطح. يتم امتصاص الطاقة العالية (أقصر طول موجي) من الأشعة فوق البنفسجية (تسمى بالأشعة فوق البنفسجية الفراغية) بواسطة النيتروجين ، وفي الأطوال الموجية الأطول ، بواسطة الأكسجين ثنائي الذرة البسيط في الهواء. يتم حجب معظم الأشعة فوق البنفسجية في منتصف نطاق الطاقة بواسطة طبقة الأوزون ، التي تمتص بقوة في المدى البالغ 200-315 نانومتر ، حيث يكون جزء الطاقة الأقل منه طويلاً جدًا حتى يتسنى امتصاص ثنائي أوكسين عادي في الهواء. هذا يترك أقل من 3٪ من ضوء الشمس عند مستوى سطح البحر بالأشعة فوق البنفسجية ، مع كل هذا الباقي في الطاقات المنخفضة. والباقي هو UV-A ، جنبا إلى جنب مع بعض الأشعة فوق البنفسجية باء. لا يتم حظر نطاق الطاقة الأدنى للغاية للأشعة فوق البنفسجية بين 315 نانومتر والضوء المرئي (المسمى بالأشعة فوق البنفسجية – أ) جيدًا من الغلاف الجوي ، ولكنه لا يسبب حروق الشمس ويؤدي إلى ضرر بيولوجي أقل. ومع ذلك ، فإنه غير ضار ولا يخلق جذور الأكسجين والطفرات وتلف الجلد. انظر الأشعة فوق البنفسجية لمزيد من المعلومات.

أشعة X
بعد الأشعة فوق البنفسجية تأتي الأشعة السينية ، والتي ، مثل النطاقات العليا للأشعة فوق البنفسجية هي أيضا التأين. ومع ذلك ، نظرًا لطاقاتها الأعلى ، يمكن للأشعة السينية أيضًا التفاعل مع المادة عن طريق تأثير كومبتون. وللأشعة السينية الصلبة أطوال موجات أقصر من الأشعة السينية اللينة ، ولأنها يمكن أن تمر عبر العديد من المواد باستيعاب قليل ، يمكن استخدامها في “رؤية” الأجسام ذات “سمك” أقل من تلك التي تعادل بضعة أمتار من الماء. أحد الاستخدامات البارزة هو التصوير التشخيصي بالأشعة السينية في الطب (وهي عملية تعرف باسم التصوير الشعاعي). تكون الأشعة السينية مفيدة كتحقيقات في فيزياء الطاقة العالية. في علم الفلك ، تنبعث الأقراص المتراكمة حول النجوم النيوترونية والثقوب السوداء أشعة سينية ، مما يسمح بدراسة هذه الظواهر. تنبعث الأشعة السينية أيضا عن طريق كورونات النجوم وتنبعث منها بقوة بعض أنواع السدم. ومع ذلك ، يجب وضع تلسكوبات الأشعة السينية خارج الغلاف الجوي للأرض لرؤية الأشعة السينية الفلكية ، حيث أن عمق الغلاف الجوي للأرض شديد التعتيم بالنسبة للأشعة السينية (مع كثافة المنطقة التي تبلغ 1000 غرام لكل سنتيمتر مربع) ، أي ما يعادل 10 أمتار سمك الماء. هذه كمية كافية لحجب كل الأشعة السينية الفلكية تقريبًا (وكذلك أشعة aاما الفلكية – انظر أدناه).

أشعة غاما
بعد أشعة سينية صلبة تأتي أشعة غاما ، التي اكتشفها بول أولريتش فيلارد في عام 1900. هذه هي الفوتونات الأكثر نشاطا ، ليس لها حد أدنى محدد لطول موجاتها. في علم الفلك تعتبر قيمة لدراسة الأجسام أو المناطق عالية الطاقة ، ولكن كما هو الحال مع الأشعة السينية ، لا يمكن القيام بهذا إلا باستخدام التلسكوبات خارج الغلاف الجوي للأرض. يتم استخدام أشعة جاما تجريبيا من قبل علماء الفيزياء لاختراق قدرتها ويتم إنتاجها من قبل عدد من النظائر المشعة. وهي تستخدم لتشعيع الأطعمة والبذور من أجل التعقيم ، وفي الطب تستخدم في بعض الأحيان في علاج السرطان الإشعاعي. أكثر شيوعا ، وتستخدم أشعة غاما لتصوير التشخيص في الطب النووي ، على سبيل المثال يجري مسح PET. يمكن قياس الطول الموجي لأشعة جاما بدقة عالية من خلال تأثيرات كومبتون نثر.