سرشت علم(۱۳): طیف الکترومغناطیسی‌ – قسمت دو

سه شنبه, ۶ام شهریور, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی سیزدهم:

طیف الکترومغناطیسی‌  – قسمت دو

 ماکسول کشف کرده بود که نور نوعی گسیل­ شدگیِ[۱] الکترومغناطیسی­ست -یعنی‌ امواجِ انرژیِ الکترومغناطیسی ­ای که با سرعتِ ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در حَرکت ­اند.[۲] طیفِ الکترومغناطیس گُستره و پیوستار یا تداومی ­ست که طولِ ­موج‌ها در آن می­توانند بزرگ­تر از قطرِ یک ستاره و یا کوچک­تر از هسته­ ی یک اتم باشند.

علیرغم تقسیم ­بندیِ علمی‌، در طبیعت مرزبندیِ ثابتی بینِ این امواج نیست و چون سایه – نیم سایه در مواردی مرزها درهم می­شوند (مانندِ امواجِ کوتاه­تر رادیویی با امواجِ بلندتر میکروموج ­ها). دانشمندانِ حوزه ­ی علم اما برای بی­ دردسرتر کردنِ تعریف، این امواج را در بیشترِ موارد براساسِ شیوه­ ی تولیدکردن و شیوه ­ی استفاده[۳] از آن‌ها تقسیم ­بندی کرده ­اند. پیشتر در موردِ شیوه ­ی تولیدکردن امواجِ رادیویی نوشته شد. میکروموج‌ها  دومین نوعِ امواج آن تقسیم ­بندی هستند.

میکروموج­ها گسیل ­شدگیِ الکترومغناطیس ی­ای هستند که طولِ‌شان اغلب از یک ­سومِ میلیمتر تا یک­ سومِ متر است، گستره­ای که در مواردی با طولِ امواجِ رادیوییِ کوتاه­تر همپوش می‌‌شود یا روی­هم[۴] قرارمی‌گیرد.

  • میکروموج‌ها اغلب از طریقِ ارتعاشِ سریعِ میدان برق و یا میدان یا حوزه­یِ مغناطیسی‌ بوجود می‌‌آیند.
  • اجاق‌هایِ میکروموجی بر اساسِ اینکه ملکول‌هایِ آب می­توانند میکروموج‌های با فرکانس ۲.۴۵ گیگاهرتز را جذب کنند ساخته شده­ اند – یعنی ‌انرژی ­ای که به گرما تبدیل می­شود. فیزیکدانِ آمریکایی پرسی اسپنسر این کارکردِ میکروموج‌ها را به نحوی اتفاقی کشف کرد.
  • اجاقِ میکروموجی ژنراتوری میکروموج ­ساز دارد که امواجی با طولِ­ موجی دقیق را برای گرم­کردنِ آب تولید می‌کند . داخلِ اجاق هم با لایه‌هایی‌ ساخته شده تا امواج را به داخلِ اجاق منعکس کند و از نشتِ موج‌ها به بیرون و صدمه به بافت‌هایِ زیستیِ‌ آدمی‌ جلوگیری کند. در واقع موضوعی که در مورد زیان یا عدم زیان به بافت‌های زیستی‌ انسان مورد توجه است سیستم ایزولاسیون فضای داخلی‌ مایکروویو است که اگر بطور مطلوب انجام شده باشد جایی‌ برای نگرانی‌ نیست.
  • وجودِ جسمی‌ فلزی در داخلِ اجاق می­تواند همه­یِ انرژیِ میکروموج‌ها را به خود جذب ‌کند زیرا آن جسم به نحوی خطرناک داغ می­شود.

میکروموج‌ها می­توانند مانند نورِ یک چراغ­قوه به تابه یا پرتوی باریک[۵] متمرکز شوند و هوا نمی­تواند آنها را به سادگی‌ پخش­وپلا  کند و نتیجتاً از میکروموج‌ها برای ارتباطاتِ نقطه – به – نقطه[۶] استفاده می­شود.

  • رادار‌ها متکی‌ بر انعکاسِ میکروموج‌ها بر اجسامِ جامد  طراحی شده­اند.
  • آنتن‌های راداری هم فرستنده و هم گیرنده­ی میکروموج‌ها هستند.
  • مسیر و زمانِ پژواک‌هایِ میکروموجی[۷] موقعیتِ سه­بعدی اجسام را ردیابی می‌کند و شیفت‌هایِ ظریف در طولِ­موج دریافتی نشانگرِ سرعتِ جسم ردیابی­شده است.
  • استفاده از فنّ­آوریِ نهانکار[۸] و طراحی بمب­افکن‌هایِ نهانکار برایِ تقلیلِ میزانِ میکروموج‌هایِ منعکس­شده است.[۹]

گسیل­شدگیِ فروسرخ یا مادونِ قرمز امواجِ الکترومغناطیسی­ای هستند که طول­موج‌هایی‌ بین یک­هزارم تا یک­میلیونیم متر را شامل می­شوند. اشعه‌هایِ فروسرخ یا مادونِ قرمز از اجسامِ گرم گسیل می­شوند و ما آنها را به شکل گرما حس می‌کنیم . پوستِ آدمی‌ ردیابِ بسیار حساسِ گرماست.

  • فنّ­آوری‌هایِ تصویریابِ[۱۰] (و تصویرگر) فروسرخ یا مادونِ قرمز نقشی‌ مهم در حوزه‌های مختلف داشته­اند.
  • عینک‌ها[۱۱] و فیلم‌هایِ فروسرخ یا مادونِ قرمز برایِ نخستین­بار در صنایعِ نظامی ساخته و بکارگرفته شدند تا هدف‌ها و نشان‌ها را در شب ردیابی‌ کنند.
  • این فنّ­آوری امروز برای ارزیابیِ اتلاف و ضایعاتِ گرمایی[۱۲] ساختمان‌ها و برای شناختِ نقطه‌ها و محل‌هایِ اصلیِ‌ ضایعاتِ گرمایی استفاده می­شود.
  • تصویرگری فروسرخ یا مادونِ قرمز امروزه در حوزه‌هایِ پزشکی‌ برای ردیابیِ سرطان سینه و یا گردشِ خونِ ناموزون و یا برای شناختِ ناحیه­ی سوختگی‌هایِ بسیار  بد استفاده می­شود.
  • برخی‌ ماهواره‌ها با دریافتگر‌هایِ فروسرخ یا مادونِ قرمز[۱۳] مجهز شده­اند تا آتش‌هایِ در جنگل­ها‌ و یا آلودگی‌‌هایِ گرماییِ کارخانجات را ردیابی کرده و همچنین آتشفشان‌ها را پیش­بینی‌ کنند.

سومین تقسیم­بندیِ طیفِ الکترومغناطیسی‌ نورِ قابلِ­رویت است که گستره­یِ بسیار باریکی[۱۴] با طولِ­موج‌هایی‌ بین یک ۴۰۰ میلیاردم تا یک ۷۰۰ میلیاردمِ متر را تشکیل می­دهد.[۱۵] چشمِ آدمی‌ قادر به دیدن بیش از چنین طیفِ طولِ­موج‌های باریکی نیست.

  • همین طیفِ باریک هم تقسیم­شده به بخش‌های باریک­تری­ست که ما رنگ  می­خوانیم. عرضِ طیفی[۱۶] این طولِ­موجِ رنگ‌ها نیز با یکدیگر مساوی نیستند.
  • چشمان ما به رنگِ زرد (طول موجی بین ۵۷۰ – ۵۹۰ میلیاردمِ متر) بیش از هر رنگِ دیگری حساسیت نشان می­دهد که البته قوی‌ترین اشعه‌هایِ خورشیدی نیز به همین رنگ هستند.
  • نیوتن برای نخستین بار با استفاده از یک منشور نشان داده بود که رنگِ سفید از ترکیبِ طولِ­موج‌های متفاوتِ نور ساخته شده­است.

اشعه‌هایِ فرا یا ماورایِ بنفش[۱۷] با طولِ­موج‌هایی‌ بین ۱۰ تا یک ۴۰۰ میلیاردمِ متر حاملِ انرژی­ای هستند که به­سادگی‌ به بافت‌هایِ زنده[۱۸] صدمه می­زنند.

  • اشعه‌هایِ فرا یا ماورایِ بنفش خود به سه بخش تقسیم می­شوند. طولانی‌ترین آن اشعه‌ها (۳۲۰ تا ۴۰۰ میلیاردم متر) بسادگی جذبِ پوست می­شوند و باعثِ برنزه­شدن و آزاد کردن ویتامینِ د هستند.
  • اشعه‌هایِ ماورای بنفش با طولِ­موجی بین ۲۸۰ تا ۳۲۰ میلیاردمِ متر بسیار عمیق­تر به بافت‌ها نفوذ می­کنند و می­توانند سلول‌ها را بکشند.
  • اشعه‌هایِ فرا یا ماورایِ بنفشی با طولِ­موجی بین ۱۰ تا ۲۸۰ میلیاردمِ متر بقدری قوی هستند که حتا جذبِ هوا  می­شوند.
  • خورشید تمامِ طیفِ اشعه‌های فرا یا ماورایِ بنفش را تولید می‌کند اما تنها طولِ­موج‌هایی‌ طولانی­تر از ۲۸۰ میلیاردمِ متر به سطحِ زمین می­رسند.
  • طولِ­موج‌های کوتاه­تر بسیار خطرناک­اند و سرطان­زا هستند.
  • کِرِم‌هایِ ضدِ اشعه­ی ماورایِ بنفش موادِ شیمیایی­ای هستند که یا آن اشعه‌ها را (قبل از رسیدن به پوست) بلوکه و یا جذب می­کنند.

پنجمین تقسیم­بندیِ طیفِ الکترومغناطیسی‌ اشعه­یِ ایکس[۱۹] نامیده  می­شود. این اشعه پرانرژی‌ترین اشعه­ای است که با استفاده از تکنولوژی­ای که به نحوی تجارتی در دسترس است ایجاد می­شود.  طیفِ طولِ­موج‌های این اشعه از یک دهم تا یک صدمیلیاردمِ یک اینچ هستند.

  • در سال ۱۹۵۸ دانشمندِ آلمانی ویلهلم کنراد روئنتگن[۲۰] (۱۸۴۵-۱۹۲۳) هنگامیکه در آزمایشگاهِ خود بر روی لوله­ای الکترونی­‌ با انرژیِ بالا[۲۱] کار می­کرد متوجه شد که برخی موادِ شیمیایی شروعِ به درخشش[۲۲] کردند و این اتفاق موجب شد تا وی اشعه­یِ ایکس را کشف کند.
  • توان یا قدرتِ نفوذِ[۲۳]  بسیار بالای این اشعه همراه با این واقعیت که بر رویِ برخی‌ فیلم‌ها اثری دایمی دارد موجب شد که از آن برای مصارفِ پزشکی‌ و عکس­برداری از ساختِ درونیِ‌ کالبد آدمی‌  استفاده شود.
  • اشعه‌هایِ ایکس از صفحه‌های اتم‌ها در کریستال‌ها پراشنده و منکسر می­شوند[۲۴]. مسیر و شدتِ پراشندگی و انکسار باعث می­شود تا چیدمانِ[۲۵] اتم‌ها آشکار شوند. این چیدمان آشکار کننده­ی ساختِ اندام‌هاست.

آخرین تقسیم­بندیِ طیفِ الکترومغناطیسی و پر قدرت‌ترین و پر انرژی‌ترین امواجِ الکترومغناطیسی‌ در طبیعت اشعه‌هایِ گاما هستند که طولِ­موج‌هایی‌ کوتاه­تر از یک تریلیاردم ِمتر دارند. اشعه‌هایِ گاما یا در واکنش‌هایِ هسته­ای و یا در فرآیندِ شکل­گیریِ ستارگان در اعماقِ فضا بوجود می‌‌آیند. آزمایشگاه‌هایِ دولتی هم مقدارِ کمی‌ موادی شیمیایی که اشعه­یِ گاما گسیل می­کنند برایِ مصارفِ پزشکی‌ و پژوهشی تولید می­کنند.

  • اشعه­ی گاما در برخی‌ مواردِ ویژه برایِ تشخیص و درمان بعضی‌ بیماری‌ها موردِ استفاده است.
  • مقدارِ بسیار کمی‌ از این اشعه هم (در برخی‌ مواد شیمیایی) در مواردی برای ردیابی‌هایِ زیست­محیطی‌ و جهتِ مانیتور کردن آب و هوا استفاده می­شود.
  • فیزیکدان‌ها هم این اشعه را جهتِ شناختِ ساختِ اتم بکار می­گیرند.
  • رصدخانه­ی ماهواره – تلسکوپیِ اشعه­ی گاما[۲۶] که در سال ۱۹۹۱ به فضا پرتاب شد بنحوِ شگفت­انگیز و نامعلومی میزانِ بالایی‌ از تصاعدِ اشعه‌هایِ گاما را از اعماقِ فضا در گیتی ردیابی کرده­است. این اشعه‌ها و سرچشمه‌های‌شان موضوعِ مطالعه­ی دانشمندانِ حوزه­ی علم هستند.

بطورکلی امواجِ با طولِ­موج‌های کوتاه­تر اشعه‌هایِ پرانرژی­ترِ طیفِ الکترومغناطیس هستند (فرا یا ماورایِ بنفش، اشعه ایکس و اشعه گاما) و بیشترین خطر‌ها را در خود دارند. در سال‌های اخیر اما مباحثِ بسیاری در موردِ خطر‌های اشعه‌هایِ با فرکانسِ بسیار بسیار پایین[۲۷] هم مطرح شده است.

  • امواجی با فرکانس‌هایِ ده‌ها تا هزارها چرخه در ثانیه کارکرد‌هایِ فنی‌ ندارند اما مدام بوسیله­ی وسایلِ الکتریکی‌ و خطوطِ  تراگسیل یا انتقالِ برق[۲۸] در محیطِ زیستِ­ ما تولید می­شوند. حتا دستگاهِ پخش ویدیو و یا صفحه­ی تلویزیون هم اشعه‌هایی‌ با فرکانسِ ۱۵ تا ۳۰ هزار چرخه در ثانیه تولید می­کنند.
  • این روزها پژوهش‌ها و مطالعه‌هایِ بسیاری پیرامونِ خطرات کار و زندگی‌ در نزدیکیِ‌ خطوطِ تراگسیل یا انتقالِ برق و در موردِ خطراتِ بوجودآمدنِ سرطان در آدمی‌ در مشاغلی از قبیل جوشکاری، برق­کاری و بعضی‌ کارهای دیگر که با فرکانس‌هایِ پایین­ترِ طیفِ الکترومغناطیس سر و کار دارند انجام می­شوند.[۲۹]

—————

[۱]

radiation

[۲]

Everitt, C.W.F. James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribners, 1976.

[۳]

generation and use

[۴]

overlap

[۵]

narrow beam

[۶]

point-to-point communication

[۷]

time of the microwave echo

[۸]

stealth technologies

[۹]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.

[۱۰]

imaging

[۱۱]

Goggles for seeing night targets

[۱۲]

heat loss

[۱۳]

Satellites with infrared sensors

[۱۴]

narrow spectrum

[۱۵]

Sobel, M.I. Light. Chicagi, IL: University of Chicago Press, 1989.

[۱۶]

spectrum width

[۱۷]

ultraviolet radiations

[۱۸]

living tissues

[۱۹]

X rays

[۲۰]

Wilhelm Konrad Roentgen

[۲۱]

high-energy electron tube

[۲۲]

fluoresce

[۲۳]

penetrating power

[۲۴]

diffracting off planes of atoms in crystals

[۲۵]

arrangements

[۲۶]

gamma ray observatory

[۲۷]

extremely low frequency radiations – ELF

[۲۸]

power grid

[۲۹]

Hughes, T.P. Rescuing Prometheus. New York: Pantheon Books, 1998.

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.