امواج الكترومغناطیسی

همانطور که قبلا هم گفتیم، امواج الكترومغناطیسی دسته مهمی از امواج هستند و متفاوت و مستقل از امواجی مثل صدا، موج روی سطح آب و ... که امواج مکانیکی محسوب می شوند، هستند. در زندگی روزمره همان نوری که ما می توانیم ببینیم، جز امواج الكترومغناطیسی است. بطور خلاصه، امواج الكترومغناطیسی نوسانات میدان های الكتریكی و مغناطیسی عمود برهم هستند كه در فضا به صورت امواج عرضی انتشار پیدا می كنند. برای آنکه ببینیم چگونه ممکن است امواج الكترومغناطیسی  یا همان نوسانات میدان های الكتریكی و مغناطیسی بوجود بیایند، مثال بعدی را در نظر می گیریم. فرض کنید مطابق شکل بعدی یک میله فلزی باردار داشته باشیم که سر بالای آن بار +Q و سر پایین آن بار -Q داشته باشد. با توجه به مطالب بحث شده در بخش نیروی الکتریکی، به یک بار مثبت واحد ( بار آزمون) واقع بر روی عمود منصف میله توسط سر بالای میله نیرویی مثل نیروی F₁ و توسط سر پایین میله نیرویی مثل نیروی F₂ که راستا وجهت آنها در شکل نمایش داده شده است، وارد خواهد شد. نیروی خالص وارده بر بار آزمون از جمع برداری نیروهای F₁ و F₂ بصورت نیروی F نتیجه خواهد شد که با توجه به مطالب بحث شده در بخش میدان، نیروی F همان میدان الکتریکی حاصل از میله در محل بار آزمون است.

حال در صورتیکه فرض کنیم، جای بارهای +Q و -Q عوض شود، نیروی F یا همان میدان الکتریکی حاصل از میله در محل بار آزمون یاد شده بصورت زیر خواهد بود:

همانطور که دو شکل قبلی نشان می دهند، در صورت جابجا شدن سرهای مثبت و منفی میله میدان الکتریکی میله در محل بار آزمون یاد شده معکوس می شود. با بررسی می توان نشان داد که این مطلب علاوه بر محل بار آزمون یاد شده برای تمای نقاط فضا صادق است.در صورتیکه این جابجایی سرهای مثبت و منفی میله بتدریج باشد( بعبارتی بتدریج بار مثبت یا منفی در یک سر کاهش یابد، به صفر برسد، بار مخالف در آن سر شروع به افزایش کند، به ماکزیمم خود برسد و دوباره روند کاهش و معکوس شدن را طی کند)، بایستی معکوس شدن میدان در هر نقطه از فضا هم بتدریج صورت گیرد و مطابق شکل بعدی باشد. بعبارتی با جابجایی سرهای مثبت و منفی میله، میدان الکتریکی در هر نقطه بین دو ماکزیمم در دو جهت کاملا مخالف نوسان می کند.

توضیح شکل: نوسانات میدان الکتریکی هر نقطه از فضا بعلت جابجایی سرهای مثبت و منفی میله. شکل میدان الکتریکی یک نقطه از فضا را در زمانهای متوالی بصورت پشت سر هم نشان می دهد.

در فیزیک بحث می شود که میدان الکتریکی متغیر با زمان، میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد می کند. بعبارتی نوسانات میدان الکتریکی، نوسانات میدان مغناطیسی ایجاد می کند. بنابراین در مثال قبلی هر نقطه از فضا علاوه بر نوسانات میدان الکتریکی، نوسانات میدان مغناطیسی را هم خواهد داشت. این نوسانات عمود بر هم خواهند بود و بصورت موج در فضا در جهت عمود بر نوسانات شروع به انتشار خواهند کرد. شکل بعدی نمایشی برای این مطلب است.

در مثال قبلی تولید امواج الکترومغناطیسی را بخاطر جابجا شدن سرهای مثبت و منفی یک میله باردار را دیدیم. بطور کلی حرکت شتابدار ذرات باردار امواج الکترومغناطیسی تولید و نشر می کند. در این راستا الکترونها که ذرات باردار سبکی هستند، براحتی تحت تاثیر عوامل مختلف با مکانیزمهای متفاوت حرکات شتابدار انجام می دهند و امواج الکترومغناطیسی تولید و نشر می کنند. بعنوان مثال اتمها و مولکولها که از ذرات باردار مثل الکترونها تشکیل شده اند و در دماهای بالاتر از صفر کلوین حرکات انتقالی، دورانی و ارتعاشی شتابدار می توانند انجام دهند، از خود امواج الکترومغناطیسی نشر می کنند که مقدار نشر آنها با افزایش دما و افزایش سرعت و شتاب حرکات آنها افزایش می یابد. از این رو است که فلزی مثل آهن در دماهای بالا شروع به تابش و درخشش می کند.

همانطور که بحث کردیم، امواج الكترومغناطیسی به خاطر ذرات با قابلیت برهم كنش های الكترومغناطیسی بوجود می آیند ( مثلاً حركت یك ذره باردار به صورت شتابدار)، از طرفی امواج الكترومغناطیسی مواد با قابلیت برهم كنش الكترومغناطیسی را می توانند تحت تأثیر قرار دهند. به طور خلاصه امواج الكترومغناطیسی حامل انرژی برای برهم كنش های الكترومغناطیسی هستند. برای تغییر سطح انرژی پتانسیل ذرات مربوط به نیروهای الکتریکی و مغناطیسی ( جاذبه و دافعه های برهم كنش های الكترومغناطیسی) باید با آنها انرژی مبادله كنیم. این انرژی می تواند توسط امواج الكترومغناطیسی انتقال داده می شود.

تمام امواج الكترومغناطیسی در خلاء با سرعت یکسان، سرعت نور (c= 299792458m/s یا بطور خلاصه c= 3 × 10⁸ m/s) منتشر می شوند. در محیط های مادی سرعت امواج الكترومغناطیسی كمتر از سرعت حركت آنها در خلاء است. با توجه به اینکه حاصلضرب فرکانس و طول موج برای امواج برابر سرعت انتشار موج است و برای تمام امواج الكترومغناطیس در خلا سرعت انتشار برابر سرعت نور است، رابطه طول موج و فركانس تمام این امواج با هم در خلا بصورت زیر خواهد بود:

مثال: امواج الكترومغناطیس با فركانس  را در نظر بگيريد.

الف) طول موج اين امواج را بدست آوريد.

ب) تعداد نوسانات كامل ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي هر نقطه از فضا که تحت تأثير اين امواج قرار دارد، را در مدت یک ساعت بدست آوريد.

ج) تعداد موجهاي كامل اين امواج الكترومغناطیس را در فاصله ای به طول  بطور تقريبي بدست آوريد.

حل:

الف) برای محاسبه طول موج بصورت زیر عمل می کنیم:

ب) هر نقطه در مدت زمان یک دوره تناوب یک نوسان کامل انجام می دهد. دوره تناوب هم برابر معکوس فرکانس است، پس برای محاسبه تعداد نوسانات كامل در مدت زمان یاد شده بصورت زیر عمل می کنیم:

ج) طول هر موج کامل برابر یک طول موج است، پس برای محاسبه تعداد موجهای كامل در فاصله یاد شده داریم:

*****

با توجه به یكسان بودن سرعت انتشار تمام امواج الكترومغناطیس در خلاء طول موج و فركانس این امواج با هم رابطه معكوس دارند و با افزایش فرکانس، طول موج حتما کاهش می یابد و بالعکس. بعبارت دیگر امواج الكترومغناطیسی که فرکانس بیشتری دارند، طول موج کمتری دارند و بالعکس. براساس مقادیر طول موج و فرکانس می توان امواج الکترومغناطیس را طبقه بندی نمود. به ترتیب کاهش طول موج امواج الکترومغناطیس به امواج رادیویی (Radio Waves)، میکروویو (Microwaves)، تابش مادون قرمز یا فرو سرخ (Infrared Radiation or IR)، نور مرئی (Visible Light)، تابش فرابنفش (Ultraviolet Radiation or UV)، اشعه های X (X-Rays) و اشعه های گاما (γ Rays) طبقه بندی می شوند. شکل بعدی این طیف امواج الکترومغناطیس را بهمراه محدوده تقریبی فرکانس و طول موج هر دسته نشان می دهد. همانطور که در شکل نیز دیده می شود، ناحیه نور مرئی یا امواج الكترومغناطیسی که توسط چشم انسان قبل تشخیص هستند، طول موجی در محدوده 400nm تا 700nm دارد. البته منابع گوناگون محدوده طول موج نور مرئی را بصورت محدودتر ( تا 420nm-680nm) یا بصورت وسیعتر ( تا 380nm-800nm) نیز گزارش کرده اند. در ضمن محدوده های یاد شده محدوده هایی هستند که بیشتر مردم در شرایط مختلف بطور راحت می توانند ببینند. مگرنه در شرایط ایده آل مردم می توانند تا طول موجهای حداقل 1050nm ببینند. همچنین کودکان و جوانان می توانند طول موجهای پایین تری تا 310nm ببینند.  

چشم انسان در محدوده نور مرئی می تواند تعداد رنگهای زیادی ( از مرتبه صد) تشخیص دهد. برخی از این رنگها مربوط به یک طول موج هستند ( مثل قرمز)، در حالیکه برخی دیگر از ترکیب طول موجهای کمابیش متفاوت نتیجه می شوند ( مثل صورتی). رنگهای مربوط به یک طول موج در طیف مرئی حضور دارند و رنگهای طیفی خالص ( مثل قرمز و بنفش) نامیده می شوند. رنگهای ترکیبی در طیف مرئی حضور ندارند، اما مربوط به ترکیب رنگهای حاضر در طیف مرئی هستند، مثلا رنگ صورتی از ترکیب قرمز و بنفش بدست می آید. رنگهای حاضر در طیف مرئی بصورت پیوسته تغییر می کنند و مرز دقیقی برای هر رنگ وجود ندارد. نیوتن طیف مرئی را شامل هفت رنگ قرمز (Red)، نارنجی (Orange)، زرد (Yellow)، سبز (Green)، آبی (Blue)، نیلی (Indigo) و بنفش (Violet) در نظر گرفت ( که این رنگ ها در رنگین کمان یا نور عبور داده شده از منشور براحتی قابل مشاهده هستند)، با این وجود در مورد در نظر گرفتن نیلی بعنوان رنگ طیفی خالص جداگانه بعلت شباهت با آبی بحث وجود دارد و معمولا در طیف مرئی در نظر گرفته نمی شود. محدوده های تقریبی طول موج برای شش رنگ باقیمانده می تواند بصورت قرمز : 620-750nm ، نارنجی: 590-620nm ، زرد: 570-590nm ، سبز: 495-570nm ، آبی: 450-495nm و بنفش: 380-450nm در نظر گرفته شود.

به نور می توان هم نگرش موجی و هم نگرش ذره ای داشت. به عبارتی برای نور می توان هم خصلت موجی و هم خصلت ذره ای در نظر گرفت. در خصلت موجی نور فرض می شود نور نوسانات میدان های الكتریكی و مغناطیسی است که با این نگرش در بحث های قبلی آشنا شدیم. برای توجیه پاره ای از ویژگیهای نور یا امواج الکترومغناطیسی دانشمندان مجبور شدند آنها را متشکل از ذرات در نظر بگیرند. در ابتدا ماکس پلانک (Max Planck) نور یا امواج الکترومغناطیس را متشکل از بسته های انرژی گسسته و مجزا از هم در نظر گرفت. بعدها آلبرت اینشتین مطرح کرد که با این بسته های انرژی بایستی بعنوان ذرات حقیقی برخورد شود. این بسته های انرژی یا ذرات حقیقی که نور یا امواج الکترومغناطیس از آنها تشکیل شده است، بعدها فوتون (Photon) نامیده شدند. شکل بعدی نمایشی از تفاوت این دو نگرش است.

برمبنای نگرش ذره ای به نور انرژی هر فوتون از رابطه ی زیر حساب می شود:

 = انرژی هر فوتون

h = ثابت پلانك  = 6.63 × 10 ^-34 J .s

در صورتیکه n فوتون یکسان داشته باشیم، انرژی کل n فوتون از حاصلضرب n و انرژی هر فوتون بدست خواهد آمد:

E=nhν =انرژی کل

ماکس پلانک (Max Karl Ernst Ludwig Planck (April 23, 1858 – October 4, 1947))

مثال: فرکانس و انرژی هر فوتون با طول موج  500 نانومتر را بدست آورید.

حل:

*****

مثال: برای گرم کردن 15 گرم آب از دمای 22 درجه سانتیگراد تا 40 درجه سانتیگراد نیازمند چند فوتون با طول موج  200 میکرومتر هستیم؟ ظرفیت گرمایی ویژه آب برابر یک کالری بر گرم بر درجه سانتیگراد است.

 حل:

*****

مثال: در پدیده فوتوالکتریک نور به سطح فلز تابانیده می شود و انرژی تابشی صرف جدا کردن سست ترین الکترون های فلز میشود. مقدار حداقل انرژی لازم برای جدا کردن الکترون از سطح هر فلز تابع کار آن فلز نامیده می شود. در صورتیکه انرژی فوتون تابانیده شده به سطح فلز برابر یا بیشتراز تابع کار فلز باشد، فوتون تابانیده شده جذب الکترونی که بدان برخورد کرده می شود و قسمتی از انرژی فوتون برابر با تابع کار فلز صرف کندن الکترون از سطح فلز میشود و مازاد انرژی فوتون صرف افزایش انرژی جنبشی الکترونهای کنده شده میشود. بر این اساس به سوال های زیر پاسخ دهید:

الف) در صورتیکه تابع کار یک فلز برابر  15 الکترون ولت باشد، حداکثر طول موج و حداقل فرکانس مورد نیاز برای کندن الکترون از سطح فلز را بدست آورید.

ب ) اگر از موج با طول موج 1nm استفاده شود، انرژی جنبشی e های كنده شده را حساب كنید.

1ev = 1.6 × 10 ^-19 J

حل:

الف) حداکثر طول موج و حداقل فرکانس مورد نیاز برای کندن الکترون از سطح فلز، طول موج و فرکانس فوتونی است که کندن الکترون از سطح فلز را با کمترین انرژی ممکن انجام می دهد. با توجه به توضیحات مسئله انرژی این فوتون برابر تابع کار فلز است. پس برای محاسبه حداکثر طول موج و حداقل فرکانس به صورت زیر عمل می کنیم:

ب) با توجه به توضیحات مسئله اختلاف انرژی فوتون پرانرژی و تابع کار فلز به صورت انرژی جنبشی e های كنده شده در می آید، پس داریم:

*****

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||