طیف الکترومغناطیسی چیست

طیف الکترومغناطیسی و نواحی آن

طیف الکترومغناطیسی چیست و نواحی مختلف طیف الکترومغناطیسی چه ویژگی‌هایی دارند: به مجموعه کامل نورهای مختلف، اعم از نورهای مرئی و نامرئی از دید انسان، طیف الکترومغناطیسی (electromagnetic spectrum) می‌گوییم. چشم انسان تنها بخش بسیار کوچکی از طول‌موج‌های طیف الکترومغناطیسی را می‌بیند که به آن نور مرئی می‌گویند. اما بسیاری از دیگر انواع نور از جمله موج‌های رادیویی، ریزموج‌ (مایکروویو)، پرتو فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما برای ما نامرئی هستند. جالب است بدانیم که برخی دیگر از جانداران مثلا زنبورهای عسل بعضی از بخش‌های طیف الکترومغناطیسی را می‌بینند که برای ما قابل دیدن نیست. همه انواع نور با سرعت یکسانی در فضا حرکت می‌کنند. سرعت حرکت نور در خلأ تقریبا ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر در ثانیه (به عبارت دقیقتر، ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر بر ثانیه) است. با چنین سرعتی می‌توان کره زمین را ۸ بار در ثانیه دور زد!

تصویر ۱. طیف الکترومغناطیسی حاوی نورهایی گوناگونی است که نور مرئی فقط بخش کوچکی از آن است. در طیف الکترومغناطیسی نورهایی با طول‌موج‌ها و انرژی‌هایی وجود دارد که چشم انسان قادر به دیدن‌شان نیست (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی روی آن کلیک کنید.)

نور مرئی شامل رنگ‌های رنگین‌کمان است. که از قرمز شروع و به بنفش ختم می‌شود. ما قبل و بعد از این طیف را نمی‌توانیم ببینیم. به نورهایی که طول‌موج‌شان کوتاه‌تر از طول‌موج نور قرمز است، پرتو مادون قرمز یا فروسرخ می‌گوییم. نورهایی که طول‌موج‌شان بیشتر از طول‌موج نور بنفش است، پرتوهای فرابنفش نام دارند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

نور را چگونه می‌سنجیم؟

نور خاصیت عجیبی دارد: هم مثل موج و هم مثل ذره رفتار می‌کند. یعنی هم مثل صوت حرکت موجی دارد و هم مثل ذره‌های مجزا موسوم به فوتون حرکت می‌‌کند. اما در تجزیه‌وتحلیل‌های نجومی، بیشتر رفتار موجی نور موردتوجه است.

چون نور مثل موج حرکت می‌کند، می‌توانید آن‌را به موج دریا تشبیه کنید. هر موج ویژگی‌هایی دارد که ویژگی‌هایش را نشان می‌دهد. یکی از آن‌ها بسامد یا فرکانس است.

• بسامد: تعداد موج‌ها در واحد زمان (ثانیه) را نشان می‌دهد
• طول‌ موج: فاصله بین دو قله متوالی موج یا دو نقطه هم‌شکل متوالی روی موج است
• انرژی موج:

هرچه بسامد موج بیشتر باشد، طول‌ موج آن کوتاه‌تر است و بالعکس، هرچه بسامد موج کمتر باشد، طول موج آن بلندتر است. موجی که بسامد آن بیشتر است، انرژی بیشتری دارد و بالعکس.

نواحی مختلف طیف الکترومغناطیسی

چشم انسان فقط آن بخش از امواج الکترومغناطیسی را تشخیص می‌دهد که بسامدشان ۴۰۰ تا ۷۹۰ تراهرتز یا طول‌موج‌شان حدود ۳۸۰ تا ۷۰۰ نانومتر یعنی تقریبا هم‌اندازه یک ویروس است. مغز انسان انرژی‌های مختلف نور مرئی را بشکل رنگ‌های مختلف تفسیر می‌کند که از قرمز شروع و به بنفش ختم می‌شوند. قرمز کم‌انرژ‌ی‌ترین و بنفش پرانرژی‌ترین نور است. لذا ستاره‌هایی که گرمای کمتری تولید می‌کنند رنگ‌شان سرخ است و ستاره‌های داغ به آبی متمایل هستند. پس علت این‌که ما مثلا جسمی را زرد و جسم دیگر را سبز می‌بینیم این است که این دو جسم نورهایی با بسامدها و انرژی‌های متفاوت از خود منعکس می‌کنند.

تصویر ۲. بسامد و طول موج نواحی مختلف طیف الکترومغناطیسی

همانطور که گوش ما بسیاری از صداها را نمی‌شنود، چشم ما نیز فراتر از نور قرمز و بنفش را نمی‌بیند، چون بسامد بسیاری از امواج صوتی و نوری فراتر از حدی است که گوش و چشم ما بتواند آن‌را تشخیص دهد. یک سر طیف الکترومغناطیسی، موج‌های رادیویی هستند که طول موج آن‌ها میلیاردها بار بلندتر از طول موج نور مرئی است. در سر دیگر طیف الکترومغناطیسی، پرتوهای گاما هستند که طول‌ موج آن‌ها میلیاردها بار کوچکتر از طول موج نور مرئی است.

دانشمندان با شیوه‌های خاص و با کمک تلسکوپ‌ها نورهای خاصی را جداگانه رصد می‌کنند. مثلا، با این‌که چشم ما نمی‌تواند نور فرابنفش ستارگان را ببیند، اما یکی از راه‌های دریافت نور فرابنفش، بهره‌گیری از فیلتر مخصوصی است که روی تلسکوپ بسته می‌شود و نور فرابنفش ستاره را از خود عبور می‌دهد. چنین فیلتری، تمام دیگر نورها را حذف می‌کند و فقط به نور فرابنفش اجازه می‌دهد تا با عبور از فیلتر به حسگر دوربین که به نور فرابنفش حساس است بتابد.

انواع مختلف نور چه اطلاعاتی به ما می‌دهند

ستاره‌شناسان برای مطالعه جهان، تمام طیف الکترومغناطیسی را مطالعه می‌کنند. انواع مختلف نور حاوی اطلاعات گوناگون هستند. مثلا امواج رادیویی و ریزموج‌ها که کمترین انرژی را دارند، به دانشمندان اجازه می‌دهند تا ابرهای بسیار متراکم بین‌ستاره‌ای را واکاوی کنند و حرکت گازهای سرد را ببینند.

نور فروسرخ از بین غبارهای سرد عبور می‌کند و لذا با کمک تلسکوپ‌ فروسرخ می‌توان ستارگانی را که در پس ابرها و توده‌های غبار پنهان شده‌اند، مشاهده کرد و به مطالعه غبارها و گازهای گرم و ستارگان نسبتا خنک پرداخت و مولکول‌های موجود در اتمسفر سیارات و ستارگان را شناسایی کرد.

اکثر ستاره‌ها بیشتر انرژی الکترومغناطیسی خود را بشکل نور مرئی منتشر می‌کنند که چشم ما قادر به دیدن‌شان است. ستاره‌هایی که داغ‌تر هستند نور پرانرژی‌تری منتشر می‌کنند. پس، رنگ ستاره دمای آن‌را نشان می‌دهد. ستاره‌هایی که خنک‌ترند، سرخ هستند و داغ‌ترین ستاره‌ها به‌رنگ آبی می‌درخشند.

نورهای پس از بنفش را نورهای فرابنفش می‌نامند. انرژی نور فرابنفش چنان شدید است که چشم انسان قادر به دیدنش نیست. نور فرابنفش بیشتر در اطراف پرورشگاه‌های ستاره‌ای در «سحابی‌ها» و «کهکشان‌ها» وجود دارد و برای شناسایی داغ‌ترین و پرانرژی‌ترین ستاره‌ها به کار می‌رود.

داغ‌ترین گازها در ستارگان حاوی پرتو ایکس هستند. مواد بسیار داغی که در اطراف سیاه‌چاله‌های فضایی می‌چرخند نیز از خود پرتو ایکس منتشر می‌کنند. ستاره‌های نوترونی یا ابرهای گازی که دمای‌شان چند میلیون درجه سانتی‌گراد است نیز پرتو ایکس می‌پراکنند.

پرتوهای گاما پرانرژی‌ترین بخش از طیف الکترومغناطیسی هستند که نتیجتا کمترین طول موج را دارند. الکترون‌های آزاد و هسته اتم‌هایی که در اثر میدان‌های مغناطیسی قدرتمند ناشی از انهدام ستارگان به‌جای مانده‌اند و همچنین ستاره‌های نوترونی که با هم برخورد می‌کنند و سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم همگی از خود پرتو گاما منتشر می‌کنند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و چگونه کار می‌کند؟

تابش الکترومغناطیسی چیست

منظور از تابش الکترومغناطیسی یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی در هم تنیده است که با سرعت نور منتشر می‌شوند. نور مرئی و امواج رادیویی، پرتو ایکس، پرتو گاما، نور فرابنفش و فروسرخ و مایکروویو همگی بنوعی تابش الکترومغناطیسی هستند که بخشی از طیف الکترومغناطیسی محسوب می‌شوند.

تمام بخش‌های طیف الکترومغناطیسی ماهیت یکسانی دارند و تابش (radiation) محسوب می‌شوند. به جریان یافتن فوتون‌ها تابش می‌گوییم. فوتون‌ها ذرات فاقد جرم هستند که حرکت موجی دارند و همگی با سرعت نور حرکت می‌کنند. هر نوع فوتون، انرژی خاص خود را دارد. مثلا انرژی فوتون‌های نور فرسرخ با انرژی فوتون‌های نور فرابنفش فرق می‌کند.

تصویر ۳. تابش الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی عنوان کلی برای دامنه تابش الکترومغناطیسی است. طول‌موج طیف الکترومغناطیسی از حدود ۱۰^-۱۸ متر تا ۱۰۰ کیلومتر افزایش می‌یابد و بسامد موج‌ها نیز از ۳×۲۰^۲۶ هرتز تا ۳×۱۰^۳ هرتز کاهش می‌یابد.

تمام موج‌های الکترومغناطیسی در خلاء با سرعت یکسان یعنی با سرعت نور حرکت می‌کنند. سرعت نور در خلاء ۲۹۹,۷۹۲,۴۵۸ متر در ثانیه است. هر بخش از طیف الکترومغناطیسی انرژی متفاوتی دارد که با این معادله به دست می‌آید:

E=hf

در معادله مذکور f همان بسامد و h ثابت پلانک است که برابر است با:

H=6.6260693(11) x 10^-۳۴ Js

جدول طول‌موج‌، بسامد و انرژی نواحی طیف الکترومغناطیسی

این جدول طول‌موج‌، بسامد و انرژی‌ نواحی مختلف طیف الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد:

جمع‌بندی: طیف الکترومغناطیسی چیست و نواحی مختلف آن چه ویژگی‌هایی دارند

وقتی از نور حرف می‌زنیم معمولا اولین چیزی که به ذهن‌مان خطور می‌کند، خورشید یا نور چراغ است. نوری که از خورشید یا چراغ منتشر می‌شود، نور مرئی است، یعنی چشم ما می‌تواند طول‌موج‌ آن‌ها را تشخیص دهد. اما باید بدانیم که نور مرئی یا همان نور عادی تنها یکی از انواع نور است و چشم ما انسان‌ها بسیاری از دیگر انواع نور را نمی‌بیند. مثلا ما پرتوهای فرابنفش، فروسرخ و پرتوهای گاما و ایکس را نمی‌بینیم اما تمام این‌ها نوعی نور یا موج الکترومغناطیسی هستند. حتی امواج رادیو که با آن‌ها برنامه‌های رادیویی را دریافت می‌کنید و نیز امواج بی‌سیم تلفن همراه‌ همگی نوعی نور یا پرتو الکترومغناطیسی محسوب می‌شوند. این نورهای مختلف همگی بخشی از طیف الکترومغناطیسی هستند.