مفاهیم اولیه الکترومغناطیس - بخش اول

مفاهیم اولیه الکترومغناطیس - بخش اول

شاید اگر فردی از آشنایان شما مبتلا به سرطان بوده باشد، به شما درباره‌ی این پدیده‌ها و چگونگی کمک آن به از بین بردن بیماری‌اش چیزهایی بگوید. ممکن است همسایه‌ای داشته‌ باشید که در موقع بحث از چنین موضوعی زود به سراغ ارائه‌ی روندهای مربوط به حفاظت در برابر تشعشعات در صورت حمله‌ی احتمالی هسته‌ای برود! اگر از میان دوستانتان هم فردی وجود داشته باشد که به داستان‌های کمیک علاقه‌مند باشد، در آن صورت او به شما در مورد پرتوهای گاما و نقش آن‌ها در تبدیل بروس بنر به هالک (شخصیت داستانی غول‌پیکر که فیلم‌هایی هم از آن ساخته شده است) توضیح خواهد داد. باید بگوییم که برداشت‌های تمامی این افراد به‌نوعی ریشه در ذهنیت و تصور آن‌ها از ذات پدیده‌ی تابش دارد. اما اگر بخواهیم اندکی واقع‌بینانه‌تر بنگریم، می‌توان گفت تابش در شکل‌های بسیار گوناگونی وجود دارد و در تمامی اوقات نیز در اطراف ما روی می‌دهد. این پدیده گاهی خطرناک است و گاهی هم هیچ خطری ندارد.

تابش از پدیده‌هایی است که هم به‌صورت طبیعی و هم به‌صورت مصنوعی (ایجادشده توسط بشر) وجود دارد. بدن ما هرروزه به‌طور طبیعی در معرض تابش‌های طبیعی قرار می‌گیرد؛ از تابش‌های ناشی از خاک و گازهای زیرزمینی گرفته تا تابش‌های کیهانی فرارسیده از خورشید و فضای بیرونی زمین. از طرفی ما همواره در معرض تابش‌های به وجود آمده از دستگاه‌ها و ابداعات بشری قرار داریم؛ مواردی از قبیل دستگاه‌های پزشکی، تلویزیون‌ها، تلفن‌های همراه و امواج مایکروویو فرها. باز هم باید تأکید کنیم که تابش لزوما همیشه خطرناک نیست. خطرناک یا زیان‌آور بودن این پدیده به قدرت، نوع و همچنین طول زمان قرار گرفتن در معرض آن بستگی دارد.

بسیاری از افراد شاید بر این باور باشند که ماری کوری برای نخستین بار پدیده‌ی پرتوزایی را با همکاری شریک زندگی‌اش،پیر کوری کشف کرده است. این گفته درست است؛ اما یک نکته وجود دارد. واقعیت این است که کوری در سال ۱۸۹۸ توانست عنصر رادیوم را کشف کند و همین دستاورد او را به نخستین زن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل در تاریخ علم بدل ساخت. با این حال، سه سال قبل از آن زمان و در سال ۱۸۹۵، دانشمندی به نام ویلهلم رونتگن برای نخستین بار موفق به شناسایی پرتوهای ایکس و همین‌طور پدیده‌ی رادیواکتیویته (فعالیت پرتوزایی) شده بود. البته پرتوزایی عبارتی بود که توسط ماری کوری و بر پایه‌ی واژه‌ی لاتین معادل با «ray» وارد دنیای علم شد. اندکی پس از کشف رونتگن، یک دانشمند فرانسوی به نام هنری بکرل نیز تلاش‌هایی برای پی بردن به منشأ پرتوهای ایکس انجام داد و در طی یک فرایند به این نکته رسید که ماده‌ی اورانیوم می‌تواند اشعه‌‌ یا پرتوی قدرتمندی از خود ساطع کند. ماری کوری در ادامه پژوهش‌های دوره‌ی دکترای خود را بر پایه‌ی یافته‌های بکرل بنا نهاد و همین پژوهش‌ها بودند که در نهایت به کشف عنصر رادیوم منتهی شدند.

تابش در واقع انرژی است که به شکل موج (در اینجا صحبت از تابش الکترومغناطیسی است) یا ذرات با سرعت بالا (تابش زیراتمی) منتقل می‌شود. تابش زیراتمی یا (Particulate radiation) هنگامی روی می‌دهد که یک اتم ناپایدار یا پرتوزا از هم پاشیده می‌شود. از طرفی تابش الکترومغناطیسی (Electromagnetic radiation) دارای هیچ جرمی نیست و در قالب امواج منتقل می‌شود. تابش الکترومغناطیسی می‌تواند از انرژی‌های بسیار پایین تا انرژی‌های بسیار بالا را شامل شود و ما این طیف از تنوع در میزان انرژی را با نام طیف الکترومغناطیسی می‌شناسیم. در داخل طیف الکترومغناطیسی هم دو نوع از تابش وجود دارد؛ تابش‌های یونیزه‌کننده و تابش‌های غیر یونیزه‌کننده.

به‌طور ناراحت‌کننده‌ای باید یادآوری کنیم که آنچه باعث ماندگاری نام ماری کوری در کتاب‌های تاریخ ما شده، همان چیزی است که در نهایت باعث مرگ این دانشمند بزرگ شد. ماری و همسرش در اواخر دهه‌ی ۱۸۹۰ میلادی دچار بیماری‌های مختلفی شدند. ماری دچار عارضه‌ی آب‌مروارید شد که امروزه می‌دانیم یکی از عوارض جانبی تابش‌های مکرر است و در نهایت هم وی تسلیم بیماری آنمی ناشی از اثر تشعشع‌های پیاپی در مغز استخوانش شد.

شاید اندکی سردرگم شده باشید. اما نگران نباشید. ما در بخش‌های آینده تمامی جزئیات و نکات لازم در این زمینه را به‌طور اجمالی بررسی خواهیم کرد.

طیف الکترومغناطیسی

تابش الکترومغناطیسی در واقع به‌منزله‌ی جریانی از فوتون‌هایی است که در امواج منتقل می‌شوند. فوتون یک ذره‌ی بنیادی برای تمامی شکل‌های تابش الکترومغناطیسی است. اما شاید پرسش این باشد که فوتون چیست؟ می‌توانیم بگوییم فوتون یک توده‌ی انرژی از نور محسوب می‌شود که همیشه در حال حرکت است. در واقع، میزان انرژی که یک فوتون با خود حمل می‌کند، باعث می‌شود این ذره گاهی اوقات رفتاری همانند موج و گاهی اوقات هم رفتاری همانند ذره داشته باشد. دانشمندان از این پدیده با نام دوگانگی موجی‌ذره‌ای یاد می‌کنند. فوتون‌های کم‌انرژی همانند آن‌هایی که در امواج رادیویی وجود دارند، دارای رفتاری شبیه موج هستند و در همین حال، فوتون‌های باانرژی بالا همانند پرتوهای ایکس، بیشتر رفتارهای ذره‌ای از خود نشان می‌دهند.

تابش‌های الکترومغناطیسی می‌توانند از میان فضاهای خالی (خلأ) هم عبور کنند. همین امر موجب تمایز این امواج با سایر انواع موج‌ از قبیل موج‌های صوتی می‌شود که نیازمند وجود یک رسانا یا رابط برای انتقال خود هستند. تمامی شکل‌های تابش الکترومغناطیسی در طیف الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند؛ طیفی که در آن تابش‌ها از پایین‌ترین سطح انرژی و بالاترین طول موج به بالاترین سطح انرژی و پایین‌ترین مقادیر طول موج مرتب شده‌اند. هر قدر که انرژی تابش‌ها بیشتر باشد، طبیعتا میزان قدرت آن هم بیشتر است و در نتیجه خطر آن‌ نیز بیشتر خواهد بود. تنها تفاوتی که میان یک موج رادیویی و یک پرتو گاما وجود دارد، در میزان سطوح انرژی فوتون‌های آن‌ها است. در تصویر زیر می‌توانید یک نمای کلی از طیف الکترومغناطیسی را مشاهده کنید.

حال به توضیح بیشتر این طیف می‌پردازیم:

امواج رادیویی

این امواج دارای بزرگ‌ترین میزان طول موج در طیف الکترومغناطیسی هستند و بزرگی آن‌ها به‌اندازه‌ی یک زمین فوتبال نیز می‌رسد. این امواج برای انسان نامرئی هستند. امواج رادیویی همان امواجی هستند که باعث پخش موسیقی از رادیوهای محلی و همچنین رسیدن صدا و تصویر به تلویزیون‌ها و همچنین انتقال سیگنال‌ها به گوشی‌های همراه می‌شوند. البته باید توجه داشت که امواج تلفن‌های همراه دارای طول موج کوتاه‌تری در قیاس با امواج رادیویی هستند؛ اما در قیاس با امواج مایکروویو طول موج بلندتری دارند.

امواج مایکروویو

این امواج نیز مثل امواج رادیویی نامرئی هستند. ما از مایکروویوها برای پختن یا گرم کردن غذایمان در فرهای مخصوص استفاده می‌کنیم. ماهواره‌های ارتباطی همچنین از مایکروویوها برای مخابره‌ی صوت در میان تلفن‌ها استفاده می‌کنند. انرژی امواج مایکروویو می‌تواند باعث نفوذ در دوده‌ها، مه‌ها و ابرها شود و از همین رو برای مخابره‌ی اطلاعات کاربرد دارد. برخی از این امواج در رادارها استفاده می‌شوند؛ همانند رادار دوپلری که هواشناس‌ها در اخبار هواشناسی از آن استفاده می‌کنند.

در کنار همه‌ی این موارد باید اشاره کنیم که تمامی جهان هستی نیز دارای امواج پس‌زمینه‌ی کیهانی با شدتی ضعیف است که دانشمندان آن‌ها را با نظریه‌ی بیگ‌بنگ و رویداد انفجار بزرگ مرتبط می‌دانند.

 تابش فروسرخ

فروسرخ میان بخش مرئی و نامرئی طیف الکترومغناطیسی جای می‌گیرد. کنترل‌های ریموت شما از امواج فروسرخ برای تعویض کانال استفاده می‌کنند. ما همچنین هر روز این امواج را از طریق گرمای رسیده از خورشید حس می‌کنیم. تصویربرداری فروسرخ می‌تواند تفاوت‌های دما بین پدیده‌های مختلف را آشکار کند.

مارها می‌توانند تابش فروسرخ را تشخیص دهند و همین توانایی باعث می‌شود آن‌ها قادر به شناسایی محل قرارگیری طعمه‌های خونگرم خودشان در تمام تاریکی شوند.

نور مرئی

نور مرئی در واقع تنها بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که چشم‌های ما قادر به رؤیت آن‌ها در حالت عادی است. ما طول‌ موج‌های مختلفی از طیف فوق را به‌صورت رنگ‌هایی متفاوت و در قالب رنگ‌های رنگین‌کمان می‌بینیم. خورشید برای نمونه یک منبع نور مرئی طبیعی محسوب می‌شود. هنگامی که ما به جسمی نگاه می‌کنیم، چشم‌های ما رنگ نور بازتاب داده‌شده را می‌بینند و سایر رنگ‌ها تماما توسط جسم جذب می‌شوند.

 تابش فرابنفش

پرتوهای فرابنفش همان پرتوهایی هستند که باعث آفتاب‌سوخته شدن ما می‌شوند. انسان‌ها در حالت عادی قادر به رؤیت امواج فرابنفش نیستند؛ اما برخی از حشرات این توانایی را دارند. لایه‌ی اوزون در اتمسفر کره‌ی زمین بخش عمده‌ای از تابش‌های فرابنفش را مسدود می‌کند و مانع ورود آن‌ها به لایه‌های داخلی‌تر می‌شود. با این حال گفته می‌شود که لایه‌ی اوزون به علت استفاده از CFC-ها رو به تحلیل می‌رود و در نتیجه سطح تابش‌های فرابنفش نیز نسبت به گذشته بیشتر شده است. این امر می‌تواند به برخی عارضه‌های پوستی از جمله سرطان پوست منتهی شود.

پرتوهای ایکس

پرتوهای ایکس در واقع امواج نوری بسیار پرانرژی هستند. ما احتمالا نام آن‌ها را در تجهیزات پزشکی شنیده باشیم. ولی باید توجه کنیم که پرتوهای ایکس به‌طور طبیعی در فضا هم وجود دارند. با این حال جای نگرانی وجود ندارد، زیرا پرتوهای ایکس نمی‌توانند از بخش‌های بیرونی فضا به سطح زمین نفوذ کنند.

پرتوهای گاما

این پرتوها دارای بیشترین میزان انرژی و کمترین میزان طول موج در کل طیف الکترومغناطیسی هستند. انفجارهای هسته‌ای و اتم‌های رادیواکتیو باعث تولید پرتوهای گاما می‌شوند. پرتوهای گاما می‌توانند سلول‌های زنده را بکشند و متخصصان فعال در پزشکی نیز گاهی اوقات از آن‌ها برای از میان بردن سلول‌های سرطانی استفاده می‌کنند. در اعماق فضا، شلیک‌های پی‌درپی پرتوهای گاما به‌طور دائم رخ می‌دهد. اما هنوز هم به‌طور دقیق در مورد سرچشمه‌ی آن‌ها چیزی نمی‌دانیم و این موضوع به‌صورت یک راز باقی مانده است.

در بخش‌های بعدی با تفاوت‌های میان تابش‌های یونیزه‌ کننده و غیر یونیزه‌ کننده آشنا خواهیم شد.