فیزیک و آزمایشگاه
خانه
تصاویر
امواج الکترومغناطیس
تابش الکترومغناطیس
تابش الکترو مغناطیس
امواج الکترومغناطیسی نوعی موج عرضی پیش رونده هستند که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده اند. امواج الکترومغناطیسی را نخستین بار ماکسول پیش بینی کرد و سپس هاینریش هرتز آن را با آزمایش به اثبات رساند. ماکسول پس از تکمیل نظریه الکترومغناطیس، از معادلات این نظریه شکلی از معادله موج را به دست آورد و بنابراین نشان داد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی هم می توانند رفتاری موج گونه داشته باشند. سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی از معادلات ماکسول درست برابر با سرعت نور به دست می آمد، و ماکسول نتیجه گرفت که نور هم باید نوعی موج الکترومغناطیسی باشد. طبق معادلات ماکسول، میدان الکتریکی متغیر با زمان باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود و برعکس .
تابش الکترو مغناطیس
بنابراین اگر یک میدان الکتریکی متغیر میدان مغناطیسی بسازد، میدان مغناطیسی نیز میدان الکتریکی متغیر می سازد و این گونه موج الکترومغناطیسی ساخته می شود و پیش می رود. اما مبدا علم الکتریسیته به 600 سال قبل از میلاد بر می گردد. در آن زمان تالس ملطی متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده های کاغذ را می رباید. از طرف دیگر مبدا علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمی گردد که بعضی از سنگ ها (یعنی سنگ های ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب می کند. این دو علم تا سال 1199 – 1820 به موازات هم تکامل می یافتند.در سال 1199- 1820 هانس کریستان اورستد مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد.
تابش الکترو مغناطیس
بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد . جیمز کلرک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می شناسیم درآورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده می شوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک داراهستند.طیف الکترومغناطیسی،طیف گسترده ای از تمام بسامدهای احتمالی پرتوهای الکترومغناطیسی است. طیف الکترومغناطیسی هر جسم، نشانه پخش پرتوهای الکترومغناطیسی جذب شده ویا تولیدشده توسط آن جسم است. گسترش طیف های الکترومغناطیسی به گونه ای است که از بسامدهای کم مورد استفاده در رادیوهای مدرن گرفته تا پرتوهای گاما با طول موج کوتاه را در بر می گیرد و می تواند طول موج هایی را در هزاران کیلومتر دورتر تا کسری از اندازه اتم پوشش دهد.
تابش الکترو مغناطیس
هرچه بسامد پرتو ها زیاد باشد انرژی افزایش و طول موج آنها کاهش می یابد. به طور کلی امواج الکترومغناطیسی دارای مشخصات زیرمی باشند:
1) امواج الکترومغناطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس، یا طول موج باهم تفاوت دارند.
2) در طیف امواج الکترومغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می توانیم تولید کنیم.
3) برای مقیاس های بسامد یا طول موج، هیچ حد بالا یا پایین تعیین شده ای وجود ندارد.
4) این امواج جزء امواج عرضی هستند و برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
5) قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرا زمینی هستند.
امواج الکترومغناطیس
پرتوگاما
پرتو ایکس
پرتو فرابنفش
پرتو فروسرخ
امواج ریزموج
امواج رادیویی
موج های رادیویی گونه ای موج الکترومغناطیسی است که طول موج آن در طیف الکترومغناطیسی بلندتر از فروسرخ است.موج های رادیویی نیز با سرعت نور حرکت می کنند.موج های رادیویی بصورت طبیعی توسط آذرخش و اجرام فلکی تولید می شوند.موج های رادیویی تولید شده بصورت مصنوعی،در سیستم های ارتباطاتی ثابت و متحرک، رادار و دیگر سیستم های ناوبری، ارتباطات ماهواره ای، شبکه های رایانه ای و بسیاری دیگر کاربرد دارند.فرکانس های مختلف موج های رادیویی، دارای ویژگی های انتشار مختلفی در هواکره زمین هستند.وجودموج های رادیویی برای نخستین بارتوسط جیمز کلرک ماکسول و پس از معادلات ریاضی او در سال ۱۸۶۵ پیش بینی شد.او در مشاهدات برقی و مغناطیسی خود متوجه ویژگی های موجی نور و همانندهای آن شده بود.
امواج رادیویی
او بعدها در معادله های خود مطرح ساخت که موج های نوری و موج های رادیویی،نوعی موج الکترومغناطیسی هستند که می تواننددر فضا حرکت کنند.در سال۱۸۸۷، هاینریش هرتز با ساخت تجربی موج های رادیویی در آزمایشگاه خویش، واقعی بودن سخنان ماکسول را نشان داد.از اختراع های دیگری که به دنبال اختراع رادیو انجام شدمی توان به فرستادن اطلاعات از راه فضا اشاره کرد.که کاربردهای آن به شرح ذیل می باشد:ارتباطات ماهواره ای )کنترل ماهواره ها_تلفن ماهواره ای ( و ارتباطات هوانوردی و دریایی وایمنی عمومی )اورژانس _ پلیس وامداد و نجات) واین موج ها بیشتردر جراحی های کوچک وبرای انعقادخون بکارمی روند.و اما تشعشعات فرکانس رادیویی در سطوحی که توسط تلفن همراه تولید می شود روی کانال های یونی و پروتئین های غشاء نورون ها در مغز شرایط اثر می گذارد.
امواج رادیویی
همچنین می توان به تاثیرآن بر سیستم تولید مثل ( آسیبDNA ، جهش یا انحراف کروموزومی)، تاثیر بر سیستم ایمنی و طول عمر انسان، افت حافظه، تغییرات در حواس ،نوسان فشار خون افسردگی ،درتـحریک پذیری نورونی وعملکرد سیستم عصبی،آلزایمرو… اشاره کرد.
امواج رادیویی
ریز موج ها امواج رادیویی با طول موج هایی به بزرگی یک متر تا طول موج هایی به کوچکی یک میلیمتر را در بر می گیرند.به عبارت دیگر بازه فرکانسی بین MHZ300 تا GHZ 300 را می پوشانند. به امواج الکترومغناطیسی با طول موج کمتر از امواج رادیویی و بیشتر از امواج فروسرخ، ریزموج گفته می شود. چنین به نظر می رسد که طول موج ماکروویو با توجه به نام آن، امواجی در طیف طول موج کمتر از یک میلی متر باشند و طول موج ریزموج ها تقریباً بین ۱ میلی متر (متناظر با بسامد ۳۰۰ گیگاهرتز) تا ۳۰ سانتیمتر (متناظر با بسامد ۱ گیگاهرتز) است.کاربرد های امواج ریز موج عبارتند از : امور مخابرات رادار ، تحقیقات فیزیکی ، داروسازی ، اندازه گیری های صنعتی ، حرارت دادن و خشک کردن محصولات غذایی و کشاورزی و حتی پختن غذا را در بر می گیرد. کاربرد عمده دیگر مایکروویو در سیستمهای رادار است.
امواج ریزموج
این سیستم ها در ردیابی هواپیماها هدایت موشکهای ماورای صوت ، مشاهده و ردگیری توده های هوا و کنترل ترافیک پرواز در فرودگاه ها استفاده می شود. رادار همچنین در آژیرهای دزدگیر ، درب بازکن گاراژ ، و آشکارسازهای سرعت که مورد استفاده پلیس است بکار می رود. و از مضرات آن می توان به این موارد اشاره کرد: وقتی که امواج مایکروویو به مولکول های مواد غذایی برخورد می کنند باعث پاره شدن و تغییر ساختار آنها شده و ماهیت آنان را تغییر می دهد و سپس شما این مولکول هایی را که دیگر مولکول پروتئین نیستند را می خورید و بدن شما یک مولکول ناشناخته را دریافت کرده و بعدا تبدیل به بافت های سرطانی در قسمتهای مختلف بدن می شود.
امواج ریزموج
درضمن خود امواج مایکروویو مانند امواج موبایل ، آنتن های موبایل هم در صورت قرار گرفتن شمادر طولانی مدت باعث پاره شدن رشته های DNA بدن شما می شود و فرزندان ناقص الخلقه ایجاد خواهد شد. از آنجایی که بدن انسان نیز حاوی آب است، می تواند امواج ماکروویو را جذب کند. قرار گرفتن در معرض تابش مستقیم امواج ماکروویو می تواند موجب سوختگی های عمیق بافتی و آب مروارید شود. البته تمام اجاق های نشتی امواج دارند و این بسیار خطرناک است.
امواج ریزموج
تابش فروسرخ یا به عبارت دیگر اشعه مادون قرمز در علم فیزیک به قسمی از طیف امواج الکترومغناطیسی گفته می شود که طول موج آن ها بلندتر از دامنه نور مرئی و کوتاه تر از دامنه امواج رادیویی باشند. امواج فروسرخ در بازه بسامدی ۳۰۰ گیگاهرتز تا ۴۰۰ تراهرتز و طول موج ۱ میلیمتر تا ۷۵۰ نانومتر قرار می گیرند.این پرتو بعد از برخورد با جسم موجب گرم شدن آن می شود. این امواج دسته ای از پرتوهای نامرئی خورشید هستند. به همین سبب وقتی در مقابل نور خورشید قرار می گیریم احساس گرما می کنیم. پرتوی در نمودار طیف الکترومغناطیس بعد از امواج مرئی قرار دارد. این امواج در نمودار بعد از رنگ قرمز در امواج مرئی، که کم ترین شکست را نسبت به بقیه رنگ ها دارد قرار می گیرد. به همین سبب به آن ها امواج فروسرخ یا مادون قرمز می گویند.
پرتوی فروسرخ
و از کاربرد های آن می توان به:ریموت دستگاه ،تلفن همراه ،فیزیوتراپی،ابزار های دید در شب و دوربین های مادون قرمز، پیش بینی وضع هوا اشاره کرد. و همچنین این اشعه خاصیت تسکین درد را نیز دارد که علت آن همان اتساع عروق و بهتر انجام گرفتن عمل رفع سموم و تغذیه بافتها است.
و اما از مضرات این پرتو می توان به سوختگی های شدید و تیرگی در پوست،گرم شدن پوست و نسج سلولی زیر جلدی و آب مروارید وسوختگی شبکیه اشاره کرد.
پرتوی فروسرخ
پرتو فرابنفش یا به اختصار UV دامنه موجی است در گستره امواج الکترو مغناطیسی با دامنه طول موجی کوتاه تر از نور مرئی، ولی بلند تر از پرتو ایکس . پرتو فرابنفش به گونه ای کاملاً اتفاقی با مشاهده تغییر رنگ و تیرگی املاح نقره در مقابل نور مستقم آفتاب کشف گردید. در سال ۱۸۰۱ دانشمند آلمانی، یوهان ویلهلم رییتر بر اثر مشاهداتش توجه نمود که تابش های فرابنفش، که نامرئی هستند، عامل اساسی در تیرگی صفحات کاغذ آغشته به کلرید نقره می باشند. او در آن زمان این پدیده را «پرتوهای شیمیایی» نامید. خورشید ساطع کننده پرتو فرابنفش در هر سه باند UVA ، UVB و UVC به مقدار فراوان است ولی به سبب ویژگی جذب UV در لایه اوزون اتمسفر، ۹۹% تابش فرابنفشی که به زمین می رسد از نوع باند کمتر مضر UVA است.
پرتوی فرابنفش
و اما از کاربرد های پرتوی فرابنفش می توان به لامپ های فلورسنت که قادرند که با یونیزه نمودن بخار جیوه پرتو فرابنفش تولید کنند. (لایه ای فسفری در داخل تیوپ همراه با جذب تابش فرا بنفش است که آنرا تبدیل به نورمرئی می نماید) اشاره کرد. همچنین درستاره شناسی،گندزدا وضدعوفونی کننده پساب در تصویه خانه های شهری ،تحریک پوست جهت تولیدویتامین D،کنترل حشرات، فیزیوتراپی وبرای ضد عفونی آب، موادخوراکی، تجهیزات پزشکی و لوازم صنعتی و غیره از پرتوی فرابنفش استفاده می شود. اما این پرتو نیز مانند پرتو های قبلی علاوه بر کاربرد های فراوان علمی ، پزشکی و صنعتی مضراتی هم دارد.از جمله ی این مضرات می توان به آسیب های حاد و مزمن پوستی، مانند آفتاب سوختگی، تاول زدن و پیری زودرس پوست و حتی سرطان پوست و آسیب های بینایی مانند: آب مروارید،سوختگی و … .
پرتوی فرابنفش
پرتو ایکس یا اشعه ایکس نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج حدود ۰/۰۱ تا ۱۰ نانومتر معادل با ۳۰ پتاهرتز تا ۳۰ اگزاهرتز و انرژی بین ۱۰۰ الکترون ولت تا ۱۰۰ کیلو الکترون ولت است. پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم کنراد رونتگن،فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس نامیده شد. یعنی با قرار دادن آن در میدان های مغناطیس و الکتریکی به هیچ وجه منحرف نمی شود. این پرتو قدرت نفوذ بسیاری دارد و تقریباً از هر چیزی به جز استخوان و فلز اوربیتال می گذرد. که در هنگام برخورد الکترون های با سرعت بالا به فلزات، الکترون های لایه های پایین تر به لایه های بالاتر منتقل شده (اتم ها برانگیخته می شوند) و در هنگام برگشت الکترون ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می کنند.
پرتوی ایکس
پرتو ایکس در اثر بمباران ماده با الکترون های پرانرژی پدید می آید. هنگام برخورد الکترون ها به اتم های ماده، انرژی الکترون های بمباران کننده، به الکترون اتم های ماده منتقل می شود و بنابراین اتم های ماده برانگیخته خواهند شد. اتم برانگیخته شده، در بازگشت به حالت ابتدایی، باید انرژی خود را از دست بدهد. این برگشت، همراه با تابش یک پرتو (پرتو ایکس) خواهد بود. در پزشکی از اشعه ی ایکس بیشتر برای عکسبرداری از استخوان ها واندام های درون بدن استفاده می شود. پزشکان، با بررسی این عکس ها، می توانند جای استخوان های شکسته یا اندام های آسیب دیده را تشخیص بدهند. دندانپزشکان، با بررسی آنها، می توانند به جای پوسیدگی دندان ها و چگونگی ریشه آنها پی ببرند. اشعه ی ایکس در درمان سرطان نیز کاربرد فراوان دارند. این اشعه سلول های سرطانی را زودتر از سلول های سالم از میان می برند.
پرتوی ایکس
اگر به یک غده ی سرطانی به اندازه ی لازم اشعه ی ایکس بتابانند، آن غده سرانجام، بی آنکه به سلول های سالم آسیب زیاد برسد، ازمیان می رود. درمان به وسیله ی اشعه ی ایکس را رادیوتراپی می نامند. دستکش ها و سرنگ های جراحی را با استفاده از این اشعه ضد عفونی می کنند. این گونه وسیله و ابزارها را نمی توان با حرارت دادن یا جوشاندن ضدعفونی کنند، زیرا فوری خراب می شوند.در صنعت، برای بازرسی محصولات فلزی مختلف، مانند آلومینیوم و فولاد، که به صورت ریخته گری تهیه شده اند از اشعه ی ایکس استفاده می شود. عکس هایی که از این راه تهیه می شوند حفره های ریز و شکستگی های درون قطعه های فلزی را که از سطح دیده نمی شوند آشکارمی کنند. برای بازرسی محصولاتی که به میزان زیاد تولید می شوند، مانند ترانزیستورها و قطعه های الکترونیکی کوچک، نیز اشعه ی ایکس به کارمی برند.
پرتوی ایکس
در فرودگاه هاو مکان هایی که بار مسافران را بازرسی می کنند، برای پیدا کردن اسلحه یا چیزهای ممنوع دیگر، چمدان ها و بارهای مسافران را از برابر اشعه ی ایکس می گذرانند. دانشمندان برای بررسی ساختمان بعضی از مواد شیمیایی پیچیده، مانند آنزیم ها و پروتئین ها و همچنین برای تولید مصنوعی آنها از اشعه ایکس استفاده می کنند.اما علاوه بر این کاربرد ها، اشعه ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و می تواند آسیب های زیستی قابل توجهی را پدید آورد. این آسیب ها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی می باشند.
پرتوی ایکس
گاما پرتویی الکترومغناطیسی با بسامد بالا و در نتیجه انرژی بالاست که این اشعه طول موج هایی کوتاه تر از طول موج نور و اشعه ایکس دارد.جرم آن در مقیاس اتمی صفر، سرعت آن برابر سرعت نور، بار الکتریکی آن صفر است. انرژی اشعه گاما از ۱۰ کیلو الکترون ولت تا ۱۰ مگا الکترون ولت تغییر می کند. اشعه گاما به هنگام فروپاشی هسته عناصر رادیو اکتیو به وجود می آید.هسته رادیو اکتیو وقتی اشعه گاما تابش کند مقداری از انرژی خود را از دست میدهد ولی در ساختمان آن تغییری به وجود نمی آید. هر چه هسته رادیو اکتیو اشعه گاما با طول موج کمتر تابش کند انرزی تابشی آن بیشتر و توانایی نفوذ آن زیادتر میشود. اشعه گاما پرتویی یونی و در نتیجه برای سلامتی مضر است.
پرتوی گاما
پرتو گاما بطور معمول در نتیجه فروپاشی حالت های انرژی بالای هسته های اتم تولید می شود، اما روش های دیگری نیز برای تولید آن وجود دارد. پل ویلارد دانشمند فرانسوی در سال ۱۹۰۰ در حین مطالعه رادیوم موفق به کشف اشعه گاما شد. برد اشعه گاما بسیار زیاد است.
مثلاً در هوا چندین متر است.خاصیت ایجاد یونیزاسیون وبرانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است.(اشعه گاما هنگام عبور از مواد با اتم های آن برخود می کند وگاه براثر این برخوردها ممکن است الکترون ها از اتم های این مواد جدا شوند و یون تولید کنند.این فرایند را یونیزاسیون یا یونش گویند).
قدرت نفوذ و تخریب این اشعه بسیارزیاد است.
پرتوی گاما
اما به طور کلی تولید این اشعه در پدیده های اخترفیزیکی به شکل موارد زیر می باشد:
1) واپاشی هسته های رادیو اکتیو در انفجارات ابرنو اختری
2) در واکنش های اشعه کیهانی
3) تابش انحناء در میدان های مغناطیسی بسیار قوی
4) برخورد ذرات ماده و ضد ماده
ماه، منبع پرتو گاما(حتی قویتر از خورشید) در منظومه شمسی ماست. خورشید به تنهایی میزان بسیار اندکی پرتو گاما تولید می کند (البته به جز شراره های خورشیدی) چرا که انرژی کافی برای شتاب دادن ذرات را ندارد. پرتوهای گامای رصد شده از ماه نیز از برهم کنش مابین امواج کیهانی و سطح ماه تولید و ساطع می شوند.
پرتوی گاما
چنین اتفاقی بصورت مشابه در خورشید هم شاید رخ بدهد اما میدان مغناطیسی خورشید، مانع از آن می شود تا این امواج کیهانی به سطح آن برسند. چنین بر هم کنش هایی همچنین باعث می شوند تا جو زمین از لحاظ پرتوهای گاما بسیار درخشان به نظر برسد. این پرتو نیز با توجه به فرکانس بسیار بالا، انرژی زیادی دارد که اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب ماده دزوکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا همان DNA شده و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان ها، سندرم ها ونقایص غیر قابل درمان دیگر فراهم می کند وحتی این نقایص به نسل های آینده نیز منتقل خواهد شد.اما این پرتو علاوه بر بیماری های یاد شده کاربرد هایی نیز دارد. از این اشعه می توان برای درمان برخی بیماریهای سرطانی و نارحتی های پوستی استفاده کرد.
پرتوی گاما
همچنین در فیزیوتراپی نیز از اشعه گاما استفاده می شود. درمان به وسیله اشعه گاما را رادیوتراپی می نامند. در صنعت نیز از اشعه گاما که از رادیم و کبالت رادیواکتیو با قدرت زیاد تابش می شوند، برای پیدا کردن حفره های ریز و شکستگی های قطعات فلزی استفاده می کنند. از مهم ترین کاربردهای دیگر پرتو گاما در پزشکی می توان به استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی مانندسرنگ که قابل استریل شدن در دمای بالا نیستند و همچنین تولید کیسه های سرم اشاره کرد.و همچنین کاربرد دیگر این اشعه را در چاقوی گاما مشاهده کرد. چاقوی گاما یا همان گاما نایف در حقیقت یک چاقو نیست بلکه نام تجاری و ثبت شده وسیله ایست برای اعمال اشعه گاما با شدت بالا که به صورت هدف گیری نقاط مشخصی از ضایعات به کار می رود. این اشعه گاما از ماده رادیو اکتیو کبالت ۶۰ منتشر می شود.
پرتوی گاما
در سوئد برای بیشتر از 20 سال است که مورد استفاده و توسعه قرار گرفته و هم اکنون در کشورهایی چون آمریکا موجود است. برای بیمارانی که دارای تومور مغزی خوش خیم و یا دارای رگهای غیر عادی غیر قابل جراحی (به دلیل عمیق ودر دسترس نبودن ویا نزدیک بودن به نقاط حیاتی مغز) هستند، استفاده می شود. این روش بصورت سر پایی است و نیازی به جراحی و بیهوشی ندارد و در حدود 2 تا 3 ساعت به طول می انجامد.
پرتوی گاما
تصاویر
تصاویر
تصاویر
تصاویر