ما هى الموجات الكهرومغناطيسية و العلاقات الرياضية و ماكس بلانك

الموجات الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic radiation‏) وتقرأ اختصارا (EMR)، هي ظاهرة تأخذ شكل انتشار الذاتي للموجات في الفراغ أو المادة. وتتكون من عنصرين أو مجالين، هما مجال كهربائي وآخر مغناطيسي، ويتذبذبان بشكل عمودي على بعضهما البعض ويتعامدان على اتجاه القوة. تصنف الموجة الكهرومغناطيسية إلى عدة أنواع حسب التردد الموجة؛ منها (حسب زيادة الموجة ونقصان في الطول الموجي): موجة راديوية وموجات صغرية وأشعة تيراهيرتز وأشعة تحت الحمراء وطيف مرئي وأشعة فوق بنفسجية وأشعة سينية بالإضافة إلى أشعة غاما. هناك نافذة صغيرة من الترددات الموجية تحس بها أعين الكائنات الحية، وهو مايسمى بالطيف المرئي أو الضوء.
تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة والزخم الزاوي الممنوحة للمادة التي يتفاعل معها
يرجع الفضل في اكتشافها إلى العالم جيمس ماكسويل الذي وضع فرضية نشوء الموجات الكهرومغناطيسية سنة 1864 م، فقد كان معلوما حسب قانون فرداي أن المجال المغناطيسي المتغير ينتج (يحرض) مجالا كهربائيا متغيرا. فقام ماكسويل بصياغة قوانين حركة تلك الموجات الكهرومغناطيسية وهي المعروفة بمعادلات ماكسويل. ثم أثبت هنريك هيرتز لاحقا صحتها - أن المجال الكهربائي المتغير ينتج بدوره مجالا مغناطيسيا متغيرا، وبالعكس فالمجال الكهربي يولد أيضا مجالا مغناطيسيا. وهكذا تنشأ الموجات الكهرومغناطيسية بقسميها الكهربائي والمغناطيسي. وهي تستطيع قطع مسافة كبيرة جدا وبسرعة كبيرة جدا هي سرعة الضوء دون أن تعاني اضمحلالا في الفضاء. ولأن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ ماكسويل في المعادلة تتزامن مع سرعة الضوء المقاسة، مما استنتج ماكسويل بأن الضوء نفسه هو موجة كهرومغناطيسية.
قام هنريك هيرتز سنة 1887 بعد موت ماكسويل بسبع سنوات بتجربة حيث بنى دارتين كهربيتين غير متصلتين تعملان على نفس التردد فوجد أنه عند تغذية إحديهما بتيار كهربي يتولد في إثرها تيار في الدائرة الأخرى، فأثبت العالم هرتز بالتجربة هذه النظرية الرياضية البحتة بعد سبعة سنوات من وفاة ماكسويل.
و في عام 1901 نجح ماركوني لأول مرة في إرسال موجات كهرومغناطيسية عبر المحيط الأطلسي بواسطة دارة كهربائية، أمكن استقبال الموجات عبر المحيط.

موجة يتغير فيها المجال الكهربي متعامدة على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي. وتنتشر الموجة في الإتجاه العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين)


في هذا الشكل التوضيحي k إتجاه انتشار الموجة، B المجال المغناطيسي المتردد، E المجال الكهربي المتردد، كما يوضح الشكل طول الموجة (لامدا). يمكن تعريف طول الموجة بأنها المسافة بين قاعين متتاليين للموجة أو المسافة بين قمتين متتاليتين للموجة

تنقسم الأشعة الكهرومغناطيسية إلى قسمين طبيعية وصناعية ولكنهما متماثلين في خواصهما :

• اللأشعة الكهرومغناطيسية الطبيعية مثل الضوء والأشعة السينية التي تنتج من أغلفة بعض الذرات ،وأشعة جاما التي تصدر من أنوية الذرات ذات النشاط الإشعاعي.
  
  
  

• اللأشعة الكهرومغناطيسية التي ولدها الإنسان :
  
  
  

• وتوجد استخدامات كثيرة للأشعة الكهرومغناطيسية التي يوّلدها الإنسان. منها الإضاءة، جميع أنواع اللمبات يـُصدر ضوءا عبارة عن موجات كهرومغناطيسية. والراديو، والتلفزيون، والرادار، والمحمول الخلوي، وغيرها. كما أن الاتصال بين الأرض ورواد الفضاء، وكذلك توجيه مركبات الفضاء والمركبات المتحركة التي يرسلها الإنسان إلى الكواكب المحيطة بنا مثل المريخ والقمر، كل هذه الاتصالات تتم بواسطة الأشعة الكهرومغناطيسية.
  
  
  

رسم توضيحي لتعامد المجالان الكهربي E والمغناطيسي M في موجة كهرومغناطيسية.

 العلاقات الرياضية و ماكس بلانك

أثبت العالم الألماني ماكس بلانك عام 1900 من خلال دراسته لإشعاع الجسم الأسود أنه توجد علاقة بين طاقة الشعاع وطول موجته. فإذا رمزنا لطول الموجة شعاع ب () فإن الطاقة المقترنة بها E (طاقة الشعاع) تعطى بالعلاقة :
E = h c / 
حيث h ثابت طبيعي يسمى ثابت بلانك،
و c سرعة الضوء في الفراغ (وهي أيضا ثابت طبيعي).
كما أن الطاقة ترتبط مع التردد بالعلاقة التالية:
E = h ν
حيث ν التردد.
كما يرتبط تردد موجة كهرومغناطيسية بطول موجتها بالعلاقة (المعروفة أيضاً عن الصوت):
. ν = c
حيث c سرعة الضوء في الفراغ.
حساب طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي

علاقة بلانك المذكورة أعلاه تعطينا العلاقة بين طاقة الشعاع وتردده:
E = h ν
حيث ν التردد، و h ثابت بلانك.
نريد بواسطة تلك المعادلة حساب طاقة شعاع من وسط قمة منحنى بلانك لأشعة الشمس وليكن شعاع ذو طول موجة 500 نانو متر.
حساب طول الموجة بالمتر = 500. 10-9 متر
= 5. 10-7 مترونحسب تردد الشعاع من العلاقة :
تردد الشعاع = سرعة الضوء (متر/ ثانية) ÷ طول الموجة (متر) = 3.108 (متر/ ثانية) ÷ 5.10-7 (متر) = 6.1014 (1/ثانية) أو هرتزثابت بلانك = 6,6. 10-34 جول. ثانية
= 6,6. 10-27 إرج. ثانية= 3,9. 10-15 إلكترون فولت. ثانية (s. eV)يستعمل الفيزيائيون في هذه الحالة ثابت بلانك كوحدة (الإلكترون فولت. ثانية) لتسهيل الحساب، حيث أن المقدار (بالجول.ثانية) صغير جدا.
نعوض الآن في معادلة بلانك، فنحصل على :
h = E. تردد الشعاع = 3,9. 10-15 (إلكترون فولت. ثانية). 6.1014 (1/ثانية)= 2,3 إلكترون فولتأي أن شعاع الطيف ذو طول الموجة 500 نانومتر له طاقة 3و2 إلكترون فولت. وهذا الشعاع هو شعاع من أشعة الطيف الشمسي ذو لون أخضر.
كما يمكن حساب طاقة الشعاع بالواط إذا أردنا ولكن 3و2 إلكترون فولت بوحدة الواط ستكون مقدارا صغيرا جدا يصعب الاحتفاظ به في الذاكرة.(ومن يريد إجراء تلك الحسبة فعليه الرجوع إلى وحدة طاقة.