برهم کنش تابش الکترومغناطیس و ماده

کاربرد بخش های مختلف امواج الکترومغناطیس در اختر شیمی

پیش از شروع این بخش یک بار دیگر با امواج الکترومغناطیس بیشتر آشنا شویم

امواج الکترومغناطیس که هم خاصیت موجی و هم مغناطیسی دارند از امواج گاما شروع شده و با امواج رادیویی تلوزیونی پایان می یابند.

در شکل زیر بخش های مختلف امواج الکترومغناطیس با دو واحد فرکانس(هرتز) و طول موج(سانتی متر نشان داده شده است:

در شکل زیر کاربرد بخش های مختلف این امواج در زندگی روزمره نشان داده شده است:

بخش‌های مختلف طیف تابش الکترومغناطیسی را می‌توان برای شناسایی اتم‌ها و مولکول‌ها در فضا بر اساس برهمکنش‌های ویژه آنها با ماده استفاده کرد. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

امواج رادیویی:

• تشخیص هیدروژن خنثی (H I): تلسکوپ های رادیویی می توانند خط نشری 21 سانتی متری اتم های هیدروژن خنثی را تشخیص دهند که یک انتقال اساسی در سطوح انرژی آنها است. این به اخترشناسان اجازه می دهد تا توزیع و حرکت گاز هیدروژن را در کهکشان ها و محیط بین کهکشانی ترسیم کنند.

امواج رادیویی در فضا می توانند برای تشخیص انواع مولکول ها و مواد از جمله:

مولکول های ساده:

• هیدروژن (H2): فراوان ترین مولکول در جهان، انتشارات رادیویی آن ابزاری کلیدی برای مطالعه محیط بین ستاره ای است.
• مونوکسید کربن (CO): ردیاب رایج ابرهای مولکولی و مناطق ستاره ساز می باشد.
• آب (H2O): در محیط های مختلف از جمله دنباله دارها، ابرهای بین ستاره ای و حتی جو سیارات شناسایی می شود.
• آمونیاک (NH3): یکی دیگر از ردیاب های مهم مناطق ستاره ساز است.
• متانول (CH3OH): یکی از ساده ترین مولکول های آلی کشف شده در فضا می باشد.

مولکول های پیچیده:

• فرمالدئید (H2CO): برای ترسیم توزیع ابرهای مولکولی استفاده می شود.
• استالدهید (CH3CHO): بلوک ساختمانی برای مولکول های آلی پیچیده تر است.
• سیانید (HCN): برای مطالعه شیمی ابرهای بین ستاره ای استفاده می شود.
• استیلن (C2H2): نشانه ای از تشکیل ستاره است.
• هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای (PAHs): مولکول های آلی بزرگی که به شدت در مادون قرمز ساطع می کنند و در ابرهای بین ستاره ای و سحابی ها یافت شده اند.

سایر مواد:

• هیدروژن اتمی (H): فراوان ترین عنصر در جهان، انتشارات رادیویی آن برای مطالعه توزیع گاز هیدروژن خنثی استفاده می شود.
• اکسیژن اتمی (O): می تواند در مناطق خاصی از محیط بین ستاره ای شناسایی شود.
• الکترون ها: الکترون های آزاد در فضا می توانند امواج رادیویی ساطع کنند.
• پرتوهای کیهانی: ذرات پرانرژی که با ماده برهم کنش دارند و امواج رادیویی تولید می کنند.

علاوه بر این، از امواج رادیویی برای مطالعه موارد زیر استفاده می شود:

• کهکشان ها و تکامل آنها: امواج رادیویی می توانند در غبار و گاز نفوذ کنند و به اخترشناسان اجازه می دهد تا ساختار و فعالیت کهکشان ها را مطالعه کنند.
• سیاهچاله ها: از امواج رادیویی می توان برای مطالعه قرص های برافزایش در اطراف سیاهچاله ها و جت هایی که آنها تولید می کنند استفاده کرد.
• جهان اولیه: امواج رادیویی ناشی از انفجار بزرگ اطلاعات ارزشمندی در مورد شرایط جهان اولیه ارائه می دهد.

مولکول ها و مواد خاصی که با امواج رادیویی قابل تشخیص هستند به فرکانس امواج رادیویی و ویژگی های خود مولکول یا ماده بستگی دارد.

تابش مایکروویو:

• تشخیص مولکول ها با انتقال چرخشی: امواج ماکروویو آنقدر انرژی دارند که فقط می توانند باعث چرخش مولکول ها شوند.  تلسکوپ های مایکروویو می توانند انتقال چرخشی مولکول ها، مانند مونوکسید کربن (CO) و آب (H2O) را تشخیص دهند. این انتقال ها اطلاعاتی در مورد دما، چگالی و فراوانی مولکول ها در ابرهای بین ستاره ای ارائه می دهند.

طیف‌سنجی مایکروویو یک ابزار قدرتمند در نجوم است که دیدگاه هایی را در مورد ترکیب، ساختار و دینامیک اجرام آسمانی ارائه می‌دهد. در اینجا خلاصه ای از کاربردهای آن آمده است:

1. تشخیص و شناسایی مولکولی:

• محیط بین ستاره ای: طیف سنجی مایکروویو به اخترشناسان اجازه می دهد تا مولکول های مختلف را در محیط بین ستاره ای (ISM) شناسایی و تعیین کنند، از جمله:
• مولکول های ساده: CO، H2O، NH3، HCN، CH3OH و غیره.
• مولکول های پیچیده: مولکول های آلی بزرگتر مانند فرمالدئید، استالدئید و حتی اسیدهای آمینه.
• اتمسفرهای سیاره ای: طیف سنجی مایکروویو می تواند جو سیارات و قمرها را بررسی کند و حضور مولکول هایی مانند بخار آب، متان، آمونیاک و دی اکسید کربن را آشکار کند. این به درک ترکیب و پتانسیل قابل سکونت کمک می کند.

2. مطالعه خواص مولکولی:

• سطوح انرژی: طیف سنجی مایکروویو سطوح انرژی چرخشی مولکول ها را نشان می دهد. این اطلاعات به تعیین موارد زیر کمک می کند:
• ساختار مولکولی: شکل و آرایش اتم ها در یک مولکول.
* طول و زاویه پیوند: فاصله بین اتم ها و زاویه بین پیوندها.
• فرکانس های ارتعاشی: اطلاعاتی در مورد نحوه ارتعاش اتم ها در داخل مولکول.

3. بررسی دینامیک اشیا:

• تغییرات داپلر: اندازه گیری جابجایی داپلر در خطوط طیفی مایکروویو می تواند حرکت اجرام سماوی را آشکار کند:
• چرخش: تعیین نرخ چرخش سیارات، ستاره ها و کهکشان ها.
• سرعت شعاعی: اندازه گیری سرعت اجسام به سمت یا دور از زمین.
• آشفتگی: طیف‌سنجی مایکروویو همچنین می‌تواند تلاطم درون ابرهای بین‌ستاره‌ای و اتمسفر سیاره‌ای را مطالعه کند و اطلاعاتی در مورد حرکت درونی آن‌ها ارائه دهد.

4. مطالعه میدان های مغناطیسی کیهانی:

• تقسیم زیمان: طیف‌سنجی مایکروویو می‌تواند شکاف زیمن خطوط طیفی را که در اثر برهمکنش گشتاورهای مغناطیسی مولکولی با میدان‌های مغناطیسی کیهانی ایجاد می‌شود، تشخیص دهد. این به اخترشناسان اجازه می دهد تا میدان های مغناطیسی را در اجرام مختلف آسمانی نقشه برداری و مطالعه کنند.

5. تکنیک های مشاهده:

• تلسکوپ های زمینی: طیف سنجی مایکروویو اغلب با تلسکوپ های زمینی انجام می شود. جو زمین دارای پنجره ای در طول موج های مایکروویو است که به این ابزارها اجازه می دهد تا کیهان را به طور موثر مشاهده کنند.
• تلسکوپ های فضایی: تلسکوپ های فضایی مانند تلسکوپ فضایی هابل و آرایه میلی متری/زیر میلی متری بزرگ آتاکاما (ALMA) نیز مجهز به گیرنده های مایکروویو هستند که مشاهدات حیاتی را از بالای جو زمین ارائه می دهند.

نمونه هایی از طیف سنجی مایکروویو در نجوم:

• تشخیص CO در ابرهای مولکولی:کربن منواکسید که ردیابی آن در درک تشکیل ستارگان نقش دارد توسط طیف سنجی ماکروویو، توزیع و فراوانی آن آشکار سازی می شود.
• اندازه گیری چرخش کهکشان ها: درک دینامیک کهکشان ها و تکامل آنها.
• نقشه برداری میدان های مغناطیسی در محیط بین ستاره ای: بررسی نقش میدان های مغناطیسی در شکل دهی ستاره ها.
• مطالعه جو مشتری: شناسایی مولکول های مختلف مانند متان، آمونیاک و بخار آب.

در نتیجه، طیف‌سنجی مایکروویو نقشی حیاتی در درک ما از کیهان ایفا می‌کند و اطلاعات ارزشمندی درباره ترکیب، ساختار و دینامیک اجرام مختلف آسمانی ارائه می‌کند.

تابش فرو سرخIR:

• تشخیص مولکول ها با انتقال ارتعاشی: امواج فروسرخ بیشتر مولکول های قطبی را تحت تاثیر قرار می دهند و آن ها را مرتعش می کنند. در اثر امواج فروسرخ پیوند های شیمیایی کش می آیند و خمیده می شوند. تلسکوپ های فرو سرخ یا مادون قرمز می توانند انتقال ارتعاشی مولکول ها را تشخیص دهند که اطلاعاتی در مورد ترکیب شیمیایی و ساختار آنها ارائه می دهد. به عنوان مثال، مشاهدات فروسرخ وجود مولکول های آلی پیچیده را در فضای بین ستاره ای آشکار کرده است.

طیف‌سنجی فروسرخ ابزاری ارزشمند برای مطالعه ترکیبات و خواص مواد مختلف در فضا است. برخی از موادی که می توان با استفاده از طیف سنجی فروسرخ در فضا شناسایی و تجزیه و تحلیل کرد عبارتند از:

1. غبار و گاز بین ستاره ای: طیف سنجی فروسرخ را می توان برای مطالعه ترکیب دانه های غبار بین ستاره ای و ابرهای گازی در فضا استفاده کرد و دیدگاه هایی را در مورد شکل گیری و تکامل ستارگان و کهکشان ها ارائه کرد.

2. اتمسفر سیاره ای: طیف سنجی فروسرخ برای تجزیه و تحلیل ترکیب اتمسفر سیاره ای، از جمله سیارات سامانه خورشیدی و سیارات فراخورشیدی که به دور ستارگان دیگر می چرخند، استفاده می شود.

3. دنباله‌دارها و سیارک‌ها: طیف‌سنجی فروسرخ می‌تواند به شناسایی ترکیب دنباله‌دارها و سیارک‌ها کمک کند و اطلاعاتی درباره کانی‌شناسی و محتوای آلی آن‌ها ارائه دهد.

4. اتمسفر ستاره ای: طیف سنجی فروسرخ برای مطالعه جو ستارگان از جمله دما، ترکیب و فراوانی شیمیایی آنها استفاده می شود.

5. مولکول ها در فضا: طیف سنجی مادون قرمز می تواند مولکول های مختلف در فضا مانند مولکول های آلی پیچیده، بخار آب، مونوکسید کربن و متان را شناسایی و تجزیه و تحلیل کند.

6. گرد و غبار اطراف ستارگان: طیف‌سنجی فروسرخ می‌تواند برای مطالعه دیسک‌های غبار و بقایای مواد در اطراف ستاره‌های جوان مورد استفاده قرار گیرد و دیدگاه هایی در مورد شکل‌گیری سامانه های سیاره‌ای ارائه دهد.

به طور کلی، طیف‌سنجی فروسرخ نقش مهمی در تحقیقات نجومی ایفا می‌کند و به دانشمندان اجازه می‌دهد ترکیب، ساختار و دینامیک مواد مختلف در فضا را تجزیه و تحلیل کنند.

نور مرئیVISIBLE:

• تشخیص اتم ها و مولکول ها از طریق خطوط جذبی و نشری: نور مرئی الکترون های لایه های بیرونی اتم را تحت تاثیر قرار می دهد و به مدارهای بالاتر می راند و در این حالت اتم را برانگیخته می کند.  مشاهدات طیف سنجی در نور مرئی می تواند خطوط جذبی یا نشری اتم ها و مولکول ها را تشخیص دهد. خطوط جذبی نشان دهنده وجود عنصر یا مولکول خاص در یک ستاره یا ابر بین ستاره ای است، در حالی که خطوط نشری علاوه بر شناسایی عناصر نشان می دهد که اتم ها یا مولکول ها برانگیخته شده اند و فوتون ها را گسیل می کنند.

پرتو فرابنفش یا اشعه ماوراء بنفش یا UV:

• تشخیص اتم ها و مولکول های داغ: نور فرابنفش دقیقاً مانند مرئی، باعث برانگیختگی الکترونی می شود. با این حال، آنقدر پرانرژی است که الکترون را به سطح بالاتری در اتم یا مولکول پرتاب می کند. فوتون UV می تواند انرژی زیادی را فراهم کند که الکترون در تمام مسیر از مولکول خارج شود. این بدان معناست که یک الکترون به بیرون پرتاب می شود و نتیجه آن یونیزاسیون است. اگرچه انتهای پرتو فرابنفش کمترین انرژی و حد اقل تحریک کنندگی دارد، بقیه بخش های پرتوهای فرا بنفش یونیزه کننده می باشند. به همین دلیل است که ما از پرتو فرا بنفش به عنوان پرتوهای یونیزه کننده یاد می کنیم. این بخش از امواج الکترومغناطیس ملایم ترین بخش پرتوهای یونیزه کننده هستند، اما همچنان توان یونیزه کردن دارند.

امواج فرابنفش UV به 3 ناحیه تقسیم می شود:

UV-A (320-400 نانومتر)،

UV-B (280-320 نانومتر)،

UV-C (200-280 نانومتر).

اوزن و اکسیژن بیشتر UV-B و UV-C را از حذف می کنند.

تلسکوپ های فرابنفش می توانند خطوط  نشری اتم ها و مولکول های بسیار یونیزه شده را که در محیط های داغ مانند جو ستاره ها و بقایای ابرنواخترها یافت می شوند، تشخیص دهند.

اشعه ایکس و گاما:

این پرتوها 100% یونیزه کننده هستند. همانطور که فوتون های اشعه ایکس از طریق ماده جذب می شوند، می توانند برهم کنش داشته باشند و زمانی که این کار را انجام می دهند، واقعاً الکترون ها را به شدت به بیرون پرتاب می کنند. تقریباً هر الکترون پیوندی برای ایجاد یونیزاسیون به بیرون از اتم پرتاب می شود بنابراین پرتو ایکس نیز پرتوهای یونیزه کننده هستند، حتی بیشتر از UV.

تابش گاما قوی ترین تابشی است که ما اندازه گیری کرده ایم. این پرتو بسیار یونیزه کننده است – این پرتوها، گاهی اوقات چندین الکترون را از اتم خارج می کند و مولکول ها را تکه تکه می کند. این یکی از انواع پرتوهایی است که پس از بمب هسته ای باقی می ماند (همانند اشعه ایکس ). بنابراین تابش گاما پادشاه پرتوهای یونیزه کننده است. تابش گاما حتی هسته ی اتم را هم تحت تاثیر قرار می دهد.

• تشخیص فرآیندهای پرانرژی: تلسکوپ های اشعه ایکس و پرتوهای گاما می توانند تابش فرآیندهای پرانرژی، مانند واکنش های هسته ای و فروپاشی ایزوتوپ های رادیواکتیو را تشخیص دهند. این مشاهدات به ما این امکان را می دهند که در مورد واکنش پذیرترین محیط های جهان مانند سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی مطالعه کنیم.

با ترکیب مشاهدات از بخش‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی، اخترشناسان می‌توانند به درک جامعی از ترکیب، ساختار و پویایی اتم‌ها و مولکول‌ها در فضا دست یابند.

سرچشمه ها:

https://www.britannica.com/science/radio-wave

http://chembook.org/page.php?chnum=3&sect=4

https://faculty.ksu.edu.sa/sites/default/files/unit_2_-_the_interaction_of_em_radiation_and_mater_1.pdf

The Technological Applications of Electromagnetic Waves