چگونگی کشف و اندازه گیری امواج الکترومغناطیس

دانشمندان سفری جذاب برای کشف و محاسبه طول موج تابش الکترومغناطیسی ایجاد کرده اند. که این شامل ترکیبی از آزمایش های هوشمندانه، اندازه گیری های دقیق و همچنین درک نظری بوده است.

در اینجا به تفکیک نقاط عطف کلیدی آمده است:

1. مشاهدات اولیه (قبل از اندازه گیری های دقیق):

• آزمایش منشور نیوتن (1666): سر اسحاق نیوتن نشان داد که نور خورشید را می توان با استفاده از یک منشور به طیفی از رنگ ها تقسیم کرد. و در نتیجه به اجزای مختلف درون نور اشاره کرد، اما مستقیماً طول موج ها را اندازه گیری نکرد.

• آزمایش دو شکاف توماس یانگ (1801): یانگ ماهیت موج مانند نور را با مشاهده الگوهای تداخل هنگام عبور نور از دو شکاف نشان داد. این امر راه را برای درک نور به عنوان امواجی با طول موج های خاص هموار کرد.

2. تولد طیف سنجی (اوایل قرن 19):

• جوزف فون فرانهوفر (1814-1817): او خطوط تاریک (که اکنون خطوط فرانهوفر نامیده می شود) را در طیف خورشید مشاهده کرد. این خطوط بعدها به طول موج های خاصی از نور که توسط عناصر موجود در جو خورشید جذب می شود نسبت دادند. این آغاز طیف‌سنجی بود، ابزاری قدرتمند برای آنالیز نور و شناسایی اجزای آن.

3. اندازه گیری طول موج:

• توری های پراش: اختراع توری های پراش (آرایه های خطوط موازی) به دانشمندان این امکان را می دهد که با مشاهده زوایایی که نور در آن ها پراش می شود، طول موج ها را به طور دقیق اندازه گیری کنند.

• تداخل سنجی: تداخل سنجی که از تداخل امواج برای اندازه گیری دقیق استفاده می کند، ابزار قدرتمند دیگری برای تعیین طول موج شد.

4. پژوهش های نظری:

• معادلات ماکسول (دهه 1860): نظریه یکپارچه الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول وجود امواج الکترومغناطیسی که با سرعت نور حرکت می کنند را پیش بینی کرد. به این ترتیب یک چارچوب نظری برای درک ماهیت نور و طول موج های مختلف آن فراهم کرد.

• نظریه کوانتومی پلانک (1900): ایده انقلابی ماکس پلانک مبنی بر کوانتیزه شدن انرژی (در بسته های مجزا به نام کوانتا وجود دارد) به توضیح رابطه بین طول موج و انرژی تابش الکترومغناطیسی کمک کرد.

5. گسترش طیف و امواج الکترومغناطیس:

• امواج فرو سرخ(1800):  ویلیام هرشل، ستاره شناس مشهور، در حین مطالعه طیف خورشید، تابش مادون قرمز را کشف کرد. او متوجه شد که یک دماسنج که فراتر از انتهای قرمز طیف مرئی قرار دارد، همچنان گرما را ثبت می کند، که نشان دهنده وجود تابش نامرئی است. این یک مشاهده پیشگامانه بود، اما ماهیت تابش IR هنوز درک نشده بود. تاریخچه طیف نگاری فروسرخ

• امواج رادیویی (1887): کشف امواج رادیویی به هاینریش هرتز، فیزیکدان آلمانی، در سال 1887 نسبت داده شده است. هرتز بر اساس کار نظری جیمز کلرک ماکسول، که وجود امواج الکترومغناطیسی را در دهه 1860 پیش بینی کرده بود، آزمایش هایی انجام داد. آزمایشات هرتز شامل تولید و تشخیص امواج رادیویی با استفاده از فرستنده شکاف جرقه(spark-gap transmitter) و گیرنده با شکاف جرقه بود(شکل زیر). او با موفقیت خواص امواج رادیویی مانند بازتاب، شکست و تداخل را نشان داد و نظریه ماکسول را تایید کرد. در حالی که کشف هرتز قابل توجه بود، فوراً به دلیل کاربردهای بالقوه آن شناخته نشد. تنها بعدها بود که کار دانشمندان دیگر، مانند گوگلیلمو مارکونی(Guglielmo Marconi)، منجر به توسعه سیستم‌های ارتباط رادیویی عملی شد.

• امواج فرابنفش (1801): یوهان ویلهلم ریتر ، فیزیکدان آلمانی، مشاهده کرد که کلرید نقره، ماده ای حساس به نور، فراتر از انتهای بنفش طیف مرئی، با سرعت بیشتری تیره می شود. این امر حاکی از وجود تابش های نامرئی بود که او آن را “پرتوهای شیمیایی” نامید. او اساساً تأثیر طیف UV را بر واکنش های شیمیایی کشف کرد. تاریخچه کشف امواج فرا بنفش

• اشعه ایکس (1895): ویلهلم رونتگن اشعه ایکس را کشف کرد که طول موج بسیار کوتاهتری نسبت به نور مرئی دارد. ویلهلم کنراد رونتگن در 8 نوامبر 1895 هنگام آزمایش پرتوهای کاتدی در آزمایشگاه خود در وورزبورگ آلمان، اشعه ایکس را کشف کرد. او با یک لوله کروکس کار می کرد که نوعی لوله خلاء است که پرتوهای کاتدی (الکترون) تولید می کند(شکل زیر). او متوجه شد که یک صفحه فلورسنت در آن نزدیکی می درخشد حتی زمانی که لوله با مقوای سیاه پوشیده شده بود. این امر او را به این نتیجه رساند که این لوله نوع جدیدی از تابش نامرئی را ساطع می کند که او آن را اشعه ایکس نامید. کشف رونتگن یک پیشرفت بزرگ در فیزیک و پزشکی بود. اشعه ایکس انقلابی در تصویربرداری پزشکی ایجاد کرده است و به پزشکان اجازه می دهد بدون جراحی داخل بدن انسان را ببینند. آنها همچنین در زمینه های مختلف از جمله علم مواد، امنیت و نجوم کاربرد دارند.

اولین تصویر اشعه ایکس: دست همسر رونتگن یکی از اولین سوژه های تصویربرداری اشعه ایکس بود و این تصویر استخوان های دست او را به تصویر کشید و به یکی از نمادین ترین تصاویر تاریخ علم تبدیل شد.

V0029523 X-ray of the bones of a hand with a ring on one finger
Credit: Wellcome Library, London. Wellcome Images
images@wellcome.ac.uk
http://wellcomeimages.org
The bones of a hand with a ring on one finger, viewed through x-ray. Photoprint from radiograph by W.K. von Röntgen, 1895.
1895 By: Wilhelm Konrad von RöntgenPublished: –
Copyrighted work available under Creative Commons Attribution only licence CC BY 4.0 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

• پرتوهای گاما (1900): پل ویلارد پرتوهای گاما را مشاهده کرد، پرانرژی ترین شکل تابش الکترومغناطیسی با طول موج های بسیار کوتاه. اما کشف پرتوهای گاما کمی پیچیده تر است، زیرا شامل دانشمندان و مراحل متعددی می شود:

1. پل ویلارد (1900): ویلار در حین مطالعه تابش رادیوم، نوع جدیدی از تابش را مشاهده کرد که نفوذپذیرتر از پرتوهای آلفا یا بتا بود. او ماهیت آن را کاملاً درک نکرد، اما متمایز بودن آن را تشخیص داد.

2. ارنست رادرفورد (1914): رادرفورد که قبلا تشعشعات آلفا و بتا را شناسایی کرده بود، پیشنهاد کرد که تابش ویلارد نوع سومی از تابش است و او آن را “اشعه گاما” نامید. او پیشنهاد کرد که این پرتوها ماهیت الکترومغناطیسی دارند.

3. پژوهش های بعدی: چندین دهه طول کشید تا دانشمندان به طور کامل ماهیت پرتوهای گاما و ارتباط آنها با فرآیندهای هسته ای را درک کنند. توسعه فیزیک هسته‌ای در قرن بیستم، از جمله کشف هسته اتم و ساختار آن، به تقویت درک ما از پرتوهای گاما به عنوان تشعشعات الکترومغناطیسی پرانرژی که در طول انتقال هسته‌ای ساطع می‌شوند، کمک کرد.

بنابراین، در حالی که پل ویلارد با مشاهده اولیه پرتوهای گاما در سال 1900 اعتبار دارد، این ارنست رادرفورد بود که به طور رسمی آنها را نامگذاری کرد و ماهیت آنها را در سال 1914 پیشنهاد کرد. با این حال، درک کامل پرتوهای گاما و نقش آنها در فیزیک هسته ای نتیجه پژوهش در سالیان متمادی بوده است.

محاسبه طول موج:

امروزه دانشمندان از تکنیک های مختلفی برای محاسبه طول موج استفاده می کنند، از جمله:

• طیف سنج ها: ابزارهایی که شدت نور را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کنند.

• تداخل سنج ها: ابزارهایی که از الگوهای تداخلی برای اندازه گیری فواصل بسیار کوچک از جمله طول موج ها استفاده می کنند.

• مدل سازی محاسباتی: شبیه سازی های پیچیده می توانند طول موج تابش الکترومغناطیسی را بر اساس مدل های نظری پیش بینی کنند.

اهمیت طول موج: درک طول موج تابش الکترومغناطیسی برای زمینه های مختلف بسیار مهم است، از جمله:

• ستاره شناسی و نجوم: مشاهده جهان در طول موج های مختلف به ما امکان می دهد اجرام آسمانی را که با چشم غیرمسلح نامرئی هستند مطالعه کنیم.

• شیمی: شناسایی عناصر و ترکیبات، و اندازه گیری دقیق و سریع آن ها

• دارو سازی: از اشعه ایکس و گاما برای تصویربرداری و درمان پزشکی استفاده می شود.

• ارتباطات: امواج رادیویی برای پخش، مخابرات و سایر کاربردها استفاده می شود.

داستان کشف و محاسبه طول موج ها گواهی بر پیشرفت علمی و قدرت مشاهده، آزمایش و درک نظری است. این به شکل گیری دانش ما از جهان و نیروهای اساسی آن ادامه می دهد.