بحث بعنوان شرائح الاشعة الكهرومغناطيسية مصادرها واستخداماتها وانواعها المختلفة
1-2 نبذة عامة
سبق الاشارة الى ان جميع الموجات الكهرومغناطيسية بدءاً من اطول هذه الموجات التي يبلغ طولها حوالي 6 الاف كيلو متر وهي الموجات التي تتولد حول خطوط نقل التيار الكهربائي المتردد 50-60) هيرتز تبعاً للدولة المستخدم في الحياة المدنية وحتى اقصر هذه الموجات وهي اشعة جاما عالية الطاقة التي يبلغ طول موجاتها حوالي فمتو متر (10) 15- من بسرعة المتر تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة وهي بسرعة الضوء ويقسم هذا المدى شديد الاتساع من الموجات الكهرو مغناطيسية ضمن عدة شرائح وفقاً لطول الموجة او ترددها وتتميز كل شريحة بخصائص معينة جعلتها صالحة للاستخدام في مجال محدد وجدير بالذكر انه لا توجد قيم حدية فاصلة بين شريحة والأخرى وانما تتداخل شرائح فيما بينها تداخلا كبيراً ويبين شكل 2-1 الشرائح المختلفة لهذه الموجات تبعاً لطول الموجة او لترددها وفيما يلي سوف تستعرض الشرائح الرئيسية والفرعية للاشعة الكهرومغناطيسية مرتبة من موجات الأكبر طولاً نحو الأصغر أي من الاقل تردد ١٤ / الواطاقة نحو التردد والطاقة الاكبر مع الاشارة باختصار شديد الى مصادر هذه الشرائح واهم تطبيقاتها .
2- 2 شريحة الموجات فائقة الطول
وهي شريحة الموجات التي يتراوح طولها حوالي 6 الاف كيلو متر وحتى ما يقترب من الف متر أي يتراوح ترددها بين 50 وحوالي 101 هيرتز وتتولد بعض الموجات هذه الشريحة حول خطوط نقل التيار الكهربائي المتردد المستخدم في الحياة المدنية التي يتراوح تردده ما بين 50 الى 60 هيرتز وحول بعض مصادر التيار المتردد الأخرى ويتم توليد الموجات الكهرومغناطيسية الطويلة التي تحتل الشريحة من الاطوال الموجية تتراوح ما بين عدد قليل من الكيلو مترات والى حوالي الف متر لاستخامها لاغراض الاتصالات المحلية لمسافات محددة ويعود سبب في ذلك لانخفاض ترددات اي الطاقات ( موجات هذه الشريحة مما يجعلها تتصف بقدرتها المحدودة للغاية علة الانتشار في الفضاء لمسافات بعيدة لذلك يصعب استخدام هذه الشريحة الا لبعض اغراض الاتصالات اللاسلكية المحلية مثل الارسال الاذاعي على الموجات الطويلة ويتم توليد الموجات الطويلة المستخدمة في الاتصالات باستخدام دوائر مهتزة تتكون اساساً من عنصرين هما ملف حثي ومكثف ويعتمد تردد الموجات المتولدة على مقداري هذين العنصرين .
3-2 شريحة موجات الترددات الراديوية
وهي شريحة الموجات التي تتراوح أطوالها الموجية بين حوالي 1 كيلو متر الى حوالي المتر الواحد اي التي يتراوح ترددها بين حوالي 300 كيلو هيرتز وحوالي 300 ميغا هيرتز وتستخدم هذه الشريحة من الموجات في البث الاذاعي والتلفزيوني وفي الرادار وكذلك في عمليات الاتصالات نظرا لزياده طاقه الموجات وقدرتها بالتالي على الوصول لمسافات بعيده وتنقسم هذه الشريحة الى عده شرائح فرعيه هي :
1-3-2 شريحة الموجات الاذاعية
تتراوح اطوال موجات هذه الشريحة بين حوالي 1000 متر وحتى حوالي 10 امتار اي يتراوح ترددها بين حوالي 300 كيلو هيرتز، 30 ميغاهيرتز ) وتتولد هذه الموجات باستخدام مذبذبات تتضمن اساسا رادارات تشمل ملف حتى ومكثف تحدد قيمهما قيم تردد الموجات المتولد وتعرف هذه الشريحة بالنسبة للاتصالات اللاسلكية بشريحة تعديل السعة (AM) حيث يتم في جهاز البث تعديل السعة الموجات التوافقية البسيطة الحاملة ذات التردد الثابت ومتساوية السعة الى الموجات متغيرة السعة وفقاً للموجة الصوتية ولها نفس التردد وفي جهاز او محطة الاستقبال يتم اعادة تعديل الموجة للتخلص من الموجة التوافقية البسيطة والحصول على موجة الصوتية . ويعود السبب في ضرورة التعديل الى ان الترددات الموجات الصوتية او الموسيقى تتطلب شريحة يبلغ اتساعها حوالي 3000 هيرتز للاصوات البشرية وحوالي 20000 هيرتز للموسيقى والموجات الكهرو مغناطيسية بهذه الترددات لا يمكنها الانتقال بعيداً كما ورد سواء في الفراغ او الهواء لذلك تحمل موجات الأصوات البشرية والموسيقى على موجات توافقية بسيطة عالية التردد تقع في المدى الموجات الطويلة طول الموجي في حدود 1000 متر والمتوسطة (منات قليلة من الامتار) والقصيرة عدة امتار او عشرات قليل من الامتار وتعرف الموجة التوافقية البسيطة عالية التردد بالموجة الحاملة وبعد تعديل الموجة الحاملة تبت الموجات المعدلة لمسافات بعيدة نظراً لقدرة هذه الموجات على اختراق الهواء والفراغ ومن خصائص الموجات الاذاعية انها تنعكس على الطبقة الأيونية المحيطة بالغلاف الجوي فترتد الى الأرض ويمكن التقاطها بواسطة الهوائيات المختلفة وعند محطة الاستقبال يعاد تعديل الموجه حيث يتم التخلص من الموجه التوافقية البسيطة الحاملة وتبقى الموجه الصوتية او الموسيقية وبالتالي يتم سماع صوت مطابق تماما للصوت الاصلي .
2-3-2 شريحة موجات البث التلفزيوني او شريحة تعديل التردد FM frequency modulation
وتتراوح أطوال موجات هذه الشريحة بين حوالي 10 امتار وحتى حوالي 30 سم اي يتراوح ترددها بين حوالي 30 ميغاهيرتز وحتى حوالي 1 غيغا هيرتز (الغيغا = (10) وجدير بالذكر ان الشرائح الفرعية للموجات الإذاعية الطويلة والمتوسطة والقصيرة لا تصلح للارسال التلفزيوني لذلك تستخدم الموجات الاقصر طولا اي الأكبر ترددا ) لهذا النوع من الارسال الا ان الموجات الأكثر ترددا لا تنعكس على طبقه الأيونوسفير لطاقتها الأكبر وبالتالي لقدرتها على اختراق طبقة الأيونوسفير دون ان ترتد للارض لذلك يحتاج الارسال التلفزيوني الى محطات استقبال وتقوية واعادة ارسال تحقق رؤية مباشرة في خط مستقيم بين محطة الارسال ومحطة الاستقبال والتقوية واعادة البث وكذلك رؤية مباشرة ومستقيمه بين هذه المحطة الاخيرة وجهاز الاستقبال في المنازل لهذا الغرض تستخدم محطات الدعم الاستقبال والتقوية واعادة البث ( الارضية او الاقمار الصناعية التي تدور حول الارض (6) .
4-2 شريحة الموجات الدقيقة Microwave band
تتراوح اطوال موجات هذه الشريحة بين 30 سم وحوالي الملليمتر أي يتراوحترددها بين 1 غيغاهيرتز حتى 300 غيغاهيرتز وتستخدم موجات هذه الشريحة في عمليات الاتصال كذلك تستخدم شريحه فرعية من هذه الشريحة في العديد من عمليات التسخين مثل افران الموجات الدقيقة المعروفة باقران الميكروويف المستخدمة في الطهي ( وفي بعض المراجع يتم دمج شريحتي الترددات الخاصة بالارسال التلفزيوني او شريحة تعديل التردد بشريحة الموجات الدقيقة ضمن شريحة واحدة يتراوح تردد موجاتها بين 30 ميغا هيرتز 300 غيغا هيرتز
وتتوزع شريحة الموجات الدقيقة على عدد من الشرائح الفرعية التي تحدد نطاق الاستخدام وبين جدول (2-1) اسماء هذه الشرائح ومدى كل شريحة فرعية منها
جدول (2-1) اسماء هذه الشرائح ومدى كل شريحة فرعية منها.
ويعود التوسع الهائل في تطبيقات الموجات الدقيقة في الارسال والرادار والاتصالات عموما الى بعض الخصائص المميزة لهذه الموجات التي تتمثل في امكانيه بثها خلال القضاء الهواء او الفراغ في حزم كثيفه ومركزة تشبه الى حد كبير حزمة الضوء فضلا عن ذلك يمكن لحزمة الموجات الدقيقة ان تحمل قدرا من المعلومات يزيد كثيرا على الذي تحمله موجات الارسال الاذاعي (اي الموجات الراديوية ) فمحطة الارسال التلفزيوني الوحدات تحتاج الى شريحة ترددات يبلغ اتساعها 4-5 ميغاهيرتز وبالتالي يستحيل تشغيل أكثر من 5- محطات ارسال في ان واحد ضمن مدى من ترددات لا يزيد على 30 ميغاهيرتز وعند استخدام الموجات الدقيقة في الاتصالات الرادارية البث الرادار نبضه قصيره الامتداد الزمني وكثيفه وشديده التركيز من الموجات الدقيقة عالية التردد من خلال هوائي الارسال .
وعند اصطدام هذه النبضة من الموجات بأحد الاجسام خاصة الفلزية تنعكس بعض الطاقة ( بعض الموجات ( من سطح هذه الجسم وتنتشر في الفراغ ويعود جزء منها الى هوائي الرادار المتصل بجهاز استقبال فيلتقطها الهوائي ويضخمها جهاز الاستقبال وبالتالي يسهل الكشف عن هذه الجسم العاكس ويمكن تحديد المسافة بين الجسم والرادار بقياس الفاصل الزمني بين النبضة المنبعثة والنبضة المنعكسة ( المرتدة) أما اتجاه الجسم (الهدف) فيتحدد من الاتجاه الذي يوجه الية الهوائي ومن هذين القياسين يتم تحديد موقع الجسم (الهدف) ضمن اطار الإحداثيات القطبية الذي يقع جهاز البث الراداري في نقطة الأصل لهذه الاحداثيات وباجراء القياسات بالتتابع بصفة متواصلة بالنسبة للاجسام المتحركة يمكن بيسر تعيين سرعه الجسم ( الهدف) واتجاه حركته
1-4-2 هوائيات البث للموجات الدقيقة
يعتبر تركيز الطاقة المبثوثة للموجات الرادارية الدقيقة في حزمة كثيفة وضيقة من الأمور التي يسهل تحقيقها علميا نظرا لان ابعاد هوائي الموجات الدقيقة يمكن ان يتجاوز كثيرا الاطوال الموجية لموجات الحزمة الرادارية المبثوثة فتركز اي حزمه منبعثة بواسطه هوائي في اتجاه معين يتطلب ان يكون قطر طبق الهوائي أكبر بمئات المرات بالمقارنة بطول الموجه المنبعثة وبالتالي فانه يمكن تحقيق مثل هذه الأمر بالنسبة للموجات الدقيقة بواسطه اطباق محدودة الابعاد وهو الأمر الذي يصعب بل يستحيل تحقيقه علميا بالنسبة للموجات الراديوية ويتكون هوائي الرسال للموجات الدقيقة عموما من جهاز التغذية بالموجات الدقيقة مثل ثنائي القطب او البوق الموصل بمولد الموجات الدقيقة وعاكس والعاكس عبارة عن طبق في صورة قطع مكافئ كالذي نراه فوق اسطح المباني وفي بعض هوائيات الارسال وفي حاله ثنائي القطب تنبعث الطاقة الكهرمغناطيسية من المولد وتوجه من خلال البوق نحو العاكس والبوق هو دليل للموجات الكهرمغناطيسية توجه خلاله الموجات في اتجاه الطبق المشكل على صورة قطع مكافئ ويركب مصدر التغذية بالموجات الدقيقة في الشكل (2-2) في بؤره الطبق العاكس بحيث يوجه موجاته نحو وبالتالي فانه وفق لقوانين الانعكاس يجب ان تنعكس حزمة الموجات الكهرومغناطيسية من العاكس بحيث تكون متوازية (من ناحيه النظرية ( الا انه من ناحيه العملية تنطلق الحزمة من الطبق متضمنة من طبق زاوية الانتشار وليس متوازية تماما حيث تزداد مساحه مقطع الحزمة كلما بعدت المسافة عن سطح الطبق ويعرف معدل اتساع مقطع الحزمة بعرض الحزمة “beamwidth” ويعين عرض الحزمة عادة بالدرجات ويمثل زاوية الانحراف المستقيم الواصل بين مركز الطبق وحافة مقطع الحزمة عند مسافه من الطبق تبلغ عندها القدرة نصف قيمتها الاصلية وبين محور الحزمة كذلك يتميز اي هوائي بمعامل اخر يطلق عليه كسب الهوائي ويعرف هذا المعامل على انه النسبة
الشكل (2-2) يبين هوائيات البث للموجات الدقيقة
بين كثافة النبضة المنبعثة في الحزمة على مسافه ما من الطبق الى كثافة النبضة عند نفس المسافة لو توزعت النبضة توزعا متجانسا في جميع الاتجاهات وكلما زاد مقدار هذا المعامل كان الهوائي من نوع افضل ويرتبط هذا المعامل بمساحة فتحة الهوائي وبطول الموجة المنبعثة بعلاقه رياضيه بسيطة ). ومن الأمور الهامة من وجه نظر تأثيرات الهوائي على الكائنات الحية كل من قدرة الخرج ومحطة الارسال للموجات الدقيقة والكثافة المتوسطة للقدرة.
2-5 شريحة الأشعة تحت الحمراء
هي شريحة الموجات التي يترواح ترددها ما بين حوالي 300 غيغا هيرتز (نهاية شريحة الموجات الدقيقة ( وإلى 4,21014 هيرتز بدية شريحة الضوء المرئي) أي أن تردد موجاتها يقع في الترتيب تحت تردد الضوء الأحمر مباشرة. وتعرف هذه الشريحة كذلك، بأسم شريحة الأشعة الحرارية (Heat radiation تتراوح أطوال أمواجها بين حوالي الملليمتر وتستمر حتى تبلغ أطول موجات الضوء المرئي وهو اللون الاحمر، الذي يبلغ طول موجته 0.7 ميكرومتر ( الميكرومتر يساوي جزء من مليون جزء من المتر ) وتتولد موجات هذه الشريحة من الأجسام والجزيئات الساخنة. ولا تستطيع هذه الأشعة الانتشار بعيداً نظراً لسهولة امتصاصها في صورة حرارة حيث تؤدي هذه الأشعة إلى إثارة وتحريك ذرات المادة نتيجة للحركة الاهتزازية أو الانتقالية التي تكتسبها هذه الذرات بفعل الموجات مما يؤدي بالتالي إلى ارتفاع درجة حرارة الجسم الذي تسقط عليه وتستخدام الاشعاعات تحت الحمراء في الوقت الحاضر استخداماً واسعاً في العديد من التطبيقات العلمية والعملية بما في ذلك أجهزة الرؤية الليلية ف اجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء وفي القياسات الطيفية الاهتزازية. ومن استخدامات الهامة لموجات هذه الشريحة في المجال الطبي استخدامها في التسخين في عمليات العلاج الطبيعي .
6-2 شريحة الضوء المرئي
إن شكل المحسوس لجميع ابشر بل ولمعظم الكائنات من الموجات الكهرومغاطيسية هو الضوء المرئي وطيفه الذي تستطيع العين البشرية أن تميز وينتج الضوء عموماً، عند تسخين الأجسام لدرجة حرارة عالية ، نتيجة لإعادة ترتيب الإلكترونات في الذرات والجزيئات. وتتروح أطوال موجات الضوء المرئي بين حوالي0,7 ميكرومتر للضوء الأحمر ويقل حتى يصل إلى حوالي 0.4 ميكرومتر للضوء البنفسجي (اي يتراوح تردد موجاته بين 4,21014 هيرتز للضوء الأحمر وحتى 1024×7,5 هيرتز للضوء البنفسجي). ويتكون طيف الضوء المرئي من سبعة ألوان مرتبة حسب الطول الموجي من الأكبر للاصغر كالتالي : الأحمر، و البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق، والنيلي، والبنفسجي. تعتبر الشمس المصدر الرئيس للضوء المرئي ضمن حدود المجموعة الشمسية، وتعتمد حساسية العين البشرية للضوء على الطول الموجي له وتبلغ هذه الحساسية ذروتها عند الطول الموجي المتوسط (حوالي 0,56 ميكرومتر أي ما بين الضوء الأصفر،والأخضر والضوء المرئي من أهم مقومات الحياة حيث يمثل الطاقة الأساسية في عملية التمثيل الضوئي في النبات المصدر الرئيس للغذاء والأوكسجين على ظهر البسيطة .
2 – 7 شريحة الأشعة فوق البنفسجية
يعني مصطلح الأشعة فوق البنفسجية الإشعاعات الكهرومغناطيسية التي يفوق ترددها تردد الضوء البنفسجي، وتمتد الأطوال الموجبة لهذه الشريحة بين الطول الموجي للضوء البنفسجي الذي يبلغ حوالي 0,38 ميكرون وحتى حوالي 1 نانومتر النانومتر = 10 متر) ، أي أنه يتراوح تردد الموجات فوق البنفسجية بين 1014×7,5 وإلى 1017×3 هيرتز. وتتدخل هذه الشريحة تداخلاً عريضاً مع شريحة الأشعة السينية التي سيرد لاحقاً.
وتعتبر الشمس أحد أهم مصادر الأشعة فوق البنفسجية كما يمكن إنتاج هذه الأشعة بيسر بواسطة مصابيح خاصة شديدة الوهج، لاستخدامها في العديد من الاغراض العلمية والتسخين وتمتص معظم الاشعة فوق البنفسجي القادمة من الشمس بواسطة ذرات وجزيئات الطبقة العليا من الغلااف الجوي المحيط بالأرض والمعروفة بطبقة الستراتوسفير الأمر الذي يقى الانسان وكثيراً من الكائنات الحية الآخر من التأثيرات الضارة لهذه الاشعة وتعود قدرة طبقة الاستراتوسفر على امتصاص الاشعة فوق البنفسجي الى وجود نسبة عالية من غاز الأوزان (وهو عبارة عن جزيئات أوكسجين ثلاثية الذرات أي (03) في هذه الطبقة، الأمر الذي يمثل درعاً ضد هذه الاشاعات، حيث تتفاعل الموجات فوق البنفسجية ، وخصوصاً الموجات عالية الطاقة منها، مع جزيئات الأوزون محولة طاقة هذه الإشعاعات إلى حرارة تؤدي بالتالي إلى تسخين طبقة الاستراتوسفير (10).
2- 8 شريحة الأشعة السينية
( الأشعة السينية ) أي المجهولة عندما اكتشفها روينتغن عام 1896م) هي موجات كهرومغناطيسية تتراوح أطوال موجاتها بين عدد محدود من النانومتر وحتى حوالي البيكومتر ( البيكومتر = 10-12 متر)، أي أنه تتراوح ترددات موجاتها بين حوالي 1017×1 وحتى حوالي 1020×3 هيرتز وتتداخل هذه الشريحة تداخل واسعاً مع شريحتي الترددات التي تسبقها وهي الأشعة فوق البنفسجية والتي تليها وهي أشعة جاما . وتنتج معظم الأشعة السينية المستخدمة في التطبيقات العملية من تباطؤ الإلكترونات المسرعة لطاقات عالية نسبياً، عندما تصدم هذه الإلكترونات أهدافا مادية خاصة الأهداف الفلزية الثقيلة ، لذلك ، يطلق على هذا النوع من الأشعة السينية اسم الأشعة السينية الانكباحية. وتتولد هذه الأشعة من شاشات أجهزة التلفزة وشاشات الحاسبات بتركيز متفاوتة تزداد بزيادة فرق الجهد الكهربائي المستخدم لتجعيل الإلكترونات في هذه الشاشات. لذلك ينصح دائماً بالجلوس بعيداً عن هذه الشاشات بمسافات محددة خاصة بالنسبة للأطفال، أو استخدام دروع مضادة لهذه الأشعة حول الشاشة لخفض تركيزها كذلك، يوجد نوع آخر من الأشعة السينية التي تنطلق عندما تنتقل إلكترونات المدارات الذرية البعيدة إلى مدارات أقرب للنواة، أي عندما تتخلص الذرة من اثارتها أي من الطاقة الزائدة فيها). وتنطلق الأشعة السينية، في هذه الحالة، بقيم طاقة مميزة لذرة كل عنصر وتختلف عن القيم المميزة للعناصر الأخرى. ولذلك، يعرف هذا النوع من الأشعة المميزة للعناصر. وبالتالي تعتبر الأشعة السينية المميزة بصمة م بصمات العنصر المعين. ويمكن الكشف عن العنصر المختلفة مهما قلت تراكيزها في العينات المختلفة باستحثاث الأشعة السينية المميزة للعناصر وقياس أطيافها. وقد تطورت هذه التقنية تطوراً هائلاً في ضوء تعدد وسائل إثارة العناصر وأصبحت من أهم تقنيات الاختبارات غير الإتلافية للمواد والعناصر .
وتستخدام الأشعة السينية في مجال الطبي في تشخيص العديد من الأمراض، وكذلك في علاج العديد من الأورام السرطانية السطحية، وفي تعقيم الكثير من الأدوات والمنتجات والعقاقير الطبية . أما في مجال التطبيق الصناعية فتستخدام الأشعة السينية في العديد من المجالات مثل سبر المواد واختبار جودتها والكشف عن العيوب الصناعية فيها.
وكذلك، تستخدم الأشعة السينية لدراسة التراكيب البللورية للمواد وسبرها نظراً لأن طول موجات هذه الأشعة يقترب كثيراً من المسافات الفاصلة بين الذرات في هذه التراكيب.
ورغم المنافع الجمة والعظيمة للأشعة السينية إلا أن لها مخاطر وخيمة على الإنسان وسوف يتم التعرف عليها عند الحديث عن مخاطر الأشعة المؤينة .
9-2 شريحة أشعة جاما
أشعة جاما هي موجات كهرومغناطيسية عالية الطاقة تنطلق من نواة الذرة عندما تتفكك هذه النواة عبر تفكك ألفا أو بيتا وتتكون نواة جديدة وليدة تحمل قدراً من طاقة الإثارة، أو عند إثارة أية نواة عادية أي غير قابلة للتفكك بأي طريقة من طرق الإثارة المختلفة وتتداخل شريحة ترددات أشعة جاما تدخلاً كبيراً مع شريحة ترددات الأشعة السينية، وتتراوح ترددات أشعة جاما بين حوالي 1018 هيرتز وأكثر من 1023 هيرتز الإشعاعات جاما عالية الطاقة.
ورغم السلوك المتشابه تماماً لكل من الأشعة السينية و أشعاعات جاما إلا أنه ينبغي إدراك أن الأشعة السينية تنطلق عن تباطؤ الجسيمات المشحونة وخاصة الإلكترونات أو عن انتقال الإلكترونات من مدارات أبعد عن النواة إلى مدارات أقرب منها. أما أشعة جاما فإنها تنطلق عن النوى وليس لها علاقة بالإلكترونات المدارية. وتتميز أشعة جاما بقدرة هائلة على اختراق المواد نظراً لطاقتها العالية ولكونها موجة كهرومغناطيسية عديمة الشحنة، حيث يمكن أن تخترق جداراً خرسانيا ذات سماكة كبيرة وأن تجتازه دون أن تفقد أي جزء من طاقتها . وتستخدم أشعة جاما في الوقت الحاضر في العديد من المجالات الطبية للتشخيص والعلاج والتعقيم، وفي المجالات الصناعية في إكساب المواد خصائص خاصة ، وفي تحسين خصائص العديد من تطبيقات كثيرة منها الطبية والصناعية والزراعية.
ورغم الفوائد المتعددة لإشعاعات جاما إلا ان مخاطرها وخيمة على الانسان وعلى الكائنات الحية الأخرى التي تتعرض لكميات منها. وسوف يرد ذكر هذه المخاطر عند الحديث عن مخاطر الإشعاعات المؤينة
