الأشعة الكهرومغناطيسية.. عائلة ضوئية تكشف الأمراض وأسرار الكون السحيق

سِر بهدوء وتمعن كلّ شيء من حولك، كيف يندفع هذا العالم ليكشف أسراره بمشهد تلو الآخر وصورة تتبعها أخرى، فكل ما تسقط عليه أعيننا تدركه على الفور أبصارنا، فيجعل هذا الكون كتابا مفتوحا سهل القراءة، وهو ليس كذلك.

إنّ الكون يظهر على هيئته تلك وفقا لما يتناسب مع قدراتنا، ولا نشير هنا للعوالم الخفية وميكانيكا الكم والفيزياء الذرية وغيرها، بل الصورة البسيطة للكون التي نتعامل معها في حياتنا اليومية، وذلك مقرون بقدراتنا البصرية المحدودة -على الرغم من عظيم صنعها- في الكشف عن كلّ ما هو هناك.

فالعيون ليست إلا مستقبلات بالغة الحساسية والدقة، أو مستشعرات -إن جاز التعبير- تستشعر الضوء بعد انعكاسه على الأجسام فتبصرها. والضوء ليس إلا حزمة أشعة تنتمي لعائلة ضخمة تُعرف بالموجات الكهرومغناطيسية، وهي تضم أنماطا أخرى من الأشعة، مثل الأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء، والأشعة الراديوية، فجميعها لا تدركها عيون الكائن البشري، باستنثاء الأشعة المرئية، وهي الضوء، ﴿فَلَا أُقْسِمُ بِمَا تُبْصِرُونَ وَمَا لَا تُبْصِرُونَ﴾.

فالكون بأكمله مسرح ضخم تتراقص عليه أشعة كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة، وتنتشر في كل حدب وصوب، فتتخلل هذه الأشعة ثنايا الوجود حاملة أسرار الكون، ولا يُكشف منها إلا جزء يسير، وأما المستور فهو التحدي الأكبر الذي رسّخت البشرية نفسها للكشف عنه، باستخدام مختلف الآلات والوسائل.

الأشعة الكهرومغناطيسية.. نبض الجسيمات المشحونة بالطاقة

تعد الأشعة الكهرومغناطيسية شكلا من أشكال الطاقة تصدرها الجسيمات المشحونة وتمتصها كذلك، ولا تحتاج إلى وسيط للتنقل، لذا فبإمكانها السفر في الفضاء الفارغ بسرعة الضوء، وتأخذ سلوكا مشابها بالموجات، كما أنّها تتكوّن من حقل كهربائي وآخر مغناطيسي متساويين في الشدة ومتعامدين على بعضهما.

ولأن الأشعة تتخذ شكل الموجات الدورية المنتظمة، فإن لها قمما وقيعانا، وعليه يمكن منحها صفتين أساسيتين، وهما الطول الموجي، وهو المسافة الفاصلة بين قمتي الموجة، والتردد، ويشير إلى عدد مرات تكرر الموجة خلال ثانية واحدة. والعلاقة بين الطول الموجي والتردد عكسية؛ فكلما زاد الطول الموجي قلّ التردد، والعكس صحيح.

ويمثل الطيف الكهرومغناطيسي جميع الترددات الممكنة من الأشعة الكهرومغناطيسية، ويدرجهم ضمن مجموعات ذات خصائص مستقلة، ابتداءً من أشعة غاما ذات الطول الموجي الأقصر الذي يعادل 10 بيكومترات (البيكومتر يساوي واحد من ترليون من المتر)، وينتهي عند أشعة الراديو ذات الطول الموجي الأطول التي قد تصل إلى عشرات الكيلومترات متجاوزة قطر الأرض، وربّما أكثر من ذلك، إذ لا يوجد حد للطول الموجي.

أشعة غاما.. رسالة من الأحداث الكونية الكبرى

بعد ست سنوات من اكتشاف النشاط الإشعاعي عام 1896، استطاع الفيزيائي البريطاني الشهير “إرنست رذرفورد” اكتشاف ثلاثة أنواع مختلفة من الإشعاع تنبعث أثناء تحلل المواد المشعة، وقد أطلق على هذه الأشعة “ألفا” و”بيتا” و”غاما” حسب تسلسل قدرتها على اختراق المواد والأسطح.

وفي 1912 تحقق العلماء من أنّ أشعة غاما هي الأكثر قدرة وحظا على الاختراق، ولها جميع خصائص الإشعاع الكهرومغناطيسي النشط، في حين لا تعد أشعة ألفا وبيتا ضمن مجموعة الأشعة الكهرومغناطيسية.

وتعد أشعة غاما أكثر نشاطا وطاقة بما يتراوح بين 10 آلاف إلى 10 ملايين مرة من نشاط أشعة الضوء المرئي، ومن حسن الحظ أنّ هذه الأشعة النشطة الفتاكة تأتي ضمن الأشعة الكونية، وتصل بمعدلات قليلة للغاية إلى سطح الأرض، بفضل طبقة الأوزون التي تمتصها في طبقات الجو العليا.1

وعلى نقيض الأشعة الأخرى التي تصدر من الشمس، فإنّ أشعة غاما تنتج بفعل الأحداث الكونية المميزة مثل انفجار النجوم وحدوث المستعرات، وسقوط النجوم في الثقوب السوداء، وتصادم الأجرام السماوية العملاقة ببعضها. وبواسطة دراسة هذه الأشعة يتوصل العلماء إلى خبايا الكون ويكشفون عن هذه الأحداث الكونية المميزة.

وضبط أشعة غاما ليس سهلا البتة لسببين: الأول هو لشحّ حضورها في الفضاء مقارنة بالأشعة الأخرى، والثاني هو لأن طاقتها عالية يصعب التحكم بها والتقاطها. والطريقة المثلى للكشف عنها هو استخدام مواد خاصة قادرة على التفاعل مع الأشعة، مما يؤدي إلى شرارة أو توهج يمكن للعلماء تحليله ودراسته. ولأداء هذه المهمة تستخدم أجهزة على متن التلسكوبات الفضائية يُطلق عليها “غرفة الشرارة” (Spark Chamber) و”المكشاف الوميضي” (Scintillation Counter).2

الأشعة السينية.. اكتشاف غامض يخترق الأجسام

في ديسمبر/ كانون الأول من 1895 أعلن المهندس الألماني “ويليام رونتغن” اكتشافه الثوري للأشعة السينية بعد 7 أسابيع من العمل الدؤوب على دراسة خصائص هذا النوع من الأشعة المريبة القادرة على اختراق الأجسام.

ولدهشته وعدم معرفته بطبيعة الشيء الذي بين يديه، فقد أطلق عليها اسم “أشعة إكس” (X-ray)، وهي دلالة رياضية لقيمة مجهولة. وما لبث أن ذاع خبره في أرجاء البلاد، وبدأ عدد من الأطباء والخبراء في إجراء تجاربهم في العام التالي باستخدام الأشعة السينية على المرضى لفحص الهيكل العظمي والرئة وأعضاء حيوية أخرى، لقد كانت لحظة ولادة علم الأشعة أحد فروع التصوير التشخيصي الطبي.

كما ساهمت الأشعة السينية في غضون سنوات قليلة بالكشف عن أولى الأجسام دون الذرية، وهو الإلكترون في 1898. 3

وأغلب الأشعة السينية لها طول موجي يتراوح من 10 نانومتر إلى 10 بيكومتر، وهو ما يتوافق مع الترددات في النطاق من 30 بيتاهيرتز إلى 30 إكساهيرتز، كما أنها تشبه أشعة غاما في بعض الخصائص، إذ أنها قادرة على المرور بسهولة عبر الجلد والعظام وبعض المعادن، لإنتاج صور تعجز عين الإنسان عن إدراكها.

مكافحة الأورام.. أشعة تفتح أبواب الطب المغلقة

يُعد الاستخدام الطبي للأشعة السينية هو الأكثر شيوعا، وعلى نحو الخصوص في تشخيص العظام والمفاصل والكسور في الجسم، إذ يخضع الجسم لجلسة تصوير في آلات مخصصة، تطلق أشعة سينية تمر سريعا عبر الجلد، لكنها تستغرق وقتا أطول لتجاوز العظام، ولهذا السبب تظهر العظام بلون فاتح في الصور الملتقطة، بالإضافة إلى استخدام الأشعة في تشخيص بعض الأمراض الشائعة المتعلقة بالأسنان، وأيضا بعض الأورام الخبيثة في الرئة والثدي والجلد، بالإضافة إلى تشخيص مشاكل القلب مثل القصور.

وفي أزمة العمليات تظهر فائدتها كذلك في توجيه الجرّاحين كعملية رأب الأوعية التاجية، وهي عملية توسيع الشرايين الضيقة بالقرب من القلب، إذ تعمل الأشعة السينية على مساعدة توجيه القسطرة على امتداد أحد الشرايين.

وبعد التشخيص، تبرز قدرة الأشعة السينية في مكافحة الأورام الخبيثة والقضاء عليها، إذ تستخدم الأشعة عالية الطاقة لقتل الخلايا السرطانية وتقليص حجم الورم. وقد يخضع المريض للعلاج الإشعاعي الخارجي، أو عن طريق إدخال مواد مشعة إلى الجسم بالقرب من الخلايا المتضررة، ويُعرف هذا النمط بالعلاج الإشعاعي الموضعي (Brachytherapy).

وقد ينتج عن العلاج بالإشعاع بعض المشاكل الخطيرة، على الرغم من أن نحو 50% من مرضى السرطان يعملون به. وتنوّه “جمعية السرطان الأمريكية” إلى أنّ عدة عوامل تلعب دورا في تحديد نسبة الخطورة من ذلك، منها مقدار الجرعة الإشعاعية، والجزء المُعالَج من الجسم، وعمر الشخص، واستخدام علاجات أخرى في ذات الوقت مثل العلاج الكيميائي.4

كما أنّ الأشعة السينية تعد إحدى الوسائل الآمنة للكشف عن الرسمات المزوّرة، ولفحص المواد والتقنيات المستخدمة في الرسم، فبإمكان الأشعة السينية اختراق اللوحة بسهولة والكشف عن أي فراغات أو ثقوب أو تمزقات اعترتها الرسمة، أو الكشف عن أي إصلاحات قديمة دون الحاجة إلى تدخل فيزيائي. وتظهر المناطق الأكثر كثافة في اللوحة الفنية بشكل أفتح من غيرها عند التصوير بالأشعة السينية، وهذا قد يعطي مؤشرا جيدا عن تقلبات الفنان بآرائه بسبب تعديلاته المستمرة.5

إضافة إلى ما سبق، تُستخدم الأشعة السينية في الأنظمة الأمنية على نطاق واسع، لا سيما في المطارات التي يكاد لا تخلو من وجود أجهزة لفحص الأمتعة والحقائب.

الأشعة فوق البنفسجية.. شعاع مدهش يكشف الأجرام السماوية

تقع الأشعة فوق البنفسجية بين الضوء المرئي والأشعة السينية على طول الطيف الكهرومغناطيسي، على نطاق من الأطوال الموجية يتراوح بين حوالي 10-400 نانومتر. وعلى الرغم من أن عين الإنسان لا تستطيع رؤية الأشعة فوق البنفسجية، فإنّها قادرة على رؤية أثره، لأنها عندما تسقط على مواد معينة، فإنها تتسبب في تألقها في خاصية طبيعية تُعرف “الاستشعاع”.

كما أنّ عددا من الحشرات قادرة على رؤية الأشعة فوق البنفسجية، على عكس الكثير من الثدييات. وتنتج الأشعة فوق البنفسجية عن طريق الأسطح ذات درجة الحرارة العالية مثل الشمس، وتنقسم إلى ثلاثة أقسام وفق تصنيف الفيزيائيين.

وكان اكتشافها في عام 1801 على يد الكيميائي الألماني “يوهان فيلهلم ريتر” بعد إجراء تجربته باستخدام كلوريد الفضة، وهو مركب كيميائي يتحول إلى اللون الأسود عند تعرضه لأشعة الشمس. وكان هدفه تحديد تأثير الألوان المختلفة من الضوء على تفاعل هذا المحلول، من خلال توجيه أشعة الشمس عبر مشع زجاجي، لإنشاء طيف ضوئي. وما لاحظه هو أنّ التعرض للضوء الأزرق يسبب تفاعلا أقوى من التعرض للضوء الأحمر.

وقد زاد اندهاشا عندما وضع كلوريد الفضة خارج نطاق اللون البنفسجي من الطيف المرئي، فلاحظ تفاعلا شديدا أقوى مما كان عليه الحال عندما كان هناك ضوء مرئي، مما دفعه إلى الجزم بأنّ ثمة أشعة غير مرئية خارج نطاق اللون البنفسجي، وأطلق عليها لاحقا الأشعة فوق البنفسجية.6

تستخدم الأشعة فوق البنفسجية بشكل مكثّف لدراسة الأجرام السماوية، لا سيما النجوم حديثة النشأة أو المولودة حديثا، لأن معظم أشعتها الصادرة تكون أشعة فوق بنفسجية، وهو ما يسمح لعلماء الفلك بدراسة وتعقب دورة حياة النجوم في الكون. ويمكن كذلك دراسة خصائص وبنية المجرات وتطورها بدراسة النجوم فيها باستخدام ذات الأشعة.

الأشعة تحت الحمراء.. ضوء خافت يكشف الوجه الآخر للسماء

تحتل الأشعة تحت الحمراء المنطقة الطيفية بطول موجي من 700 نانومتر إلى 1 ملليمتر من الأشعة الكهرومغناطيسية، وتنقسم إلى ثلاثة أقسام رئيسية، يُعنى كلّ قسم باستخدام خاص. وترتبط الأشعة تحت الحمراء دائما بدراسة الأجسام الحرارية.

كان اكتشافها الأول عام 1800 على يد العالم البريطاني الألماني “ويليام هيرشل” بعد تجربته لقياس الفروق في درجات الحرارة بين الألوان في الطيف المرئي، وقد أظهرت النتائج بأنّ ثمة زيادة في درجة الحرارة من الأزرق إلى الأحمر، ولم يكتفِ بذلك، فقد لاحظ أيضا بأن درجة الحرارة تزداد بعد نهاية الطيف المرئي متجاوزا اللون الأحمر، وحينها أدرك “هيرشل” بأنّ هنالك عالما آخر غير مرئي أطلق عليه منطقة الأشعة تحت الحمراء.

ولهذه الأشعة استخدامات عدّة، وهي تتعلق بكل ما هو حراري، ويمكن استشعارها على هيئة حرارة، وكلّ جسم تنبعث منه حرارة يصدر هذه الأشعة، لكنّ بعض الأجسام تكون شديدة الحرارة، فتبعث ضوءا، كما هو الحال مع الشمس والنار. وأما الإنسان فلأن جسمه ليس بتلك السخونة فإنه لا يصدر سوى الأشعة تحت الحمراء. وباستخدام أجهزة مخصصة يمكن رؤية هذه الأشعة، مثل النظارات الليلية وكاميرات الأشعة تحت الحمراء المستخدمة في الأغراض العسكرية والأمنية.

وما هو ملاحظ بأنّ عددا من الأجسام في الكون باردة جدا، وتبدو خافتة إلى نقطة لا يمكن أن نراها، وهذا يظهر جليا في سماء الأرض عند تمعن السماء بالعين المجرّدة، فإنها تبدو صماء شديدة السواد. ولكن مع اكتشاف الأشعة تحت الحمراء، اختلف الأمر تماما، وكشف الكون لنا وجها مغايرا تماما لما نألفه.

فنظرا لأنّ الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء أطول من الضوء المرئي، فإن بقدرتها العبور عبر الغبار الكوني والمناطق ذات الكثافة الغازية الأعلى، وهذا ما يمنحنا أفضلية لرؤية ما توارى خلف السدم الغازية. ويحتوي “تلسكوب جيمس ويب الفضائي” على ثلاثة أجهزة تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وهو ما يعطيه أفضلية قصوى على عدد من المراقب الأخرى.7

وبالنسبة لعلماء الفيزياء الفلكية الذين يدرسون الكون، فإن الأشعة تحت الحمراء تعد مصدرا محوريا لدراسة الكواكب الباردة، مثل كوكب الأرض الذي يُعد باردا نسبيا، إذ متوسط درجة الحرارة هو 15 درجة مئوية، ومقارنة بالطاقة المنبعثة من النجوم الساخنة والأجرام السماوية الأخرى فإنه بارد للغاية.

وبالاستعانة بأجهزة موجودة على متن الأقمار الصناعية لمراقبة الأرض حراريا، فإنّ العلماء قادرون اليوم على التنبؤ بالتغيرات المناخية على المدى القصير والبعيد، ويمكن التنبؤ باندلاع بعض البراكين أو الحرائق، بسبب التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة.8

أشعة الراديو.. موجات خفية ذات استخدام بشري عالٍ

تحظى أشعة الراديو باهتمام بالغ بسبب استخداماتها واسعة النطاق، وتقع في الجزء الأخير من الطيف الكهرومغناطيسي، ولها طول موجي يتراوح بين 30 سم إلى آلاف الكيلومترات.

وكان اكتشافها على يد الفيزيائي الألماني “هاينريش هيرتز” في أواخر ثمانينيات القرن التاسع عشر، إذ استخدم لها هوائيات وفجوات شرارة (Spark Gap)، وفجوة الشرارة تتكون من وضع قطبين كهربائيين مفصولين بفجوة تكون مملوءة عادة بغاز مثل الهواء، وهي مصممة للسماح للشرارة الكهربائية بالمرور بين الموصلات.

لقد لاحظ “هيرتز” أنّه عند حدوث الشرارة، فإنّ أشعة صادرة تلتقطها الهوائيات التي لديه، وهو ما دفعه إلى تصور أنّ هناك أشعة غير مرئية تحمل ذات الخصائص في الأشعة الكهرومغناطيسية، ولاحقا عُرفت بأشعة الراديو.9

تنتقل موجات الراديو بسهولة عبر الهواء، ولا تسبب أضرارا إذا تعرض لها جسم الإنسان، بل إنها تنعكس ويتغير اتجهاها فحسب، وبسبب هذه الخصائص فإنها تعد مثالية للاتصالات.

ويمكن إنتاج موجات الراديو عن طريق التذبذبات في الدوائر الكهربائية، كما أن المعلومات في الموجة تُشفّر قبل إرسالها، وحين وصولها يُفك تشفيرها حتى تصبح المعلومات في الموجة ذات فائدة، وتستخدم أنظمة التلفزة والراديو هذا المبدأ منذ القرن الماضي حتى اليوم.

 

المصادر

[1] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). أشعة غاما. الاسترداد من: https://www.britannica.com/science/electromagnetic-radiation/Gamma-rays

[2] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). كيف “يرى” العلماء أشعة غاما؟. الاسترداد من: https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/observations.html#:~:text=Devices%20called%20spark%20chambers%20and,energy%20of%20the%20gamma%20ray.

[3] توبينا، م. (1996). فيلهلم كونراد رونتجن واكتشاف الأشعة السينية. الاسترداد من: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8696882/

[4] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). هل تسبب الأشعة السينية وأشعة غاما السرطان؟. الاسترداد من: https://www.cancer.org/cancer/risk-prevention/radiation-exposure/x-rays-gamma-rays/do-xrays-and-gamma-rays-cause-cancer.html#:~:text=Studies%20have%20linked%20radiation%20therapy,of%20the%20body%20being%20treated

[5] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). الأشعة السينية. الاسترداد من: https://www.bbc.co.uk/programmes/articles/2W9ZSkdylDwmyRlLJSZB2rh/x-radiation-x-ray#:~:text=Denser%20areas%20of%20a%20painting,whether%20it%20is%20an%20original.

[6] محررو الموقع (2022). تجربة ريتر. الاسترداد من: https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/page/lesson_ritter_experiment

[7] لوكاس، جيم (2019). ما هي الأشعة تحت الحمراء؟. الاسترداد من: https://www.livescience.com/50260-infrared-radiation.html

[8] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). الأشعة تحت الحمراء. الاسترداد من: https://science.nasa.gov/ems/07_infraredwaves#:~:text=Infrared%20waves%2C%20or%20infrared%20light,change%20channels%20on%20your%20TV.

[9] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). أشعة الراديو. الاسترداد من: https://science.nasa.gov/ems/05_radiowaves#:~:text=Heinrich%20Hertz%20proved%20the%20existence,jump%20its%20gap%20as%20well.