تبلیغات
مهندسی الکترونیک

 


بازدید : مرتبه
تاریخ : سه شنبه 12 تیر 1386

امروزه می دانیم كه نور یك موج الكترمغناطیسی است و بخش بسیار كوچكی از طیف الكترمغناطیسی را تشكیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الكترومغناطیسی پرداخت. اما از آنجاییكه مكانیك كلاسیك قادر به توضیح كامل امواج الكترومغناطیسی نیست، الزاماً بایستی به مكانیك كوانتوم مراجعه كرد. اما قبل از وارد شدن به مكانیك كوانتوم لازم است با برخی از خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مكانیك كلاسیك را دانست.

ادامه مطلب را کلیک کنید 


خواص نور

نخستین مسئله ای مهم جلوه می كرد این بود كه نور چیست؟ از آنجاییكه عامل دیدن بود و در تاریكی چیزی دیده نمی شد، سئوال این بود كه نور چیست؟ چرا می بینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید می شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد كه نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می شود. بعد از آن مسئله انعكاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینكه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را باز تابش می كنند؟ چرا نور از برخی اجسام عبور می كند و از برخی دیگر عبور نمی كند؟ چرا نور علاوه بر آنكه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز می شود؟ نور چگونه منتقل می شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوه ی انتقال آن چیست؟

نخستین آزمایش مهم نور توسط نیوتن در سال 1666 انجام شد. وی یك دسته اشعه نور خورشید را كه از شكاف باریكی وارد اتاق تاریكی شده بود، بطور مایل بر وجه یك منشور شیشه ای مثلث القاعده ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.

نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یك پرده سفید انداخت. وی مشاهده كرد كه به جای تشكیل یك لكه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی كه به ترتیب مركب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراكنده شده است. نوار رنگینی را كه از مولفه های نور تشكیل می شود، طیف می نامند.

نیوتن نظر داد كه نور از ذرات بسیار ریز - دانه ها - تشكیل می شود كه با سرعت زیاد حركت می كند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حركت می كند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می بود می بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد كه می دانیم درست نیست.

هویگنس در سال 1690 رساله ای در شرح نظریه موجی نور منتشر كرد. طبق اصل هویگنس حركت نور به صورت موجی است و از چشمه های نوری به تمام جهات پخش می شود. هویگنس با به كاربردن امواج اصلی و موجك های ثانوی قوانین بازتاب و شكست را تشریح كرد. هویگنس نظر داد كه سرعت نور در محیط های شكست دهنده كمتر از سرعت نور در هوا است كه درست است.


پیروزی نظریه موجی نور

نظریه دانه ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت كه این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع كننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه ی نور می توانند بدون آنكه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه ی نورانی می توانند بدون آنكه مزاحمتی برای هم فراهم كنند از یكدیگر بگرند. هویگنس نمی دانست كه نور موج عرضی است یا موچ طولی، و طول موج های نور مرئی را نیز نمی دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای این انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می كرد كه این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبكی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.

نظری هویگنس نیز بطور كامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد كه چرا سایه ی واضح تشكیل می شود، یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریه موجی و دانه ای نور بیش از یكصد سال با هم مجادله كردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یكطرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنكه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید

لئونارد اویلر فكر امواج دوره ای را تكمیل كرد، همچنین دلیل رنگ های گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و این گام بلندی بود. در سال 1800 ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده اما جالبی انجام داد. وی یك دسته اشعه ی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب كرد. جیوه در دما سنج بالا رفت، بدین ترتیب هرشل تابشی را كشف كرد كه به تابش زیر قرمز مشهور شد.

در همین هنگام یوهان ویلهلم ریتر انتهای دیگر طیف را كشف كرد. وی دریافت كه نیترات نقره كه تحت تاثیر نور آبی یا بنفش به نقره ی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره می شود، اگر در ورای طیف، در جاییكه بنفش محو می شود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه می شود. ریتر نوری را كشف كرد كه ما اكنون آن را فوق بنفش می نامیم. بدین ترتیب هرشل و ریتر از مرزهای طیف مرئی گذشتند و در قلمروهای جدید تابش پا نهادند. در این هنگام دلایل جدیدی برای موجی بودن نور توسط یانگ و فرنل ارائه گردید.

در سال 1801 توماس یانگ دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یك دسه اشعه ی باریك نور را از دو سوراخ نزدیك بهم گذارانید و بر پرده ای كه در عقب این سوراخ نصب كرده بود تابانید. احتمال می رفت كه اگر نور از ذرات تشكیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعه ای كه از سوراخها عبور كرده اند، بر روی پرده روشن تر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجه ای كه یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یك گروه نوارهای روشن تشكیل شده بود كه هر یك به وسیله ی یك نوار تاریك از دیگری جدا می شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ی تقویت امواج یكی از دسته ها به وسیله ی امواج دسته ی دیگر است. به گفته ی دیگر، هر جا كه دو موج همفاز شوند، بر یكدیگر افزوده می شوند و یكدیگر را تشدید می كنند. از طرف دیگر نوارهای تاریك نشان دهنده ی جاهایی است كه امواج در فاز مقابلند، در نتیجه یكدیگر را خنثی می كنند. اگر چه یانگ بارها تاكید كرد كه برداشت هایش ریشه در پژوهش های نیوتن دارد، اما به سختی مورد حمله قرار گرفت و نظریات وی خالی از هر گونه ارزش تلقی شد. با این وجود یانگ طول موج های متفاوت نور مرئی را اندازه گرفت.

در سال 1814 ژان فرنل بی خبر از كوششهای یانگ مفاهیم توصیف موجی هویگنس و اصل تداخل را با هم تركیب كرد و اظهار داشت: ارتعاشات یك موج درخشان را در هر یك از نقاط آن می توان به عنوان مجموع حركت های بنیادی دانست كه به آن نقطه می رسند. بر اثر انتقادهای شدید طرفداران نیوتن، فرنل تاكیدی ریاضی یافت. وی توانست نقش های پراش ناشی از موانع و روزنه های گوناگون را محاسبه كند و به طور رضایت بخشی انتشار مستقیم نور را در محیط های همسانگرد و همگن توضیح دهد. بدینسان انتقاد عمده ی طرفداران نیوتن را نسبت به نظریه موجی بی اثر كند. هنگامیكه فرنل به تقدم یانگ در اصل تداخل پی برد، هرچند اندكی مایوس شد، اما نامه ای به یانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم رای بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ی بحث در مورد كارهای فرنل لازم است موج طولی و موج عرضی را تعریف كنیم. در مجو طولی جهت انتشار با جهت ارتعاش یكی هستند. نظیر نوسان یك فنر. اما در موج عرضی جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظیر موج بر سطح آب كه نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور می كرد امواج نور، امواج طولی هستند. اما تصور موج طولی نمی توانست خاصیت قطبش نور را توجیه كند. فرنل و یانگ چندین سال با این مسئله درگیر بودند تا سرانجام یانگ اظهار داشت كه ممكن است ارتعاش اتری همانند موجی در یك ریسمان عرضی باشد. ولی امواج عرضی انها در یك محیط مادی منتقل شوند. از طرفی دیگر با توجه به سرعت نور ( كه در آنزمان مقدار آن را نمی دانستند ولی می دانستند كه فوق العاده زیاد است)، اتر نمی توانست گاز یا مایع باتشد و باید جامد و در عین حال خیلی صلب باشد حتی می بایست صلب تر از فولاد باشد. از این گذشته اتر می بایست در تمام مواد نفوذ كند، یعنی نه تنها در فضا، بلكه باید در بتواند گازها، آب، شیشه و حتی در چشم ها نفوذ كند، زیرا نور وارد چشم نیز می شود. علاوه بر این اتر نبایستی هیچگونه اصطكاكی داشته باشد و مانع بهم خوردن پلك ها گردد. با وجود این با تمام مشكلاتی كه اتر داشت برای توجیه موجی بودن نور مورد قبول واقع شد. بدین ترتیب در سال 1825 نظریه موجی نور مورد قبول واقع شد و نظریه دانه ای نیوتن طرفداران چندانی نداشت .




طبقه بندی: امواج و الکترو مغناطیس، 
ارسال توسط سمیرا
ویژه ها
آرشیو مطالب
پیوند های روزانه
امکانات جانبی
blogskin