نور صورتی از تشعشعات الکترومغناطیس است. نور یک انرژی درخشنده است که توسط ماده در دمای بالا، هنگامیکه به صورت الکتریکی تحریک شده یا تحت واکنشهای شیمیایی و فیزیکی قرار گرفته است ، منتشر می شود.
در دوره ای سعی فیزیکدانان بر اثبات نور به صورت باریکه ای از ذرات و در دوره ای دیگر به صورت موج بوده است. امروزه اثبات شده است که نور ماهیت ذره ای-موجی دارد و این خواص را در آزمایشهایی از خود نشان می دهد.
همانطور که در تصویر مشخص است ، موج منتشر شده دارای مشخصات زیر است:
- دامنه (amplitude) که تیرگی و روشنی نور را باعث می شود.
- طول موج (wavelength) که تعیین کننده ی رنگ نور است.
- زاویه نوسان که قطبش نام دارد.
در تئوری کوانتوم ، تشعشعات الکترومغناطیس از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده اند که به صورت بسته های انرژی ، با سرعت نور در حرکتند. در نگرش ذره ای به نور، تعداد فوتونها تعیین کننده ی تیرگی و روشنی ، انرژی هر فوتون تعیین کننده ی رنگ ، 4 پارامتر (X,Y,Z,T) نشان دهنده ی قطبش می باشند.
در این تئوری ، انرژی یک فوتون برابر hf می باشد که h ثابت پلانک و f فرکانس یا بسامد ( تعداد طول موج در واحد زمان) است.
پرتوهای الکترومغناطیسی
این تشعشعات دارای طیف وسیعی هستند که از 1 نانومتر ( 9-^10،nm) تا 1000 متر گسترده است ولی چشم انسان قادر به دیدن بخش محدودی از این طیف ( 400- 700 نانومتر) می باشد. البته بعضی حیوانات توانایی دیدن بخش گسترده تری ، مانند محدوده ی امواج فرابنفش ( طول موجهای کمتر از 400 نانومتر) هستند و به طور کلی طول موجهای حدود 380 – 760 نانومتر را درک می کنند.
عبارت " طیف الکترومغناطیس " برای توصیف تمامی طول موجهای ناشی از تشعشعات الکترومغناطیسی می باشد. این طیف شامل امواج رادیویی ، ماکروویو ، مادون قرمز ، نور مرئی ، فرابنفش ، اشعه ی X ، گاما و دیگر تشعشعات در طول موجهای کوتاهتر یا بلندتر می باشد.
این امواج از قوانین یکسان تبعیت می کنند و تفاوتشان در طول موج و انرژی به آنها اجازه می دهد تأثیر متفاوتی بر اجسام بگذارند.
به طور مثال امواج رادیویی دارای طول موج بلند و انرژی کم می باشند و قابل رؤیت توسط چشم نیستند ولی به راحتی از ساختمان بدن عبور می کنند.
امواج مادون قرمز جز طول موجهایی است که به راحتی قابل جذب توسط مواد و تبدیل شدن به گرما است.
اشعه ی X قابلیت عبور از نسوج را داراست ولی از استخوان نمی تواند عبور کند.
تمامی این امواج با سرعت نور ( 299.793.458 متر بر ثانیه) در حرکتند . جالب است بدانید که دانشمندان از سرعت نور و ترکیب آن با مفهوم 1 ثانیه توانستند به مفهوم و معنای 1 متر برسند ! در قرن 17 میلادی در کنفرانس عمومی وزن و مقیاس، 1متر چنین تعریف شد : میزان مسافتی که در 299792458/1 ثانیه توسط نور در خلاء طی می شود.
سرعت نور همواره ثابت است و با حرف C نمایش داده می شود. حاصلضرب طول موج در فرکانس برابر با سرعت نور است که این فرمول نشان می دهد این دو کمیت ( طول موج و فرکانس) با یکدیکر رابطه ی عکس دارند و کاهش یکی افزایش دیگری را در پی دارد.
نور همواره به صورت مستقیم حرکت می کند مگر اینکه تحت تأثیر میدان مغناطیسی قوی قرار گیرد و یا شکسته شود ( پدیده ی شکست نور).
در حالت اول نور در مسیرش خم خواهد شد ولی این حالت تأثیری در بینایی انسان و درک او از نور نخواهد داشت. حالت دوم توسط چشم انسان قابل تشخیص است و هنگامی اتفاق می افتد که نور از محیطی به محیط دیگر با خصوصیات متفاوت وارد می شود و به این ترتیب مسیر پرتوی نور تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال می توان به حالتی اشاره کرد که وقتی جسمی مانند خط کش در لیوان آب نیمه پر قرار می گیرد قابل رؤیت است. از بسیاری جهات امواج نوری شبیه امواج منتشر شده بر روی آب است، با این تفاوت که انتشار امواج بر سطح آب در 2 بعد و انتشار امواج نوری در 3 بعد است.امواج نور به صورت کروی ( مطابق شکل) منتشر می شوند.
شکل گیری نور
اتم هر عنصر طیف نوری مخصوص به خود را داراست که نتیجه ی برانگیختگی الکترونهای آن است. این نوع نور هنگامیکه اتمها گرم می شوند ، متصاعد می شود و از انواع آن می توان به نور خورشید ، نور لامپها ( به جز فلورسنت ) و آتش اشاره کرد.
این تشعشعات با نام "تابش جسم سیاه" شناخته شده هستند.
وابسته به اینکه ماده چقدر افزایش دما می یابد ، الکترونها به سطح انرژی پایین تری می روند و انرژی معینی به صورت فوتون آزاد می کنند. فوتونهای آزاد شده انرژی های متفاوتی دارند که باعث به وجود آمدن رنگهای متفاوت می شود.
تحقیقات نشان داده است که در دماهای پایین تر این مواد به سمت تابش امواج مادون قرمز میل می کنند. این همان چیزیست که ما به نام گرما از آتش دریافت می کنیم.با افزایش دما این تابش به ترتیب فرمز ، نارنجی ، زرد و در انتها سفید رنگ خواهد شد.
نور خورشید
این نور به نظر ما سفید رنگ است در حالیکه اینطور نیست و در واقع هیچ طول موجی مربوط به رنگ سفید وجود ندارد. نور خورشید ترکیبی از امواج نوری در فرکانسهای مختلف است که قسمتی از آن را طول موجهای نور مرئی که چشم و مغز انسان توانایی تفسیر آنها را دارد تشکیل می دهد.
طیف منتشر شده از خورشید همان طیفی است که قبلاً تحت نام "تابش جسم سیاه" به آن اشاره شد. این نوع نور وابسته به دما، رنگهای متفاوت متصاعد می کند که در فرکانسهای بالاتر ، به سمت آبی و پایین تر ، به سمت قرمز متمایل است.
نور خورشید در محدوده ی طیف آبی – سبز قرار دارد. با وجود اینکه این طول موجها تماماً در محدوده ی طول موجهای مرئی قرار دارند، ولی به دلیل دامنه و فاصله اشان با ما این امواج روشنتر از حد معمول می باشند به همین علت مغز ما سیگنال رنگها را ترکیب کرده، این ترکیب را به رنگ سفید مشاهده می کنیم که اثری از دیگر رنگها در آن نیست. ستاره های دیگر که از خورشید گرمتر یا سردتر هستند با رنگهای دیگر (به ترتیب آبی تر و قرمز تر ) دیده خواهند شد. پس نتیجه می گیریم هر چقدر دما بالاتر رود ، طول موج به سمت رنگ آبی میل خواهد کرد که خلاف تصور عامیانه است.
تکنولوژی به کار رفته در تلویزیونها و صفحه نمایش کامپیوترها نیز عملکردی شبیه خورشید دارد و توانایی ترکیب چند نور و ایجاد رنگهای جدید و متفاوت را داراست . اگر با ذره بین به سطح یک تلویزیون نگاه کنید ، نقاط کوچک به رنگهای قرمز ، سبز و آبی را مشاهده خواهید کرد که توسط آنها تعداد بسیار زیادی رنگ تولید می شود.
ساختمان چشم انسان
می توانیم اجسام را به 2 دسته تقسیم کنیم :
1 – اجسامی که توانایی تابش نور را دارند .2- اجسامی که نور دسته ی اول را منعکس می کنند.
ما تنها وقتی می توانیم جسمی را ببینیم که نوری از آن به چشم ما برسد. نور مرئی قادر است شبکیه (Retina) را تحریک کند. به همین خاطر اگر نوری وجود نداشته باشد ،چشم ما قادر به دیدن اشیاء نیست زیرا چیزی برای تحریک شبکیه وجود ندارد و سیگنالی به مغز فرستاده نخواهد شد.
هنگامیکه برای مدتی به نور خیره می شویم شبکیه به قدری تحریک می شود که حتی پس از قطع نور ، سیگنالهایی به مغز می فرستد و ما تصاویر مبهمی می بینیم.
در یک نتیجه گیری کلی ، می توانیم بگوییم نور تنها چیزیست که ما می بینیم. این نور می تواند از یک منبع نور تابیده یا از یک شی بازتاب شود و به چشم ما برسد.
چشم انسان یک ارگان پیچیده است که دارای قسمتهای مختلفی است که هرکدام وظایف متنوعی دارند. عنبیه (Iris) قسمتی از ساختار چشم است که تعیین کننده ی رنگ چشم انسان( قهوه ای، آبی،سبز و ...) می باشد. عنبیه نقطه ی مشکی رنگی به نام مردمک چشم (Pupil) را احاطه کرده است. عنبیه قابلیت تنگ و گشاد شدن و بزرگ و کوچک کردن مردمک چشم را داراست و از این طریق نور وارد شده به چشم را تنظیم می کند. محل قرار گیری عنبیه بین قرنیه و عدسی می باشد.
کره ی چشم از دیواره ی محکم سفید رنگی که درونش با مایعی پر شده ، تشکیل شده است. میان قرنیه و عدسی چشم با مایعی آبکی و سایر نقاط با یک ماده ی شفاف ژله مانند پر شده است.
در انتهای چشم شبکیه قرار گرفته است. تصاویر توسط عدسی ها روی شبکیه تشکیل می شوند ، به پالسهای الکتریکی تبدیل شده ،توسط عصبهای بینایی به مغز ارسال می گردند. به همین ترتیب هنگامیکه به جسمی می نگرید پرتوهای نور تابیده شده از آن جسم به چشم شما می رسند و تصویر شکل می گیرد.
این یک واقعیت است که ما در برابر بسیاری از طول موجها نابینا هستیم. بنابراین استفاده از وسایلی که توانایی تفکیک و تشخیص این طول موجها را دارند برای مطالعه ی کره ی زمین و کهکشان اهمیت پیدا می کند. این وسایل حتی قابلیت نمایش نور مرئی را به صورت واضحتر از آنچه چشم انسان به تنهایی قادر به تشخیص است ، دارند. به همین دلیل است که برای نگریستن به تمامی نقاط زمین از ماهواره ها و برای دیدن نقاط دور در آسمان از تلسکوپها بهره می گیریم.
نکات مفید :
نور : موج یا ذره ؟
• نیوتن نور را مجوعه ای ذرات تعریف می کرد.
• هوینگس عقیده داشت نور یک موج است ، مانند صوت.
• از 1900-1650 تئوری نور موجی شکل مورد قبول بود.
• امروزه نور به عنوان هردو صورت " امواج الکترومغناطیس" و ذره ای به نام "فوتون" پذیرفته شده است.
امواج :
• هر یک از موج ها دارای یک طول موج بخصوص هستند.
• هر یک از موج ها دارای یک فرکانس مخصوص به خود می باشند.
طیف مرئی نور :
• نیوتن نشان داد نور سفید در برگیرنده ی تمامی رنگهای رنگین کمان است.
• رنگهای این طیف قرمز ، نارنجی ، زرد ، سبز ، آبی و بنفش می باشند.
طیف الکترمغناطیس :
• نور مرئی سهم کوچکی از تمامی طیف الکترومغناطیس داراست.
• اشعه ی گاما دارای انرژی بسیار زیاد و طول موج خیلی کوتاه ، در حدود 01/0 نانومتر است.
• اشعه ی X دارای انرژی زیاد است به همین خاطر قابلیت نفوذ به نسوج را داراست ولی از استخوان عبور نمی کند و طول موجش در حدود 1/0 تا 1 نانومتر است.
• امواج ماوراء بنفش نیز دارای طول موج کافی برای دیده شدن توسط چشم غیر مسلح نیستند. ( 100-10 نانومتر)
• نور مرئی همانطور که ذکر شد شامل رنگ قرمز تا بنفش می باشد. ( 700-400 نانومتر)
• امواج مادون قرمز دارای طول موج بلندی هستند که با چشم غیر مسلح دیده نمی شوند. (100-1 میکرومتر،6-^10 متر= 1میکرومتر)
• ماکروویو نیز دارای طول موج در حدود 1/0 تا 1 میلیمتر می باشد.
• امواج رادیویی نیز از طول موج 1 سانتیمتر تا 1 کیلومتر گسترده اند.
رابطه ی طول موج و فرکانس :
• سرعت نور همواره ثابت است و حدوداً برابر 8^10*3 متر بر ثانیه است.
• حاصلضرب فرکانس یک موج نوری در طول موج برابر سرعت نور خواهد بود : lf = C
تشعشعات گرمایی :
• تمامی اشیاء وابسته به دمایشان ، از خود نور متصاعد می کنند.
• قانون واین: جسم هرچه گرمتر، تشعشعاتش آبی تر خواهد گشت.
• طول موج با دما رابطه ی عکس دارد : اگر دما 10 برابر شود ، طول موج 10/1 برابر خواهد شد.
خطوط نشر:
• یک گاز در دمای بالا دارای طیف نوری منتشر شده یکسان با جامد ات یا مایعات گرم نیست.
• نوری که یک گاز در دمای بالا منتشر می کند به تعداد کم و معینی طول موج به نام خطوط انتشار محدود است.
• مهمترین خط مرئی ، قرمز رنگ است که Ha نام دارد و مربوط به گاز هیدروژن است.
خطوط جذب :
• وقتی نور از یک گاز سرد عبور می کند ، گاز همان خطوطی را که در حالت گرم ممکن بود متصاعد کند؛ جذب خواهد کرد.
• بنابراین طیف نور خطوط مشکی خواهد داشت که نشانگر دما و نوع عنصر می باشد.
خطوط مولکولی :
• مولکولها از خطوط نزدیک به هم تشکیل گروه می دهند.
• خصوصیات خطوط نشر و جذب برای مولکولها نیز وجود دارد.
