نور چیست؟ — به زبان ساده

در مطالب گذشته وبلاگ فرادرس در مورد امواج الکترومغناطیسی صحبت شد و ماهیت آن را نیز توضیح دادیم. جالب است بدانید که نور نیز نوعی موج الکترومغناطیسی محسوب می‌شود. از این رو در این مطلب قصد داریم تا ماهیت آن را توضیح داده و ویژگی‌های آن را نیز شرح دهیم.

نور چیست؟

از زمان کودکی، دیدگاه ما در مورد نور، بسیار بدیهی به‌نظر می‌رسد. در آن زمان جهان ما، روشن یا تاریک است. اما در ادامه توضیح خواهیم داد که نور، پدیده‌ای پیچیده‌تر بوده و باید در مقیاس میکروسکوپی آن را بررسی کرد.

نور پس از سفری با سرعت بالا و طی مسافت 149 میلیون کیلومتر (93 میلیون مایل دور) از خورشید به سیاره ما می‌رسد. پرتو‌ها با سرعتی معادل 186،000 مایل (300،000 کیلومتر) در ثانیه حرکت می‌کنند؛ بنابراین نوری که در هر لحظه می‌بینید، مربوط به هشت دقیقه پیش بوده که از خورشید سفر خودش را آغاز کرده است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

اما چرا و چگونه نور چنین سفری را انجام می‌دهد؟ همانطور که احتمالا می‌دانید، خورشید کره‌ای آتشین است که انرژی را در تمام جهات منتشر می‌کند. تولید انرژی در خورشید با استفاده از فرآیند همجوشی هسته‌ای انجام می‌گیرد.

نوری که ما آن را می‌بینیم بخشی از انرژی خورشید است که چشمان ما قادر است آن را تشخیص دهد. هنگامی که نور بین دو مکان (از خورشید به زمین یا از یک چراغ قوه به سوی پیاده‌رو) حرکت می‌کند، انرژی بین این دو نقطه نیز به جریان در می‌آید. انرژی به شکل امواج (شبیه به امواج دریا، حدود 100 میلیون بار کوچکتر) حرکت می‌کنند. این امواج الگویی ارتعاشی از امواج الکتریکی و مغناطیسی هستند که ما آن‌ها را انرژی الکترومغناطیسی می‌نامیم. در حقیقت این دو موج الکتریکی و مغناطیسی به یکدیگر عمود بوده و با سرعت نور منتقل می‌شوند.

موج یا ذره

دانشمندان برای سال‌های بسیاری با این سوال مواجه بودند که آیا نور واقعا یک موج است؟ در قرن 17، آیزاک نیوتن، یکی از اولین افرادی بود که به مطالعه دقیق در مورد جزئیات نور پرداخت. او برای اولین بار نور را به عنوان جریانی از ذرات یا بطور ساده آن را به صورت ذره در نظر گرفت. اما رقیب بزرگش، فیزیکدانی هلندی به نام «کریستیان هویگنس» (Christiaan Huygens)، کاملا معتقد بود که نور از امواج تشکیل شده است.

ادعای ذره‌ای بودن نور توسط نیوتن منجر به طرح مباحثی شد که حتی امروزه نیز در مورد آن گفت و گو می‌شود. در بعضی موارد، نور به درستی مشابه با موج رفتار می‌کند. برای نمونه پرتو‌ها می‌توانند از یک آینه بازتاب شوند. دقیقا مشابه با حالتی که امواج دریا به صخره برخورد کرده و باز می‌گردند. از زاویه‌ای دیگر، نور رفتاری بسیار مشابه با یک جریان از گلوله‌هایی دارد که از یک اسلحه با سرعت بالایی شلیک می‌شوند. در طول قرن بیستم فیزیکدانان معتقد بودند که نور میتواند همزمان ذره و موج باشد. (این نظریه تحت عنوان دوگانگی موجی-ذره‌ای شناخته می‌شود).

پاسخ دقیق‌تر به این مسئله شاید بجای فیزیکی بودن، بیشتر فلسفی و روانشناسی است. درک ما از جهان بر اساس چگونگی کارکرد چشم و مغز ما تفسیر می‌شود. بعضی اوقات به نظر می‌رسد که نور به‌عنوان موج رفتار می‌کند؛ گاهی اوقات نیز به نظر می‌رسد که نور جریانی از ذرات است. این در حالی است که در نگاه اول به نظر می‌رسد هر دوی این مفاهیم نمی‌توانند برقرار باشند. می‌توان وانمود کرد که نور تقریبا هر دوی این رفتار‌ها را با تناسب خاصی و در شرایط خاصی دارد. برای درک بهتر نور می‌توان آن را به صورت شکلی از انرژی در نظر گرفت. یک روز ممکن است شخصی راهی بهتر برای توصیف و توضیح آن ارائه می‌دهد که در تمام شرایط کاملا منطقی به‌نظر می‌رسد. بنابراین می‌توان در نهایت می‌توان گفت که نور را هم می‌توان به صورت موجی و هم به صورت ذره‌ای تفسیر کرد.

رفتار نور

امواج نور (در این بخش نور را به‌صورت موج در نظر بگیرید) در ۴ حالت مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. این رفتار‌ها با نام‌های بازتاب، شکست، پراش و تداخل شناخته می‌شوند. در ادامه هریک از این حالات را به‌طور مجزا توضیح خواهیم داد.

بازتاب

واضح‌ترین چیزی که در مورد نور می‌توان گفت این است که با برخورد آن به اشیاء مختلف منعکس می‌شود. بازتاب تنها دلیلی است از این‌که می‌توانیم اشیاء موجود در اطرافمان را ببینیم. به این دلیل است که نور، از خورشید یا از چیزی مانند یک لامپ الکتریکی به چشم ما بازتاب می‌کند. در حقیقت اگر منبع را حذف کنید یا از رسیدن نور آن به چشمانتان جلوگیری کنید، این اشیاء ناپدید می‌شوند. بدیهی است که در این حالت اجسام از بین نمی روند بلکه شما دیگر نمی‌توانید آنها را مشاهده کنید.

بازتاب می‌تواند به دو روش کاملا متفاوت انجام شود. اگر سطحی صاف بوده و بسیار صیقل داده شده را در معرض یک پرتو باریک از نور قرار دهید، خواهید دید که پرتو مذکور به طور کامل بازتاب داده می‌شود. این موضوع به این معنی است که اگر پرتو‌های یک چراغ قوه یا لیزر را به یک آینه بتابانید، پرتو‌های مذکور بازتاب داده می‌شوند. اکثر اشیا صیقل داده شده و صاف قابلیت بالایی در بازتاب پرتو‌های نور دارند. از طرفی وقتی نوری را روی سطحی زبر بتابانید، خواهید دید که پرتو‌های آن پراکنده می‌شوند. این نوع از بازتاب، پخش نامیده می‌شود و این همان دلیلی است که باعث می‌شود اکثر اشیاء را در اطرافمان ببینیم. در حقیقت اگر جسمی کل پرتو تابیده شده به خودش را جذب کند، دیگر قادر نخواهیم بود آن را ببینیم.

اگر قادر باشید چهره خود را در بستری همچون آب یا آینه به طور کامل ببینید، در این صورت بازتاب به صورت بازتاب کامل است؛ اما اگر نتوانید چهره خود را مشاهده کنید، بازتاب از نوع پخش محسوب می‌شود. برای نمونه یک قاشق چایخوری را صیقل دهید، در این صورت خود را کاملا واضح در آن خواهید دید. اما اگر قاشق کثیف باشد، ذرات زیر و گرد و غبار، نور را در همه جهات پراکنده می‌کند و صورت شما ناپدید می‌شود.

شکست

امواج نوری در فضای خالی (خلاء) در خطوط مستقیم حرکت می‌کنند؛ اما وقتی نور در دیگر مواد سفر می‌کند، رفتار‌هایی جالب‌تر نیز از خود نشان می‌دهد. این رفتار زمانی محسوس‌تر است که نور از یک محیط به محیطی دیگر جابجا می‌شود.

آیا متوجه شده‌اید که در هنگام راه رفتن در آب، عمل قدم‌زدن چقدر مشکل‌تر می‌شود؟ این در حالی است که دویدن در یک ساحل می‌تواند با سرعتی بالا انجام شود. فارغ از میزان تلاش، راه رفتن شما در آب همواره کار مشکل‌تری است. مایع به نسبت هوا متراکم‌تر بوده، از این رو حرکت شما باید سیالی متراکم‌تر را جابجا کند. دقیقا همین حالت در مورد نور نیز اتفاق می‌افتد. در حقیقت سرعت حرکت نور در آب، شیشه، پلاستیک و یا هر ماده متراکم‌تری نسبت به هوا، کند‌تر است. این تفاوت سرعت نور در محیط‌های مختلف منجر به شکست آن می‌شود.

شکست نور به نحو شگفت‌انگیزی، کاربردی است. اگر از عینک استفاده می‌کنید، احتمالا می‌دانید که لنزهای تعبیه شده در آن از قطعه‌هایی منحنی شکل شیشه‌ای یا پلاستیکی ساخته شده‌اند که نور را از اشیایی که به آن‌ها نگاه می‌کنید، منحرف می‌کنند. خم شدن نور این امکان را فراهم می‌کند تا این احساس ایجاد شود که نور از فاصله‌ای نزدیکتر یا دورتر (بسته به نوع لنزهای شما) به چشم شما رسیده است. دوربین‌های دیجیتال، تلسکوپ‌ها، دوربین‌های فیلمبرداری، عینک‌های دید در شب و بسیاری دیگر از ابزار اپتیکی به همین روش عمل می‌کنند.

اگرچه این احساس وجود دارد که نور به طور معمول در خط مستقیم حرکت می‌کند، اما می‌توانید پرتو‌های آن را با برخورد دادن به شیشه‌های نازک یا مجراهایی پلاستیکی به نام فیبر نوری، خم کرد.

پراش

همان‌طور که در بالا نیز بیان شد، امواج همچون اجسام، منتقل‌کننده انرژی هستند. برای نمونه اگر توپی به شما برخورد کند انرژی آن نیز به شما منتقل می‌شود اما اگر مانعی بین توپ و شما وجود داشته باشد، این انرژی منتقل نخواهد شد. اما این سوال مطرح می‌شود که چرا صدای شخص پشت دیوار را می‌توان شنید اما تصویر آن را نمی‌توان دید (این سوال از آنجایی مطرح می‌شود که هم نور و هم صوت به صورت موج در نظر گرفته می‌شوند)؟ پاسخ در خمیده شدن امواج است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

در حقیقت موج صوتی می‌تواند در اطراف درخت خمیده شده و از آن عبور کند. این در حالی است که نور این قابلیت را ندارد. مقدار خمش یک موج وابسته به میزان زبری سطح و طول موج آن است. برای نمونه طول موج و دامنه نور به نحوی است که می‌تواند از موادی همچون آب یا هوا عبور کند. به همین دلیل است که می‌توان تصویر یک جسم را در هوا دید. به خم شدن موج در گوشه‌ها و به طور کلی در اطراف مواد پراش گفته می‌شود. این پدیده با تداخل متفاوت بوده و آن را در ادامه توضیح می‌دهیم.

تداخل

اگر نزدیک یک حوضچه آرام ایستاده و با انگشت خود به سطح آب ضربه بزنید می‌بینید که موجهایی تشکیل شده و به صورت دایره‌ای منتشر می‌شوند. حال اگر به‌طور همزمان به دو نقطه مختلف از سطح ضربه وارد کنید می‌بینید که دو موج با مراکزی متفاوت ایجاد شده و به‌تدریج رشد می‌کنند. اما این امواج در نقاط خاصی با هم تداخل داشته که منجر ایجاد الگوی خاصی می‌شوند. اگر دو منبع نوری نیز امواجی را تولید کنند که با یکدیگر منتشر شوند، در نقاطی خاص با یکدیگر تداخل خواهند داشت. در برخی از نقاط، دو قله موج به هم رسیده و منجر به بزرگ‌تر شدن دامنه می‌شود. از طرفی دیگر در نقاطی دو قله مثبت و منفی به هم رسیده و یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین در حالتی عمومی، الگویی ایجاد می‌شود که در برخی نقاط آن موج‌ها یکدیگر را تقویت کرده و در نقاطی دیگر یکدیگر را خنثی کرده‌اند.

تداخل منجر به ایجاد الگوهای رنگی تولید شده در حباب‌های صابون یا الگوی تولید شده در رنگین‌کمان می‌شود. البته با قرار دادن یک عدسی در مقابل نور نیز می‌توان چنین الگویی را ایجاد کرد. آنچه که رخ می‌دهد تداخل دو موج نوری است که از عدسی عبور می‌کند.

جالب است بدانید که نیوتن نور را به‌صورت ذره‌ای تصور می‌کرد. او نور را به‌صورت جریانی از ذرات در نظر گرفته بود که با تغییر محیط آن‌ها، سرعت ذرات تغییر کرده و منجر به شکست آن‌ها می‌شود. اما الگوی تداخل ایجاد شده در آزمایش دوشکاف با نظریه ذر‌ه‌ای بودن نور مخالفت می‌کند. در آزمایش دو شکاف همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده، یک پرتو نور، از دو شکاف عبور داده می‌شوند. در نتیجه آنچه که مشاهده می‌شود مشابه با الگوی موجی ایجاد شده در تداخل دو موج است. این آزمایش که به آزمایش دوشکاف یانگ معروف است برای اولین بار در سال ۱۸۰۱ توسط توماس یانگ انجام شد. نتایج این آزمایش نشان می‌داد که نور را نمی‌توان به‌صورت مطلقا ذره‌ای تصور کرد.

منشاء نور

به‌منظور توضیح منشاء‌ پرتوها‌ی نوری، در ابتدا باید با مفهوم انرژی آشنا باشید. همان‌طور که می‌دانید انرژی، کمیتی نیست که از جایی بوجود بیاید یا از بین برود؛‌ در حقیقت انرژی تنها منتقل شده یا شکل آن تغییر می‌کند. به این مفهوم قانون پایستگی انرژی گفته می‌شود. می‌توان چنین تصوری را در مورد نور نیز داشت. انرژی را می‌توان از سوختن گرفته و آن را به برق تبدیل کرد. اما نور چگونه ایجاد می‌شود؟

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

نور درون اتم و در زمانی ایجاد می‌شود که تحریک شود. در حقیقت الکترون‌ها در مدار‌هایی در اطراف اتم در حال حرکت هستند. این مدار نشان‌دهنده سطحی از انرژی است. اگر به اتم مدنظر انرژی داده شود الکترون‌ها تحریک شده و به مداری با انرژی بالاتر منتقل می‌شوند. در این حالت اتم نسبت به حالت قبل ناپایدارتر می‌شود. از این رو اتم‌ها تمایل بسیاری دارند تا به حالت پایدارتر خود برگردند. در نتیجه الکترون‌ها انرژی خود را از دست داده و به حالت اولیه یا همان مدار پایین‌تر برمی‌گردند. این تغییر مدار منجر به آزاد شدن انرژی شده که در قالب فوتون منتشر می‌شود. پرتو‌های نوری نیز در حقیقت جریانی از ذرات بدون جرم فوتون هستند.

در صورتی که مطلب فوق برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های دروس دبیرستان
• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• اوربیتال و آرایش الکترونی — به زبان ساده
• مدل اتمی بور — به زبان ساده
• طیف الکترومغناطیسی — به زبان ساده