طیف مرئی — به زبان ساده

در دو مقاله «امواج الکترومغناطیسی -- از صفر تا صد» و «طیف الکترومغناطیسی -- به زبان ساده» با امواج الکترومغناطیسی که از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود برهم تشکیل شده‌اند و طیف الکترومغناطیسی که از فرکانس‌های کم تا فرکانس‌های زیاد به طور پیوسته گسترش یافته‌اند، آشنا شدیم. در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به بخش خاصی از طیف الکترومغناطیسی که چشم انسان قادر به دیدن آن است، یعنی طیف مرئی (Visible spectrum) بپردازیم. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

ناحیه (طیف) اپتیکی (Optical Spectrum)

در زبان فارسی غالباً کلمه اپتیک (Optic) را به نور، یعنی بخشی که چشم انسان قادر به دیدن آن است، ربط می‌دهند. این در حالی است که اپتیک معنایی فراتر از نور دارد. در طیف الکترومغناطیسی (شکل ۱) به مجموعه سه طیف مادون قرمز (Infrared)، مرئی (Visible) و فرابنفش (Ultraviolet)، ناحیه اپتیکی می‌گویند. علم فوتونیک به بررسی پدیده‌هایی که مربوط به این ناحیه می‌شوند، نظیر مخابرات فیبر نوری، ساخت و طراحی لیزر، مدار مجتمع‌های نوری، ساختار‌های مختلف فیبر نوری، طراحی اپتیکی (لنزها و سیستم‌های انتقال نوری)، مطالعه خواص اپتیکی اتم‌‌ها و مولکول‌ها و ... می‌پردازد. فرکانس و طول‌ موج (در خلأ) این ناحیه در شکل زیر آورده شده است:

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، هر کدام از ۳ ناحیه تشکیل دهنده طیف اپتیکی، خود به ناحیه‌های کوچک‌تری تقسیم شده‌اند که بیشتر جنبه‌ی راحتی کار و استفاده در علوم مهندسی دارد. ناحیه (طیف) مادون قرمز (IR) که به فروسرخ نیز معروف است، به ۳ ناحیه زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

• مادون قرمز دور (Far Infrared : FIR)
• مادون قرمز میانه (Mid Infrared : MIR)
• مادون قرمز نزدیک (Near Infrared : NIR)، طول موج‌های مخابرات نوری ($$1550nm\ ,\ 1490nm\ ,\ 1310nm\ ,\ 850nm$$) در این ناحیه قرار دارند.

برای طیف فرابنفش (UV) نیز ۴ ناحیه زیر را داریم:

• فرابنفش نزدیک (Near Ultraviolet : NUV)
• فرابنفش میانه (Mid Ultraviolet : MUV)
• فرابنفش دور (Far Ultraviolet : FUV)
• فرابنفش خیلی دور (Extreme Ultraviolet : EUV or XUV)، انتهای این ناحیه کمی همپوشانی با اشعه ایکس نرم (Soft X-Ray) دارد. در برخی منابع این زیر ناحیه را جزو ناحیه فرابنفش به حساب نمی‌آورند.

به نظر می‌رسد، واژه‌های نزدیک و دور از این حیث به کار می‌روند که ناحیه‌های مذکور، نزدیک یا دور از ناحیه مرئی هستند. در خصوص ناحیه‌های طیف مرئی که به رنگ‌ها معروف هستند، در ادامه مقاله به بحث خواهیم پرداخت. دقت داشته باشید که لیزرها می‌توانند در تمام ناحیه اپتیکی، حتی در مواردی در ناحیه اشعه ایکس، وجود داشته باشند.

طیف مرئی (Visible Spectrum)

همان‌طور که در مقدمه متن اشاره کردیم، طیف مرئی، ناحیه کوچکی از طیف وسیع الکترومغناطیسی است که چشم انسان قادر به تشخیص (دیدن) آن است. چشم معمولی و سالم انسان می‌تواند طول موج‌های بین $$380nm\sim390nm$$ از انتهای باند بنفش تا $$740nm\sim760nm$$ را در انتهای باند قرمز تشخیص دهد. این ناحیه طول موجی از حیث فرکانس مطابق با رابطه $$f=\frac{c}{\lambda}$$، تقریباً بین فرکانس‌های $$400THz$$ در ابتدای باند قرمز تا $$790THz$$ در انتهای باند بنفش قرار دارد. دقت داشته باشید طول موج و فرکانس با یکدیگر رابطه عکس داشته و طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌های کم (طول موج زیاد) تا فرکانس‌های زیاد (طول موج کم) گسترش می‌یابد.

همان‌طور که از شکل (2) و شکل (۳) نیز مشخص است، طیف مرئی شامل تمامی رنگ‌ها که برای چشم یا مغز انسان قابل درک است نبوده و تنها شامل ۶ رنگ است. این ۶ رنگ به ترتیب در جهت افزایش فرکانس عبارت‌اند از: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش. البته گاهی اوقات قبل از رنگ آبی، رنگ نیلی را نیز وارد می‌کنند. رنگ‌هایی خارج از این لیست، نظیر صورتی، ارغوانی و ... رنگ‌هایی هستند که از ترکیب طول موج‌های مختلف طیف مرئی حاصل شده‌اند. رنگ‌هایی که فقط از یک طول موج تشکیل شده باشند را رنگ‌های خالص (Pure Colors) یا رنگ‌های طیفی (Spectral Colors) می‌نامند.

طیف رنگی (Spectral Colors)

فیلم آموزش الکترومغناطیس 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

همان‌طور که اشاره کردیم، رنگ‌های خالص، رنگ‌هایی هستند که تنها از یک طول موج تشکیل شده‌اند. از این حیث به آن‌ نور، تک فرکانس یا نور تک رنگ (Monochromatic Light) می‌گویند. در جدول زیر محدوده باریک طول موجی، فرکانس و انرژی فوتون وابسته به رنگ‌های خالص آمده است. توجه داشته باشید به دلیل اینکه ممکن است چشم انسان‌ها کمی با یکدیگر متفاوت باشد، این محدوده‌ها تقریبی بوده و می‌توانند کمی متفاوت باشند.

رابطه بین طول موج و فرکانس در محیط خلأ و انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی به صورت زیر است:

$$\large f=\frac{c}{\lambda}\ (Hz)\rightarrow E=hf=\frac{hc}{\lambda}\ (eV)$$

$$\large c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_{0}\mu_{0}}}=3\times10^{8}\ (\frac{m}{s})$$

$$\large h=4.135667662(25)×10^{−15}\ (eV.s)$$

مشاهده‌ رنگ‌های مختلف

همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، چشم سالم و معمولی انسان‌ها می‌تواند ناحیه‌ای باریک از طیف الکترومغناطیسی را از طول موج حدود $$380nm$$ تا $$740nm$$ تشخیص دهد که موسوم به طیف مرئی است. به بیان دیگر عبارت طیف مرئی از این حیث به این ناحیه اطلاق شده که چشم انسان قادر به دیدن آن است.

حیوانات مختلف می‌توانند طیفی کمتر یا فراتر از بازه معرفی شده را تشخیص دهند (ببینند). به طور مثال زنبور‌ها قادر به تشخیص و دیدن امواج فرابنفش تا طول موج $$300nm$$ هستند که همین امر در پیدا کردن شهد گل‌ها به آن‌ها کمک می‌کند. سگ‌ها نیز همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، رنگ‌های کمتری را نسبت به انسان تشخیص می‌دهند.

برخی از گونه‌های مارها نیز قادر به تشخیص امواج مادون قرمز در طول موج‌های بین $$5\mu m$$ تا $$30\mu m$$ هستند. از آنجایی که دمای بدن موجودات زنده (انسان غالباً 37 درجه سانتی‌گراد) در محدوده‌ای است که بدن تابش‌های گرمایی (مادون قرمز) دارد، این گونه از مار‌ها به راحتی طعمه‌های خود را از فاصله‌هایی حدود چند متر تشخیص می‌دهند.

جدا از بحث فوق، تا به حال فکر کرده‌اید که چرا به طور مثال یک فرش قرمز است؟ به عبارت دیگر، مفهوم رنگ چیست؟ چرا اجسام رنگ‌های متفاوتی دارند؟

پاسخ به این سوال ساده است. اگر فرشی به طور مثال قرمز دیده می‌شود، بدین معنی است که تمامی امواج با طول موج‌های مختلف را جذب و تنها طول موج قرمز را بازتاب می‌کند که این طول موج قرمز به چشم شما می‌رسد.

طیف سنجی (Spectroscopy)

طیف سنجی، علمی است که به مطالعه اشیا یا به طور دقیق‌تر مواد، با استفاده از طیف تابشی آن‌ها می‌پردازد. انواع طیف سنجی یکی از ابزارهای مهم در فیزیک و شیمی است که توسط آن خواص بسیاری از مولکول‌ها و ساختارهای مختلف را مطالعه می‌کنند.

فیلم آموزش کاربرد طیف سنجی در شیمی آلی در فرادرس

کلیک کنید

البته طیف‌سنجی تنها به مطالعه طیف تابشی از مواد نمی‌پردازد. گاهی اوقات ماده‌ای ناشناخته در دست داریم که می‌خواهیم جنس آن را تشخیص و خواص آن را مطالعه کنیم. در این حالت با توجه به فیزیک قضیه، موجی به جسم تابانده و تغییرات موج خارج شده را مطالعه می‌کنند. اساس طیف‌سنجی لیزری نیز همین مورد است.

مطالعه طیف تابشی یکی از ابزارهای مهم در علم نجوم است که به وسیله آن به مطالعه اجرام آسمانی دور می‌پردازند. به طور مثال تشخیص عناصر در ستاره‌ای درخشان که بسیار دورتر از منظومه شمسی است، از طیف سنجی حاصل می‌شود. در مقاله «طیف اتمی — از صفر تا صد» با برخی از طیف‌های تابشی اتم هیدروژن که در ناحیه‌های اپتیکی قرار داشتند، آشنا شدیم.

در مطالعه امواج تابش شده از فضا که ممکن است هر فرکانسی داشته باشند، نیاز به ماهواره‌هایی است که خارج از جو زمین قرار گرفته باشند. چرا که اتمسفر (جو) زمین اجازه عبور بسیاری از این امواج را نمی‌دهد. به عبارت دیگر، اتمسفر زمین به عنوان یک فیلتر عمل کرده و اجازه وارد شدن این امواج به زمین را نمی‌دهد. این امر به (Atmospheric Opacity) به معنی تحت الفظی شفافیت اتمسفر در قبال این امواج است. توجه شود که واژه شفافیت در فیزیک تنها برای ناحیه مرئی به کار نمی‌رود. به طور مثال یک دیوار برای امواج رادیویی شفاف و برای امواج مرئی کدر یا جاذب است.

شکل زیر میزان Opacity اتمسفر را برای طیف الکترومغناطیسی نشان داده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، امواج طیف مرئی نیز به طور کامل به زمین ورود نمی‌کنند.

مطالعه امواج مادون قرمز، فرابنفش، ایکس، گاما و اشعه‌های کیهانی، از آنجایی که توسط اتمسفر زمین جذب و بلاک (Block) می‌شوند، در سطح زمین امکان‌پذیر نبوده و باید از ماهواره‌هایی که خارج از جو زمین هستند، اقدام کرد. امواج رادیویی به طور کامل از اتمسفر عبور کرده و توسط آنتن‌هایی مورد مطالعه قرار می‌گیرند (نجوم رادیویی).

از شکل فوق نیز مشخص است که رنگ‌های متمایل به آبی، بیشتر به زمین نفوذ می‌کنند. دلیل این که آسمان در طول روز آبی دیده می‌شود، به این دلیل است که طول موج‌های کوتاه (فرکانس بیشتر) رنگ آبی، بیشتر از فرکانس‌های پایین رنگ‌های متمایل به قرمز در جو پراکنده می‌شوند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر را نیز به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش الکترومغناطیس ۱
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش نرم افزار لومریکال (Lumerical) برای شبیه سازی ادوات نوری – مقدماتی
• آموزش نرم افزار COMSOL Multiphysics برای پدیده های الکترومغناطیس
• فوتوسل — به زبان ساده
• لیدار — به زبان ساده

^^