ماهیت نور و بررسی تئوری های نور

نور بخشی از طیف امواج الکترومغناطیس است که در برخورد با سلول های گیرنده شبکیه چشم انسان دریافت و پس از ارسال به مغز، کمیت و طیف آن درک می گردد.  طیف دریافت شده از محیط اطراف بر مبنای خصوصیات آن در مغز، به صورت نور، رنگ یا شیء درک می گردد. از نظر فیزیولوژیک برای یک فرد سالم امواج نورانی در محدوده ۳۸۰ تا ۷۷۰ نانومتر به صورت طیف رنگی، قابل رؤیت است که از نور بنفش شروع و به قرمز تیره ختم می گردد. امواج طول موج های قبل و بعد از آن نامرئی هستند و با نام فرابنفش و فروسرخ نامیده شده اند. در این بحث به بررسی انواع تئوری های نور می پردازیم.

طیف امواج الکترومغناطیسی و نور مرئی

اصطلاحاً به طبقه بندی تشعشعات نوری که بر مبنای طول موج یا فرکانس بیان شده باشد، طیف گفته می شود. به طور کلی تشعشعات نوری که در محیط وجود دارند به دو گروه نور مرئی و نور نامرئی تقسیم می شوند. به تشعشعی که به وسیلۀ چشم به صورت نور احساس شود، نور مرئی و بالطبع تشعشعاتی که احساس نشود را نور نامرئی می گویند.

از نظر فیزیولوژیک برای یک فرد سالم امواج نورانی در محدوده ۳۸۰ تا ۷۷۰ نانومتر به صورت طیف رنگی، قابل رؤیت است که از نور بنفش شروع و به قرمز تیره ختم می گردد. امواج طول موج های قبل و بعد از آن نامرئی هستند و با نام فرابنفش و فروسرخ نامیده شده اند.

الف) طیف مرئی

در بخش های مرئی از طیف امواج الکترومغناطیسی، معمولاً پنج رنگ پایه در نظر گرفته می شود. این پنج رنگ، قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش است. همانطور که در شکل نشان داده شده است این رنگ ها مرز مشخصی نداشته و به هم آمیخته شده اند. محدودۀ طول موج نورهای مرئی ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر است که با کاهش طول موج از ۷۸۰ نانومتر، به ترتیب رنگ های قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش توسط چشم احساس می شود.

ب) تابش فرابنفش

تابش فرابنفش، به اشتباه نور فرابنفش گفته می شود. طیف این نور کمتر از تابش فرابنفش است. کمیتۀ بین المللی CIE تابش فرابنفش را به بخش های زیر تقسیم بندی کرده است:

۱- طیف UV-A : در محدوده ۳۸۰-۳۱۵ نانومتر؛ عامل برنزه شدن،

۲- طیف UV -B : در محدوده ۳۱۵-۲۸۰ نانومتر؛ قرمز شدن و التهاب پوست، آفتاب سوختگی

۳- طیف UV – C : در محدوده ۲۸۰-۱۰۰ نانومتر؛ عامل از بین رفتن ساختارهای سلولی – کاربرد : تصفیه و گندزدایی با اشعه.

بر خلاف تأثیرات مثبت اشعه ماوراء بنفش (مثلا طیف UV-B موجب تولید ویتامین D در بدن می شود)، مقدار بیش از اندازه این اشعه می تواند برای بدن خطرناک باشد. لایه اوزون، مقدار زیادی از اشعه ماوراء بنفش خورشید، به ویژه طیف UV- C را جذب می کند.

بخش UV-A، بیشترین نوع رایج تابش فرابنفش، اندکی با کوتاه ترین طول موج بخش مرئی طیف اشتراک دارد. بخش UV-B، بیشترین تابش مخرب UV از نور خورشید است.

زیرا این طیف می تواند از اتمسفر زمین عبور کرده و به بافت های زیستی صدمه بزند. تابش طیف UV-C از نور خورشید اگر به زمین برسد، به نسبت سایر طیف های UV آثار بسیار مخرب تری دارد. اما از آنجایی که این طیف توسط هوا جذب می شود هیچگاه به سطح زمین نمی رسد. این طول موج ها کمتر از ۱۸۰ نانومتر را اصطلاحاً ناحیۀ تابش خلأ می گویند.

ج) تابش مادون قرمز

طول موج تابش مادون قرمز اندکی بزرگتر از طول موج نور مرئی است و طول موج های بزرگتر از یک میلیمتر را اشغال می کند. کمیتۀ CIE ناحیۀ مادون قرمز از طیف امواج الکترومغناطیس را به سه قسمت تقسیم کرده است:

IR-C  ) ۳۰۰۰-۱۰^۶ نانومتر(  ،IR-B  ۳۰۰-۱۴۰۰)  نانومتر(  ، IR-A  ۷۸۰-۱۴۰۰) نانومتر(

مطالعات نشان داده است که همۀ افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود ۸% از مردان و ۵% از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود ۰٫۰۰۳%  نیز قادر به درک هیچ طیف رنگی نیستند. بسیاری از افراد نیز به دلیل عیوب انکساری قادر به درک واضح تصاویر نیستند. از طرف دیگر، دید نزدیک در افراد مسن دچار مشکل می گردد و برخی افراد نیز به دلیل بیماری یا فقر ویتامین دارای درکی واضح از طیف رسیده به چشم خود نیستند.

مطالعات نشان داده است که همه افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود ۸٪ از مردان و ۰/۵ % از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود ۰/۰۰۳ % نیز قادر به درک هیچ طیف رنگی نیستند.

بسیاری از افراد به دلیل عیوب انکساری قادر به درک واضح تصاویر نیستند. دید نزدیک در افراد مسن، دچار مشکل می گردد. برخی افراد نیز به دلیل بیماری یا فقر ویتامین قادر به درک واضح از طیف رسیده به چشم خود نیستند.

 

فیزیک نور

دانشمندان برای بیان حقیقت علمی نور در طول زمان همواره دچار مشکل بوده اند. تا زمان نیوتن در سال ۱۶۴۲ حتی خود او معتقد به ماهیت ذرهای نور بودند. از طرف دیگر گریمالدی و هویگنس نظریه موجی بودن نور را مطرح کردند و در سال ۱۸۷۳ ماکسول نظریه امواج الکترومغناطیس را ارائه نمود. در سال ۱۸۸۷ هرتز امواج الکترومغناطیس مصنوعی با طول موج کوتاه تولید کرد.

آزمایشات بعدی نشان داد که اگرچه نظریه موجی بسیار متقن است ولی بیان کننده کامل واقعیت نور نیست. زیرا پدیده هایی ملاحظه شد که با گسیل و جذب نور همراه بودند و بیان کننده ماهیت ذره ای نور هستند. بعدها این ذرات فوتون یا کوانتوم نامیده شدند و از سال ۱۹۲۵ به بعد، تناقض ظاهری میان نظریه موجی و ذره ای با بیان تئوری کوانتومی و مکانیک موجی با نظریات بروگلی و شرودینگر برطرف شد.

مهمترین تعاریف و تئوری ها برای بیان ماهیت نور به قرار زیر دسته بندی شده اند:

•  تئوری ذره ای
•  تئوری موجی
•  تئوری امواج الکترومغناطیس
•  تئوری کوانتوم
•  تئوری مکانیک موجی
•  تئوری اتحاد

 

تئوری ذره ای نور

این تئوری نور در ابتدا منتسب به ارسطو است و از آنجایی که نیوتن (۱۷۲۷ – ۱۹۹۲) آن را بیان نموده است، به نام تئوری نیوتنی معروف شده است. بر اساس این تئوری نور از ذرات بسیار کوچک تشکیل شده است که از اجسام گداخته یا نورانی ساطع می شود و در ورود به چشم روی آن اثر گذاشته و پدیده دیدن را با تحریک چشم ایجاد می کند. این ذرات قادرند در محیط ماده و خلأ منتشر گردند.این نظریه اگرچه دلایل معتدد اثباتی دارد، اما آزمایشاتی که بعدها انجام شد معلوم نمود که این نظریه برخی رفتارهای نور مانند تداخل را نمی تواند تفسیر نماید.

تئوری موجی نور

آزمایشاتی که توسط گریمالدی ، هویگنس، فرنل و یانگ انجام شد حاکی از آن بود که برخی رفتارهای نور مانند بازتابش نور و ارتعاش اتر در اثر عبور نور، موجی بودن آن را دلالت می کند و نظریه نیوتنی در این رفتارها ناتوان بود. به همین دلیل نظریه موجی مورد پذیرش قرار گرفت.

موجی بودن نور ابتدا در عبور آن از محیط اتر و مشاهده ارتعاش موجی آن اثبات گردید. نظریه موجی نور اگرچه توسط افراد مختلفی بیان شده ولی به نظریه موجی هویگنس (۱۶۹۰) معروف است.

رفتارهای نور مانند بازتابش نور، موجی بودن آن را دلالت می کند که نظریۀ نیوتنی در بیان این رفتارها ناتوان بود. به همین دلیل، نظریۀ موجی مورد پذیرش قرار گرفت. براساس تئوری موجی ، نور از نوسانات مولکولی اجسام نورانی یا ملتهب ناشی می شود که به صورت موج، منتشر شده و در برخورد با چشم بر اعصاب بینایی اثر گذاشته و سبب دیدن می شود. موجی بودن نور ابتدا در عبور آن از محیط اتر و مشاهدۀ ارتعاش موجی آن اثبات گردید.

اما شواهد آزمایشگاهی نشان داد که امواج نورانی در محیط خلأ منتشر می شوند. با این وجود، محیط اتر منتفی گردید و تئوری موجی نور باقی ماند. نظریۀ موجی نور اگرچه توسط افراد مختلفی بیان شده ولی به نظریۀ موجی هویگنس نیز معروف است.

تئوری الکترومغناطیسی نور

ماکسول در ۱۸۶۴ تئوری معروف امواج الکترومغناطیس را ارائه نمود. در این نظریه طیف وسیعی از امواج وجود دارند که ماهیت و رفتار مشابه داشته و همگی دارای ماهیت الکتریکی و مغناطیسی بوده و تحت همین قاعده تولید و منتشر می شوند.

سرعت انتشار آنها در یک محیط یکسان، ولی انرژی آنها متفاوت است. نور مرئی بخشی از این طیف را تشکیل می دهد. هرتز در ۱۸۸۷ موفق گردید که امواج الکترومغناطیس با طول موج کوتاه تولید نماید. این آزمایش مؤید نظریات ماکسول بود. آزمایشات و تحقیقات بعدی معلوم نمود که سرعت امواج مذکور و بالتبع نور مرئی در خلاء m/s ۲/۹۹۷۹۳ ×۱۰ ^۸  و در هوا m/s ۲/۹۹۷۲۴ ×۱۰ ^۸ است و طیف این امواج دامنه وسیعی دارد. امواج الکترو مغناطیس رفتار موجی دارند لذا این نظریه تئوری موجی نور را تقویت نمود.

بر اساس این تئوری، امواج نور مرئی قسمت کوچکی از طیف الکترومغناطیس هستند که رفتار، و خواص مشابهی دارند. این طیف از اشعه کیهانی شروع و به امواج رادیویی ختم می گردد. طول موج نور مرئی در محدوده ۰٫۷۷ تا ۰٫۳۸ میکرون از این طیف است.

تئوری کوانتومی نور

در اوایل قرن بیستم، برخی نتایج به دست آمده از آزمایش های نظیر اثر فوتوالکتریک، با تئوری موجی نور قابل توجیه نبود. وقتی نور در بعضی طول موج های معین به سطح فلزی بتابد سبب ساطع شدن الکترون از فلز و برقراری جریان برق می گردد و با افزایش طول موج، ساطع شدن الکترون ها متوقف می گردد. علاوه بر این، مشاهده شد که سرعت الکترون های آزاد در فلز، تابعی از طول موج آن بوده و به طول موج نور تابیده شده بستگی ندارد. برای توضیح این پدیده، تئوری کوانتوم پیشنهاد گردید که شباهت زیادی به تئوری ذره ای نور نیوتن داشت.

تئوری نور بر مبنای نظریه کوانتومی عنوان می کند که ماهیتاً نور، على رغم موجی بودن، خواصی شبیه خواص ذرات را دارا است، خصوصا انرژی منتقل شده توسط امواج به صورت مجموعه ای از واحدهای گسسته جابه جا می شوند که انرژی هر یک متناسب با فرکانس موج است.

پلانک در ۱۹۰۳ اعلام کرد که بر اساس مطالعات آزمایشگاهی وی، انرژی نورانی به صورت ذرات کوچک و مجزا از هم تولید یا جذب می گردند که این ذرات در اثر وارد شدن انرژی به الکترون ها و تغییر سطح انرژی آنها ایجاد می گردد، بر اساس این نظریه یک الکترون در اتم با جذب انرژی از یک مدار به مدار بالاتر پرتاب می گردد و در بازگشت انرژی دریافتی را به صورت واحدهای (بسته های منفرد کوچکی (که بعدأ اینشتین آنها را فوتون نامید)، باز پس می دهند.

بر اساس این نظریه، یک الکترون در اتم با جذب انرژی از یک مدار به مدار بالاتر پرتاب می گردد و در بازگشت، انرژی دریافتی را به صورت واحدهای (بسته های) منفرد کوچکی باز پس می دهند.

میلیاردها ذره از این نوع در اثر تحریک مداوم اتم در واحد زمان ایجاد و منتشر می گردند و در برخورد با چشم به صورت نور درک می شوند. عکس این عمل نیز ممکن است اتفاق بیفتد. در صورت برخورد فوتون به الکترون، انرژی آن به الکترون منتقل و خود نابود می شود. در آنجا قانون همه یا هیچ حاکم است، زیرا بخشی از انرژی فوتون نمی تواند به الکترون منتقل گردد.

انیشتین بعد از دو سال در ۱۹۰۵ با بسط نظریه پلانک بسته های انرژی را فوتون یا کوانتوم (کوانتای انرژی) نامید. بر اساس مطالعات وی معلوم گردید که گسیل نور از منبع به صورت پیوسته نیست. این نظریه به نظریه کوانتومی نیز معروف است. در واقع این تئوری مشابهت زیادی به نظریه نیوتنی دارد و ماهیت ذره ای نور را بیان می کند.

در این نظریه، انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس آن و برابر حاصل ضرب فرکانس در یک عدد ثابت است که آن را ثابت پلانک J. s۶ / ۶/۲۶۸ ×۱۰ ^{– ۳۴} است:

E = h.f

در این رابطه h ثابت پلانک برابر ۶٫۶۲۶*۱۰^-۳۴ ژول – ثانیه و f فرکانس نور بر حسب سیکل بر ثانیه است. در اثر فوتوالکتریک برای ساطع شدن الکترون، فرکانس باید به حد کافی بالا باشد تا فوتون نور، انرژی کافی برای آزاد ساختن الکترون و دادن انرژی حرکتی به آن را داشته باشد. چگونگی تولید نور در این تئوری به این قرار است که الکترون هایی که در مدارهای داخلی اتم هستند بر اثر جذب انرژی از یک عامل خارجی به مدارهای با شعاع بزرگتر می روند.

در این وضع ناپایدار، پس از مدتی در حدود ۱۰^-۸ تا ۱۰^-۷ ثانیه، الکترون ها به مدار عادی خود بر می گردند و انرژی اضافی به فوتونی که ساطع شده، داده می شود. اگر الکترون در مدار بالاتر دارای انرژی w₂ ژول و در مدار معمولی خود دارای انرژی w₁ ژول باشد، انرژی فوتون برابر w_2-w₁ بوده و فرکانس نور از رابطۀ زیر محاسبه می شود:

تئوری کوانتوم، نحوۀ تولید و جذب نور را به خوبی توضیح می دهد اما قادر به توجیه برخی رفتار آن در فضا نیست. لذا هر دو تئوری موجی و کوانتوم برای توضیح رفتار نور لازم است.

تئوری مکانیک موجی نور

این تئوری نور توسط بروگلی و شرودینگر در ۱۹۲۴ و ۱۹۲۵ ارائه گردید و هم اکنون نیز قوت دارد، تئوری مکانیک موجی در بیان ماهیت نور، در واقع تلفیقی از تئوری های موجی و ذره ای است.

بر اساس اعتقاد امروزی، در مواردی که اثر نور بر اجسام و ایجاد واکنش روی سطوح خاص است، مثل پدیده فتوالکتریک، ماهیت ذره ای نور و در مواردی که اثر نور به صورت انتشار یا بازتابش و تفرق مطرح است ماهیت موجی آن بررسی می گردد.

آنچه که در تولید و انتشار نور مورد تأیید است این است که به دلیل وارد شدن انرژی مانند گرما یا الکتریسیته و امثال آن به الکترون های مدارات اتم ها، این الکترون ها از مدار اصلی خود به سمت مدارهای بالاتر پرتاب می شوند و چون تداوم انرژی وارده بر همان الکترون لحظه ای است لذا الکترون بلافاصله به مدار اصلی خود باز می گردد و در این بازگشت انرژی اضافی را به صورت فوتون آزاد می کند.

این ذرات به صورت موجی در محیط اطراف منتشر می گردند. لذا هم ذره ای بودن و هم موجی بودن حرکت در مورد آن صدق می کند که در شکل زیر قابل مشاهده است.

در امواج الکترو مغناطیس از جمله نور، که سرعت انتشار در آنها ثابت است، طول موج تابعی از فرکانس تابش است. بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه ۶۰۰-۵۰۰ نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد . در شب و نور کم ۵۰۷ نانومتر و در روز ۵۵۵ نانومتر است.

تابش نور چیست ؟

در امواج الکترومغناطیس طول موج، تابعی از فرکانس تابش است. با توجه به شکل مشاهده می شود که بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه ۵۰۰ تا ۶۰۰ نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد. در شب و نور کم، حداکثر حساسیت در ۵۰۷ نانومتر و در روز برابر ۵۵۵ نانومتر است. ارتباط بین سرعت، فرکانس و طول موج، به صورت زیر بیان می شود:

   V = f *λ

که v سرعت موج (متر بر ثانیه)، f فرکانس (Hz) و λ طول موج (m) است.

تئوری اتحاد

این تئوری توسط بروگلی و هایزنبرگ ارائه شد که توسط دو اصل زیر تعریف می شود:

• هر المان جرم متحرک توأم با یک جریان موجی در مسیر خود است که توسط طول موج حرکت، از رابطۀ زیر تعیین می شود:​

که در این رابطه m  جرم ذره بر حسب کیلوگرم است.

• برای هر ذره معین به طور همزمان نمی توان این مشخصات را اندازه گیری نمود.

دمای رنگ

دمای رنگ بیان کننده توانایی منبع برای تابش طیفی در مقایسه با یک منبع جسم سیاه است. رنگ نور خروجی از لامپ های مختلف در درجه اول به میزان گرم یا سرد بودن لامپ بستگی دارد. به عبارت دیگر اساسی ترین عاملی که بر رنگ نور خروجی از لامپ تأثیرگذار است دمای داخل لامپ در حین کارکرد است که این دما به طور معمول برحسب کلوین اندازه گیری می شود. هرچه دمای رنگ بالاتر باشد توان خروجی تابش منبع نیز بالاتر خواهد بود.

برای مثال در المنت های اجاق های برقی با افزایش دمای المنت رنگ آن نیز دچار تغییر می شود. بدین صورت که در ابتدا که المنت برقی در پایین دمای خود قرار دارد رنگ آن قرمز است و به تدریج با افزایش دما به رنگ نارنجی، زرد و در نهایت سفید مایل به آبی در می آید. به طور کلی رنگ نور خروجی از وسایل روشنایی و منابع تولید نور «گرم» بیشتر به رنگ زرد یا نارنجی تمایل دارد و هر چه دمای منبع تولید نور کمتر شود شدت رنگ زرد و نارنجی آن نیز بیشتر می شود.

در مقابل، رنگ نور خروجی از وسایل روشنایی و منابع تولید نور «سرد» بیشتر به رنگ آبی تمایل دارد که با افزایش دمای منبع تولید نور شدت آن افزایش می یابد. برای مثال، نور خروجی از یک لامپ فلورسنت با نور سفید در دمای تقریبی ۴۱۰۰K به آبی متمایل می شود، در حالی که رنگ نور خروجی از چنین لامپی در دمای تقریبی ۳۰۰۰K به زرد متمایل می شود.

شعله شمع دارای دمای رنگ ۱۸۰۰K است. لامپ های خانگی التهابی تنگستنی دارای دمای رنگ میانگین ۲۸۰۰ K هستند. سایر لامپ ها شامل فلورسنت میانگین حدود ۴۰۰۰K ۳۰۰۰۰، گازی جیوه ای و متال هالید K۴۰۰۰ ، گازی سدیمی ۲۰۰۰ – ۲۵۰۰K است. دمای رنگ خورشید ۶۵۰۰ K است. از این رو می توان گفت که یکی از شاخص های مهم در انتخاب منابع، درجه رنگ آنها است که به طور استاندارد تعیین می گردد.

از آنجا که مفهوم دمای رنگ ممکن است برای بسیاری از کاربران، شناخته شده و ملموس نباشد، طبق استاندارد، برای بیان دمای رنگ، اصطلاحاتی توسط شرکت های سازنده لامپ متداول شده است که بر روی نام لامپ درج می شود (جدول ۱). در درجه بندی منابع ، آنهایی که دارای دمای رنگ بین ۶۰۰۰ – ۵۰۰۰ K باشند تحت نام منابع نور روز نام گذاری می شوند. دمای رنگ دارای محدودیت سقف نیست و بیشترین توان تابش منبع در طول موج مرئی، وابستگی شدیدی به این شاخص دارد.

جدول (۱)

 

برای مشخص شدن ارتباط دمای رنگ با رنگ نور از منحنی هایی، که به منحنی پلانکین موسوم هستند استفاده می شود.

 

 

منبع: الیکا