تئوری های نور

نوشته شده توسط الیکا الکتریک 1397/07/26 10:32:44 0 نظرات روشنایی,

تئوری های نور

دانشمندان برای بیان حقیقت علمی نور در طول زمان، همواره دچار مشکل بوده اند. نیوتن معتقد به ماهیت ذره ای نور بود. از طرف دیگر گریمالدی و هویگنس نظریۀ موجی بودن نور را مطرح کردند و درسال 1873، ماکسول نظریۀ امواج الکترومغناطیس مصنوعی را با طول موج کوتاه تولید کرد.

آزمایش های بعدی نشان داد که اگرچه نظریۀ موجی بسیار متقن است ولی بیان کنندۀ کامل ماهیت نور نیست؛ زیرا پدیده های با گسیل و جذب نور مشاهده شد که بیان کنندۀ خاصیت ذره ای نور می باشد. این ذرات را فوتون یا  کوانتوم نامیدند. از سال 1925 به بعد، تناقض ظاهری بین دو نظریۀ موجی و ذره ای با بیان تئوری کوانتم و مکانیک موجی توسط بروگلی و شرودینگر برطرف شد. بر  اساس، مهمترین تعاریف و تئوری ها برای بیان ماهیت نور به قرار زیر دسته بندی شده اند:

  1. تئوری ذره ای
  2. تئوری موجی
  3. تئوری امواج الکترومغناطیس
  4. تئوری کوانتوم
  5. تئوری مکانیک موجی
  6. تئوری اتحاد

                                              

تئوری ذره ای

این نظریه در ابتدا منتسب به ارسطو بوده و از آنجایی که نیوتن 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 گداختۀ نورانی ساطع می شود و در ورود به چشم، روی آن اثر گذاشته و پدیدۀ دیدن را با تحریک چشم ایجاد می کند. این ذرات قادرند در محیط ماده و خلاء منتشر گردند. این نظریه اگرچه دلایل متعدد اثباتی دارد اما آزمایشاتی که بعدها انجام شد معلوم نمود که این نظریه برخی رفتارهای نور، مانند تداخل را نمی تواند تفسیر کند.

 

تئوری موجی

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 امواج الکترومغناطیسی

ماکسول در سال 1864، 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 هستند و تحت همین قاعده تولید و منتشر می شوند. سرعت انتشار آن ها در یک محیط، یکسان بوده  ولی انرژی آن ها متفاوت است. نور مرئی بخشی از این طیف را تشکیل می دهد. هرتز در سال 1887 موفق گردید که امواج  الکترومغناطیس با طول موج کوتاه تولید نماید. این آزمایش موید نظریات ماکسول بود. آزمایش و تحقیقات بعدی معلوم نمود که سرعت امواج مذکور و همین طور نور مرئی در خلاً برابر 2.99763*108  متر بر ثانیه و در هوا برابر 2.99724*108 است و طیف این امواج، دامنۀ وسیعی دارد. همچنین امواج الکترومغناطیسی، رفتار موجی دارند. لذا این نظریه، تئوری موجی نور را تقویت کرد.

بر اساس این تئوری، امواج نور مرئی، قسمت کوچکی از طیف الکترومغناطیس می باشند که رفتار و خواص مشابهی دارند. این طیف از اشعۀ کیهانی شروع و به امواج رادیویی ختم می شود. از این طیف وسیع، تنها طول موج در محدودۀ 0.38 تا 0.77 میکرون متعلق به نور مرئی است.

 

تئوری کوانتوم

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.

نظریۀ کوانتومی عنوان می کند که ماهیت نور علی رغم موجی بودن خواصی شبیه خواص ذرات را داراست؛ خصوصاَ انرژی منتقل شده توسط امواج به صورت مجموعه ای از واحدهای گسسته جابه جا می شوند که انرژی هریک، متناسب با فرکانس موج است.پلانک در سال 1903 اعلام کرد که بر اساس مطالعات آزمایشگاهی، 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 آن ها ایجاد می گردد. براساس 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 شده و خود نابود می شود. در آن جا قانون همۀا هیچ حاکم  است. زیرا بخشی از انرژی فوتون نمی تواند به الکترون منتقل گردد. انیشتین بعد از دو سال در سال 1905 با بسط نظریۀ پلانک، بسته های انرژی را فوتون یا کوانتوم نامید. بر اساس مطالعات وی معلوم گردید که گسیل نور از منبع به صورت پیوسته نیست. این نظریه به نظریۀ کوانتومی نیز معروف است. در واقع این تئوری، شباهت زیادی به نظریۀ نیوتنی دارد و ماهیت ذره ای نور را بیان می کند. این رابطه انرژی هر فوتون را معین می کند:   

         W= h*f

در این رابطه h ثابت پلانک برابر 6.626*10-34 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 10-8 تا 10-7 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 w2-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

این تئوری توسط بروگلی و شرودینگر در سال 1924 و 1925 ارائه گردید و هم اکنون نیز قوت دارد. تئوری مکانیک موجی در بیان ماهیت نور در واقع تلفیقی از تئورهای موجی و ذره ای است. بر اساس اعتقاد امروزی، در مواردی که اثر نور به صورت انتشار یا بازتابش و پراکنده شدن مطرح است، ماهیت موجی آن بررسی می گردد. آنچه که در تولید و انتشار نور مورد تأیید است این است که بدلیل وارد شدن انرژی مانند گرما و الکتریسیته و امثال آن به الکترون های مدارات اتم ها، این الکترون ها از مدار اصلی خود به سمت مدارات 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 می باشد.

 

                                                         

پدیدۀ تابش نور در اثر تحریک اتم

 

در امواج الکترومغناطیس طول موج، تابعی از فرکانس تابش می باشد. با توجه به شکل مشاهده می شود که بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه 500 تا 600 نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد. در شب و نور کم، حداکثر حساسیت در 507 نانومتر و در روز برابر 555 نانومتر می باشد.

لازم به ذکر است که 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) می باشد.

 

تئوری اتحاد

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

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

                                                                                     

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

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

 

 

برچسب ها: نور روشنایی لامپ LED

ارسال نظر