مبانی نور و روشنایی

 

  • ماهیت 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 می باشد 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.

 

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 عيوب 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 ذرهای نور می باشند. 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:

۱- تئوری ذره ای

۲- تئوری موجی

٣- تئوری امواج الکترومغناطیس

۴- تئوری کوانتوم

۵- تئوری مکانیک موجی

۶- تئوری اتحاد


 

  • تئوری ذره ای

این نظریه 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

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.

بر اساس تئوری موجی، نور از نوسانات ملکولی اجسام نورانی یا ملتهب ناشی می شود که به صورت موج منتشر 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 مشاهده ارتعاش موجی آن اثبات گردید. نظریه موجی نوراگرچه توسط افراد مختلفی بیان شده ولی به نظریه موجی هویگنس (۱۶۹۰) معروف است.

 

 

  • تئوری امواج الکترومغناطیس

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 می باشند 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 کوانتوم

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.

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 الكترون، انرژی آن به الكترون منتقل و خود نابود می شود. در آنجا قانون همه یا هیچ حاکم است، زیرا بخشی از انرژی فوتون نمیتواند به الكترون 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 آنرا ثابت پلانت J. s۶ / ۶/۲۶۸ ×۱۰ – ۳۴ است:

E = h.f

 

 

  • تئوری مکانیک موجی

این تئوری 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 بدلیل وارد شدن انرژی مانند گرما یا الکتریسیته و امثال آن به الکترون های مدارات اتم ها، این الکترون ها از مدار اصلی خود بسمت مدارات بالاتر پرتاب می شوند و چون تداوم انرژی وارده بر همان الكترون لحظه ای است لذا الكترون بلافاصله به مدار اصلی خود باز می گردد و در این بازگشت انرژی اضافی را به صورت فوتون آزاد می کند.

این ذرات بصورت موجی در محیط اطراف منتشر می گردند. لذا هم ذره ای بودن و هم موجی بودن حرکت در مورد آن صدق می کند.

 

در امواج الکترو مغناطیس از جمله نور، که سرعت انتشار در آنها ثابت است، طول موج تابعی از فرکانس تابش میباشد. 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 می باشد.

 

 

  • دمای رنگ

برای یک منبع مجهول، برای بیان انتشار طیف نوری منابعی مانند لامپ التهابی تنگستنی یا سایر لامپ های مشابه، با عنایت به روابط پیش گفت می توان به دو ویژگی مقدار انرژی تابشی در تمام طول موج ها و دمای مطلق اكتفا نمود، اما برای بیان چگونگی تابش طیف مرئی سایر منابع از کمیت دمای رنگ استفاده می گردد.

دمای رنگ بیان کننده توانایی منبع برای تابش طیفی در مقایسه با یک منبع جسم سیاه است.

دمای رنگ به نوعی بیان کننده گرمی یا سردی طیف تابشی منبع نیز هست زیرا برخی طیف ها از نظر روانشناسی سرد و برخی گرم هستند. طیف سرد در طول موجهای مرئی کوتاه و میانی و طیف گرم بلند و میانی است.

دمای رنگ منبع به درجه کلوین K برای هر منبع بیان می شود و از این نظر منابع با هم قابل مقایسه خواهند بود. دمای رنگ با یک منبع کامل که همان منبع جسم سیاه است نیز قابل مقایسه است.

هرچه دمای رنگ بالاتر باشد توان خروجی تابش منبع نیز بالاتر خواهد بود. تابش طیفی در یک منبع همراه با گرم شدن ابتدا در ناحیه مادون قرمز سپس قرمز، زرد، سفید مایل به آبی و آبی است.

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.

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.

 

شاخص رنگ دهی یا شاخص تجلی رنگ منابع عبارت از نسبت تشخیص رنگ اشیاء یا تصاویر در زیر نور هر منبع نسبت به تشخیص رنگ در زیر نور خورشید می باشد و برای نور خورشید این شاخص ۱۰۰ تعیین شده است.

شاخص دمای رنگ منبع تا حدودی برای تشخیص رنگ دهی نور آنها قابل استفاده است، اما بیان کننده واقعی رنگ دهی نور منبع نمی باشد.

به طور مثال، اگرچه دمای رنگ لامپ التهابی و گازی سدیمی نزدیک است اما رنگ دهی آنها به ترتیب ۱۰۰ و ۲۵ است که قابل مقایسه نیستند. این شاخص برای فلورسنت ۸۵ ، متال هالید ۸۰ و گازی جیوه ای ۴۰ می باشد.

 

 

  • رفتارهای نور

امواج نوری در محیط انتشار دارای رفتارهای فیزیکی هستند که این رفتارها در مباحث مربوط به ارزیابی و طراحی روشنایی دارای اهمیت است. این رفتارها در پنج دسته خلاصه شده اند:

  • بازتابش
  • پراکندگی و انحراف
  • شکست
  • تداخل امواج
  • تجزیه طیف

 

  • بازتابش نور

بخشی از موج نور در برخورد به سطوح اجسام یا مرت منعکس می گردد. چگونگی بازتابش نور وابسته به مشخصات مانع است، اصولاً همه موانع می توانند بخشی از نور تابیده شده روی سطح خود را منعکس نمایند.

قسمتی از نور نیز در برخورد با اجسام جذب می گردد. زاویه تابش و بازتابش در روی سطوح صاف، برابر می باشند.


بازتابش نور از روی سطوح از دو جنبه دارای اهمیت است:

  • بازتابش انرژی
  • بازتابش طیف

 

  • پراکندگی و انحراف

امواج نوری در برخورد با ذراتی که بزرگتر از طول موج خود هستند (مانند ذرات بخار) تغییر جهت می دهند. روشنایی روز، قبل از طلوع آفتاب و بعد از غروب آن، مثال بارزی از این پدیده است.

آسمان در روز آبی به نظر می رسد. اگر جو زمین نبود آسمان روز هم تاریک به نظر می آمد در هنگام غروب خورشید به دلیل اینکه نور مسیر طولانی تری را طی می کند در هنگام عبور از جو نزدیک سطح زمین، طیف آبی آن حذف می شود آنچه می ماند، نور زرد و سرخ است.

همچنین برخورد پرتوهای نور به لبه اشیاء نیز باعث انحراف آن می شود. علاوه بر این، پرتوهای نور در حالت عادی دارای واگرایی هستند. لیزر برخلاف پرتوهای معمول واگرایی ندارد. 

هرگاه موج نوری از یک محیط شفاف وارد محیط شفاف دیگر گردد، زاویه تابش آن در محیط دوم نسبت به خط عمود بر سطح جداکننده در محیط تغییر پیدا می کند که به آن شکست می گویند.

میزان تغییر زاویه تابش نور در محیط دوم وابسته به ضریب شکست آن محیط است که بر اساس قانون اسنل بصورت زیر بیان شده است:

ضریب شکست خلاء برابر یک است و ضریب شکست هوا نیز برابر یک در نظر گرفته میشود. ضریب شکست شیشه بین ۱٫۸-۱٫۵، یخ ۱٫۳ ، کوارتز ۱٫۵۴، الماس ۲٫۴۲ و آب ۱٫۳۳ است.

نسبت زوایا و نسبت ضرایب شکست دو محیط، همواره ثابت است. اگر نور از محیط رقیق وارد محیط غلیظ گردد زاویه تابش به خط عمود نزدیک می گردد.

شکست نور، باعث می شود که در برخی موارد اشخاص در تشخیص عمق مایعات و موقعیت قرارگیری اشیاء در آنها دچار اشتباه گردند. شکل (۱) تغییر زاویه تابش نور نسبت به خط عمود وقتی از هوا وارد آب می شود را نشان می دهد.

 

 

شکل (۱) شکست موج نوری

 

 

  • تداخل امواج

تداخل به وضعیتی گفته می شود که در گستره ای از فضا، دو یا چند موج همزمان در هر نقطه از نقاط آن فضا وجود داشته باشند. برآیند این امواج وابسته به اختلاف فاز آن ها است.

دامنه های هم فاز با هم جمع می شوند و تداخل سازنده ایجاد می کنند. به همین ترتیب تداخل های ویرانگر نیز در اثر تداخل امواج با فاز متقابل ، ایجاد می شود. این پدیده در امواج صوتی نیز دیده می شود.

 

 

  • تجزیه

تجزیه طیف نور با پاشش نور، در اثر شکست در محیط شفاف، در یک منشور نشان داده می شود. اگر نور سفید با طیف کامل به یک منشور تابانده شود به علت شکست در داخل منشور تغییر جهت می دهد این تغییر جهت باعث می شود که طول موج های ترکیب نور سفید دارای زوایای شکست متفاوت باشند و در هنگام خروج از منشور بصورت طيف منفک شده قابل دریافت روی یک سطح باشند. درخشندگی سطح کریستال هایی مانند الماس نیز به همین دلیل است.

 


بیشتر بخوانید:

تئوری های نور


 

 

مقالات مرتبط