اثر دوپلر در نور

در گذشته خواندید...

اثر دوپلر نه تنها در مورد صوت بلکه در مورد نور نیز وجود دارد...

یک سیستم متشکل از منبع نور و ناظر را در نظر بگیرید، جهت مثبت را از ناظر به سمت منبع در نظر بگیرید. بنابراین اگر منبع از ناظر دور شود، سرعت آن (v) مثبت است؛ اما اگر به سمت ناظر حرکت کند، سرعت آن منفی است. فرض می کنیم ناظر همیشه در حالت سکون است (پس v در واقع، سرعت نسبی کل بین منبع و ناظر است). سرعت نور (c) همواره مثبت در نظر گرفته می شود.

ناظر، فرکانس fl را دریافت می کند که متفاوت از فرکانس انتقال یافته از منبع fs است. این توصیف را می توان با مکانیک نسبیتی فرمول بندی کرد؛ با به کار بردن انقباض طول در حالت نسبیتی به رابطه زیر می رسیم:

جابه جایی به سمت آبی و قرمز (شیفت آبی و قرمز):

یک منبع نور که در حال دور شدن از ناظر است (v مثبت است) دارای فرکانس fL کم تر از fS است. در طیف نور مرئی، این امر، منجر به جابجایی به سوی انتهای قرمز طیف نور می شود؛ بنابراین شیفت قرمز نام دارد.

زمانی که منبع نور به ناظر نزدیک می شود (v منفی است)، fL بزرگ تر از fS است؛ در طیف نور مرئی، این امر، منجر به جابجایی به انتهای طیف نور که فرکانس بالایی دارد، می شود. اما چون بنفش، انتهای کوتاهی در طیف دارد، چنین جابجایی فرکانسی در واقعیت، شیفت آبی نامیده می شود. بدیهی است که در محدوده طیف الکترومغناطیسی (و در خارج از محدوده طیف مرئی) ممکن است این جابجایی ها واقعا به سمت آبی و قرمز پیش نروند. برای مثال اگر در محدوده مادون قرمز هستید، زمانی که یک "شیفت قرمز" می بینید، به سمت خارج از قرمز جابه جا می شوید!

اگرچه کل طیف جابه جا می شود، ساده ترین راه آن است که هنگام مشاهده خطوط طیفی به جابه جایی ها دقت کنیم زیرا طول موج آن ها ویژه است.

در انیمیشن زیر می بینید که چرا این تغییرات اتفاق می افتند. هر چه منبع به سمت راست حرکت کند، به موج هایی که در آن مسیر منتشر کرده بود و طول موج آن ها را کوتاه تر کرده بود، می رسد و نور به سمت آبی جابه جا می شود.

به طور مشابه، موج هایی که در سمت چپ توسط منبع منتشر شده بود، باقی می مانند و نور به سمت قرمز جابه جا می شود:

کاربردهای اثر دوپلر:

• پلیس از این ویژگی در جعبه های رادار استفاده می کند که برای ردیابی سرعت به کار می روند. سرعت وسیله (که در نقش منبع امواج بازتابیده است)، در تعیین تغییر فرکانس مؤثر است که می تواند با جعبه کشف شود. (کاربردهای مشابه این حالت در اندازه گیری سرعت باد در جو است که "رادار دوپلر" نام دارد و بسیار مورد علاقه هواشناسان است).

تصویری از یک رادار دوپلر

محاسبات هواشناسی با اثر دوپلر

• شیفت دوپلری در ردیابی ماهواره ها هم کاربرد دارد. با مشاهده نحوه تغییرات فرکانس می توان سرعت را نسبت به موقعیت زمین معین کرد؛ این کار به ما اجازه می دهد از ردگیری با مرجع زمین برای تحلیل حرکت اجسام در فضا استفاده کنیم.

• در نجوم، این شیفت ها مفیدند. هنگام مشاهده سیستمی با دو ستاره، با تحلیل تغییر فرکانس آن ها می توان گفت کدام به شما نزدیک و کدام از شما دور می شود.

• تحلیل نوری که از فاصله دور در کهکشان ها به سمت ما می آید، نشان می دهد که نور یک شیفت قرمز را تجربه می کند. این کهکشان ها در حال دور شدن از زمین اند. در واقع، نتایج چنین مشاهداتی کمی فراتر از اثر دوپلر است و به انبساط  فضا - زمان مربوط است که در نظریه نسبیت عام پیش بینی شده است. تعمیم این مشاهدات با دیگر یافته ها، تصویر "انفجار بزرگ یا مهبانگ" که منشأ پیدایش جهان است، تأیید می کند.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم:خدیجه آلچالانلو