ماهیت های نور
آیزاک نیوتن (Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند.
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : چهارشنبه 1396/09/01
زینب شاه مرادی - مرکز یادگیری تبیان
احتمالاً آیزاک نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیطهای همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون می‌نامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.
ماهیت موجی :
همزمان با نیوتن، کریسیتان هویگنس (Christiaan Huygens) (1695-1629) طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش میشود به خاطر داشته باشید که هویگنس با بکار بردن امواج اصلی و موجکهای ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می‌شوند پدیده‌های تداخلی هستند مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک و یا پراش نور در اطراف مانع.
ماهیت الکترومغناطیس :
بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) (1879-1831) است که ما امروزه میدانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف میشود. گسترده کامل امواج الکترومغناطیسی شامل: موج رادیویی ، تابش فرو سرخ ، نور مرئی از قرمز تا بنفش ، تابش فرابنفش ، اشعه ایکس و اشعه گاما میباشد.
ماهیت کوانتومی نور :
طبق نظریه مکانیک کوانتومی نور، که در دو دهه اول قرن بیستم بوسیله پلانک و آلبرت انیشتین و بور برای اولین بار پیشنهاد شد، انرژی الکترومغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترومغناطیسی به مقادیر گسسته‌ای به نام “فوتون” انجام می‌گیرد.
نظریه مکملی :
نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتون و هویگنس است. بنابراین گفته میشود که نور خاصیت دو گانه‌ای دارد، برخی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آنرا نشان میدهد و برخی دیگر مانند پدیده فوتوالکتریک ، پدیده کامپتون و … با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.
تعریف واقعی نور چیست؟
تعریف دقیقی برای نور نداریم، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی باهم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام میکنند که تمام پدیده‌های نوری را میکنند. نظریه ماکسول درباره انتشار نور و بحث میکند در حالی که نظریه کوانتومی برهمکنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح میدهد ازآمیختن این دو نظریه ، نظریه جامعی که کوانتوم الکترودینامیک نام دارد، شکل می‌گیرد. چون نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح میکنند منصفانه می‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. طبیعت نور کاملا شناخته شده است، اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست؟
گسترده طول موجی نور :
نور گستره طول موجی وسیعی دارد چون با نور مرئی کار می‌کنیم اغلب تصاویر و محاسبات در این ناحیه از گستره الکترومغناطیسی انجام می‌گیرد اما روشهای مورد بحث میتواند در تمام ناحیه الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند. ناحیه نور مرئی بر حسب طول موج از حدود ۴۰۰ نانومتر (آبی) تا ۷۰۰ نانومتر (قرمز) گسترده است که در وسط آن طول موج ۵۵۵ نانومتر (نور زرد) که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیه پیوسته که ناحیه مرئی را در بر می‌گیرد و تا فرو سرخ دور گسترش می‌یابد.
خواص نور و نحوه تولید :
سرعت نور در محیطهای مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است، در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته است. بوسیله کاواک جسم سیاه می‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موجهای مختلف مشاهده شده اما مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موجها میباشد. تک طول موجها آنرا بوسیله لامپهای تخلیه الکتریکی که معرف طیفهای اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌توان تولید کرد.
درباره ماهیت نور سه نظریه قالب وجود دارد که نظریات دیگر زیر مجموعه ای از آن میباشند ؛ نظریه نخست دیدگاه کلاسیک و سنتی نیوتن درباره نور است که نور را متشکل از ذراتی با جرم و وزنی مشخص بنام فوتون معرفی میکرد و انتشار نور در امتداد یک خط مستقیم را یکی از دلایل ذره ای بودن آن میدانست ، دیدگاه دوم نظریه موجی بودن نور است که پایه های اصلی آن بوسیله یانگ و فرنل پی ریزی شد آنها تلاش میکردند با اشاره به پدیده هایی مانند تداخل و پراش و قطبش نور ثابت کنند که نور خاصیت موجی دارد ، اما اشکال کار در این بود که نور هم خاصیت ذره ای و هم خاصیت موجی بودن را از خود نشان میداد ، پس موج سوم نور شناخت در قرن بیستم شروع شد ، در این موج سوم که انیشتین نیز از طرفدارانش بود میخواستند ثابت کنند که نور از بسته های انرژی به نام کوانتوم تشکیل شده است که دارای خاصیت ذره ای و موجی به صورت توام هستند و جرم و وزن و فرکانس دارند .
با پذیرفتن دیدگاه سوم درباره نور سعی میکنم آنرا کاملتر نمایم و بخشهای ناگفته اش را روشنتر نمایم، در این دیدگاه مطابق نظریه مکس پلانک هر کوانتوم نور با انرژی ( e=hv) انتشار می یابد که –h- یک ثابت جهانی بوده و مقدار آن برابر است با( JS 6/6256×۱۰̄⁻³⁴=h ) و ( v ) نیز فرکانس کوانتوم نور میباشد ، مشخص است که هر چقدر فرکانس بیشتر باشد مقدار انرژی کوانتوم نیز بیشتر میشود ، این کوانتومها میتوانند مطابق دیدگاه پلانک با ضرایب مشخصی به الکترونهای اتم برخورد کرده و آنها را به مدارهایی بالاتر صعود بدهند ، از سوی دیگر در دیدگاه موجی نور گفته میشود که نور ترکیبی از امواج الکتریکی E و مغناطیسی B میباشد ،در دیدگاه من امواج الکتریکی و مغناطیسی نور که با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت میکنند ،در بازه های زمانی و مکانی مشخص در یکدیگر به گونه عمود تداخل میکنند ، در این نقاط تداخل امواج که لحظه ای و گذراست ، ذره یا همان فوتون متولد میشود ، اما این ذره ناپایدار است و با حرکت امواج EوB ذره ناپدید و از نو در بازه زمانی و مکانی دیگری ظاهر میشود ، پس نورهمواره در حال تبدیل موج به ذره و ذره به موج میباشد ، این فوتونهاکه دارای جرم لختی یعنی جرم در حال حرکت میباشند و در سکون وجود ندارند جرمشان قابل اندازه گیری میباشد و جرم این فوتونها همان جرم بنیادی جهان است که مقدار آن ربطی به فرکانس نور نیز ندارد در واقع فرمول پلانک ( e=hv) کاملا درست میباشد ، تنها برداشت ما از آن است که اشتباه میباشد ، بر خلاف تصور همگان ما به (e=hv)نمیتوانیم مفهوم بسته ای بودن و کوانتومی بودن بدهیم و آنرا به صورت ذره تصور کنیم ، زیرا همانطور که میدانیم (v=⅟t ) و (t e=h ) میشود پس ( e ) به زمان تناوب ( t ) نیز بستگی دارد پس (e=hv) نمیتواند یک کوانتوم و یا یک ذره باشد چرا که یک ذره و یا یک کوانتوم در یک لحظه به الکترون برخورد میکند و آنرا به مدار بالاتر گسیل میدارد و نیازی به زمان تناوب (t ) ندارد و اگر الکترون با کوانتوم ( e=hv) میخواست به مدار بالاتر صعود کند مطابق فرمول (t e=h⁄ ) به یک ثانیه وقت نیاز داشت تا انرژی کوانتوم را دریافت کرده و به مدار بالاتر برود و این با مفهوم بسته ای بودن نور در تضاد است ، در حقیقت آنچه را که ما میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم (e=h)میباشد که یک مفهوم ثابت و جهانی است و آنچه که الکترون را از مدار خود حرکت میدهد نه ( e=hv) میباشد و نه (e=h) ، بلکه الکترون برای گسیل به مدار بالاتر نیاز به انرژی (e=nhv) دارد که( n) میتواند یک عدد درست و یا یک عدد کسری باشد ( ½́∙⅓∙⅔⅕∙⅗ …. ) ، این مقدار انرژی ( e=nhv) برای گسیل الکترون به مدار بالاتر در مدارهای مختلف اتم تفاوت میکند و ثابت نیست و الکترون در زمان ( t ) به مدار بالاتر جهش پیدا میکند ، این زمان بستگی به فرکانس موج دارد هر چه فرکانس موج بیشتر باشد زمان t ،( زمان گسیل الکترون به مدار بالاتر ) کوتاه تر خواهد بود ، فرکانس نور در واقع تعداد فوتونها یی میباشد که در یک ثانیه منتشر شده و میتوانند به الکترون برخورد کنند و آنرا به مدار بالاتر در اتم بفرستند جرم و انرژی همه این فوتون ها در همه امواج گوناگون نوریکسان و ثابت بوده و قابل اندازه گیری میباشد ، از نگاهی دیگر میتوانیم بگوئیم که ( e=hv) هنگامی میتواند به عنوان یک کوانتوم شناخته شود که ( v=1 ) باشد در این صورت ( e=h) را میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم که از تر کیب یک میدان الکتریکی E و یک میدان مغناطیسیB ( عمود بر هم ) بوجود آمده است ، و به زمان تناوب ( t ) نیزبستگی ندارد و لذا میتوانیم آن را به عنوان یک ذره و یا بسته انرژی بدون زمان در نظر بگیریم .
(e=h) همانطور که پلانک آنرا به دست آورده است یک مقدار ثابت و جهانی است و کوچکترین مقدار انرژی شناخته شده جهان میباشد ، ما میتوانیم مقادیر دیگر انرژی را بر اساس آن و به عنوان مضرب درستی از آن تعیین کنیم ، ، جرم این کوانتوم ثابت و جهانی ( یا فوتون )که در حقیقت جرم بنیادی جهان نیز میباشد مطابق رابطه انیشتین (e=mc²)بدینگونه بدست می آید :
با فرض: v=1 داریم : e=h پس e=mc²=h
پس جرم یک فوتون که از ترکیب میدان الکتریکی- Bو E- بدست می آید و جرم بنیادی جهان نیز میباشد برابر است با :
M=h⁄c² kg ⁵⁹ ۷۷ × ۱۰ ⁻۷۳۶۱۷۷۷ =۱۰¹⁶۹×÷ M=6/6256×۱۰̄⁻³⁴
منبع: bigbangpage
احتمالاً آیزاک نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیطهای همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون می‌نامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.
ماهیت موجی :
همزمان با نیوتن، کریسیتان هویگنس (Christiaan Huygens) (1695-1629) طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش میشود به خاطر داشته باشید که هویگنس با بکار بردن امواج اصلی و موجکهای ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می‌شوند پدیده‌های تداخلی هستند مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک و یا پراش نور در اطراف مانع.
ماهیت الکترومغناطیس :
بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) (1879-1831) است که ما امروزه میدانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف میشود. گسترده کامل امواج الکترومغناطیسی شامل: موج رادیویی ، تابش فرو سرخ ، نور مرئی از قرمز تا بنفش ، تابش فرابنفش ، اشعه ایکس و اشعه گاما میباشد.
ماهیت کوانتومی نور :
طبق نظریه مکانیک کوانتومی نور، که در دو دهه اول قرن بیستم بوسیله پلانک و آلبرت انیشتین و بور برای اولین بار پیشنهاد شد، انرژی الکترومغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترومغناطیسی به مقادیر گسسته‌ای به نام “فوتون” انجام می‌گیرد.
نظریه مکملی :
نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتون و هویگنس است. بنابراین گفته میشود که نور خاصیت دو گانه‌ای دارد، برخی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آنرا نشان میدهد و برخی دیگر مانند پدیده فوتوالکتریک ، پدیده کامپتون و … با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.
تعریف دقیقی برای نور نداریم، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی باهم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام میکنند که تمام پدیده‌های نوری را میکنند. نظریه ماکسول درباره انتشار نور و بحث میکند در حالی که نظریه کوانتومی برهمکنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح میدهد ازآمیختن این دو نظریه ، نظریه جامعی که کوانتوم الکترودینامیک نام دارد، شکل می‌گیرد. چون نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح میکنند منصفانه می‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. طبیعت نور کاملا شناخته شده است، اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست؟
گسترده طول موجی نور :
نور گستره طول موجی وسیعی دارد چون با نور مرئی کار می‌کنیم اغلب تصاویر و محاسبات در این ناحیه از گستره الکترومغناطیسی انجام می‌گیرد اما روشهای مورد بحث میتواند در تمام ناحیه الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند. ناحیه نور مرئی بر حسب طول موج از حدود ۴۰۰ نانومتر (آبی) تا ۷۰۰ نانومتر (قرمز) گسترده است که در وسط آن طول موج ۵۵۵ نانومتر (نور زرد) که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیه پیوسته که ناحیه مرئی را در بر می‌گیرد و تا فرو سرخ دور گسترش می‌یابد.
خواص نور و نحوه تولید :
سرعت نور در محیطهای مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است، در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته است. بوسیله کاواک جسم سیاه می‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موجهای مختلف مشاهده شده اما مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موجها میباشد. تک طول موجها آنرا بوسیله لامپهای تخلیه الکتریکی که معرف طیفهای اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌توان تولید کرد.
درباره ماهیت نور سه نظریه قالب وجود دارد که نظریات دیگر زیر مجموعه ای از آن میباشند ؛ نظریه نخست دیدگاه کلاسیک و سنتی نیوتن درباره نور است که نور را متشکل از ذراتی با جرم و وزنی مشخص بنام فوتون معرفی میکرد و انتشار نور در امتداد یک خط مستقیم را یکی از دلایل ذره ای بودن آن میدانست ، دیدگاه دوم نظریه موجی بودن نور است که پایه های اصلی آن بوسیله یانگ و فرنل پی ریزی شد آنها تلاش میکردند با اشاره به پدیده هایی مانند تداخل و پراش و قطبش نور ثابت کنند که نور خاصیت موجی دارد ، اما اشکال کار در این بود که نور هم خاصیت ذره ای و هم خاصیت موجی بودن را از خود نشان میداد ، پس موج سوم نور شناخت در قرن بیستم شروع شد ، در این موج سوم که انیشتین نیز از طرفدارانش بود میخواستند ثابت کنند که نور از بسته های انرژی به نام کوانتوم تشکیل شده است که دارای خاصیت ذره ای و موجی به صورت توام هستند و جرم و وزن و فرکانس دارند .
با پذیرفتن دیدگاه سوم درباره نور سعی میکنم آنرا کاملتر نمایم و بخشهای ناگفته اش را روشنتر نمایم، در این دیدگاه مطابق نظریه مکس پلانک هر کوانتوم نور با انرژی ( e=hv) انتشار می یابد که –h- یک ثابت جهانی بوده و مقدار آن برابر است با( JS 6/6256×۱۰̄⁻³⁴=h ) و ( v ) نیز فرکانس کوانتوم نور میباشد ، مشخص است که هر چقدر فرکانس بیشتر باشد مقدار انرژی کوانتوم نیز بیشتر میشود ، این کوانتومها میتوانند مطابق دیدگاه پلانک با ضرایب مشخصی به الکترونهای اتم برخورد کرده و آنها را به مدارهایی بالاتر صعود بدهند ، از سوی دیگر در دیدگاه موجی نور گفته میشود که نور ترکیبی از امواج الکتریکی E و مغناطیسی B میباشد ،در دیدگاه من امواج الکتریکی و مغناطیسی نور که با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت میکنند ،در بازه های زمانی و مکانی مشخص در یکدیگر به گونه عمود تداخل میکنند ، در این نقاط تداخل امواج که لحظه ای و گذراست ، ذره یا همان فوتون متولد میشود ، اما این ذره ناپایدار است و با حرکت امواج EوB ذره ناپدید و از نو در بازه زمانی و مکانی دیگری ظاهر میشود ، پس نورهمواره در حال تبدیل موج به ذره و ذره به موج میباشد ، این فوتونهاکه دارای جرم لختی یعنی جرم در حال حرکت میباشند و در سکون وجود ندارند جرمشان قابل اندازه گیری میباشد و جرم این فوتونها همان جرم بنیادی جهان است که مقدار آن ربطی به فرکانس نور نیز ندارد در واقع فرمول پلانک ( e=hv) کاملا درست میباشد ، تنها برداشت ما از آن است که اشتباه میباشد ، بر خلاف تصور همگان ما به (e=hv)نمیتوانیم مفهوم بسته ای بودن و کوانتومی بودن بدهیم و آنرا به صورت ذره تصور کنیم ، زیرا همانطور که میدانیم (v=⅟t ) و (t e=h ) میشود پس ( e ) به زمان تناوب ( t ) نیز بستگی دارد پس (e=hv) نمیتواند یک کوانتوم و یا یک ذره باشد چرا که یک ذره و یا یک کوانتوم در یک لحظه به الکترون برخورد میکند و آنرا به مدار بالاتر گسیل میدارد و نیازی به زمان تناوب (t ) ندارد و اگر الکترون با کوانتوم ( e=hv) میخواست به مدار بالاتر صعود کند مطابق فرمول (t e=h⁄ ) به یک ثانیه وقت نیاز داشت تا انرژی کوانتوم را دریافت کرده و به مدار بالاتر برود و این با مفهوم بسته ای بودن نور در تضاد است ، در حقیقت آنچه را که ما میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم (e=h)میباشد که یک مفهوم ثابت و جهانی است و آنچه که الکترون را از مدار خود حرکت میدهد نه ( e=hv) میباشد و نه (e=h) ، بلکه الکترون برای گسیل به مدار بالاتر نیاز به انرژی (e=nhv) دارد که( n) میتواند یک عدد درست و یا یک عدد کسری باشد ( ½́∙⅓∙⅔⅕∙⅗ …. ) ، این مقدار انرژی ( e=nhv) برای گسیل الکترون به مدار بالاتر در مدارهای مختلف اتم تفاوت میکند و ثابت نیست و الکترون در زمان ( t ) به مدار بالاتر جهش پیدا میکند ، این زمان بستگی به فرکانس موج دارد هر چه فرکانس موج بیشتر باشد زمان t ،( زمان گسیل الکترون به مدار بالاتر ) کوتاه تر خواهد بود ، فرکانس نور در واقع تعداد فوتونها یی میباشد که در یک ثانیه منتشر شده و میتوانند به الکترون برخورد کنند و آنرا به مدار بالاتر در اتم بفرستند جرم و انرژی همه این فوتون ها در همه امواج گوناگون نوریکسان و ثابت بوده و قابل اندازه گیری میباشد ، از نگاهی دیگر میتوانیم بگوئیم که ( e=hv) هنگامی میتواند به عنوان یک کوانتوم شناخته شود که ( v=1 ) باشد در این صورت ( e=h) را میتوانیم به عنوان یک کوانتوم ثابت در نظر بگیریم که از تر کیب یک میدان الکتریکی E و یک میدان مغناطیسیB ( عمود بر هم ) بوجود آمده است ، و به زمان تناوب ( t ) نیزبستگی ندارد و لذا میتوانیم آن را به عنوان یک ذره و یا بسته انرژی بدون زمان در نظر بگیریم .
(e=h) همانطور که پلانک آنرا به دست آورده است یک مقدار ثابت و جهانی است و کوچکترین مقدار انرژی شناخته شده جهان میباشد ، ما میتوانیم مقادیر دیگر انرژی را بر اساس آن و به عنوان مضرب درستی از آن تعیین کنیم ، ، جرم این کوانتوم ثابت و جهانی ( یا فوتون )که در حقیقت جرم بنیادی جهان نیز میباشد مطابق رابطه انیشتین (e=mc²)بدینگونه بدست می آید :
با فرض: v=1 داریم : e=h پس e=mc²=h
پس جرم یک فوتون که از ترکیب میدان الکتریکی- Bو E- بدست می آید و جرم بنیادی جهان نیز میباشد برابر است با :
M=h⁄c² kg ⁵⁹ ۷۷ × ۱۰ ⁻۷۳۶۱۷۷۷ =۱۰¹⁶۹×÷ M=6/6256×۱۰̄⁻³⁴
منبع: bigbangpage
