دانلود مقاله نور و امواج الکترومغناطیس

مقدمه

امروزه می دانیم که نور یک موج الکترمغناطیسی است و بخش بسیار کوچکی از طیف الکترمغناطیسی را تشکیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الکترومغناطیسی پرداخت. اما از آنجاییکه مکانیک کلاسیک قادر به توضیح کامل امواج الکترومغناطیسی نیست، الزاماً بایستی به مکانیک کوانتوم مراجعه کرد. اما قبل از وارد شدن به مکانیک کوانتوم لازم است با برخی از خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مکانیک کلاسیک را دانست. لذا در این فصل دانش نور را تا پیش از ارائه شدن رابطه ی مشهور پلانک بررسی می کنیم و در فصل جداگانه ای خواص امواج الکترومغناطیسی بعد از مکانیک کوانتوم و نسبیت بررسی خواهد شد.

خواص نور

نخستین مسئله ای مهم جلوه می کرد این بود که نور چیست؟ از آنجاییکه عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمی شد، سئوال این بود که نور چیست؟ چرا می بینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید می شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می شود. بعد از آن مسئله انعکاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینکه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را باز تابش می کنند؟ چرا نور از برخی اجسام عبور می کند و از برخی دیگر عبور نمی کند؟ چرا نور علاوه بر آنکه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز می شود؟ نور چگونه منتقل می شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوه ی انتقال آن چیست؟

نخستین آزمایش مهم نور توسط نیوتن در سال 1666 انجام شد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را که از شکاف باریکی وارد اتاق تاریکی شده بود، بطور مایل بر وجه یک منشور شیشه ای مثلث القاعده ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.

نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یک پرده سفید انداخت. وی مشاهده کرد که به جای تشکیل یک لکه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی که به ترتیب مرکب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراکنده شده است. نوار رنگینی را که از مولفه های نور تشکیل می شود، طیف می نامند.

نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز - دانه ها - تشکیل می شود که با سرعت زیاد حرکت می کند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حرکت می کند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می بود می بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد که می دانیم درست نیست.

هویگنس در سال 1690 رساله ای در شرح نظریه موجی نور منتشر کرد. طبق اصل هویگنس حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه های نوری به تمام جهات پخش می شود. هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. هویگنس نظر داد که سرعت نور در محیط های شکست دهنده کمتر از سرعت نور در هوا است که درست است.

پیروزی نظریه موجی نور

نظریه دانه ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می گفت، اما باز هم پرسش هایی وجود داشت که این نظریه نمی توانست برای آنها جواب قانع کننده ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه ی نور می توانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه ی نورانی می توانند بدون آنکه مزاحمتی برای هم فراهم کنند از یکدیگر بگرند. هویگنس نمی دانست که نور موج عرضی است یا موچ طولی، و طول موج های نور مرئی را نیز نمی دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای این انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می کرد که این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبکی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.

نظری هویگنس نیز بطور کامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی توانست توضیح دهد که چرا سایه ی واضح تشکیل می شود، یا چرا امواج نور نمی توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریه موجی و دانه ای نور بیش از یکصد سال با هم مجادله کردند، اما نظریه دانه ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یکطرف منطقی تر به نظر می رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه ای قوی بودند. تا آنکه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید

لئونارد اویلر فکر امواج دوره ای را تکمیل کرد، همچنین دلیل رنگ های گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و این گام بلندی بود. در سال 1800 ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده اما جالبی انجام داد. وی یک دسته اشعه ی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب کرد. جیوه در دما سنج بالا رفت، بدین ترتیب هرشل تابشی را کشف کرد که به تابش زیر قرمز مشهور شد.

در همین هنگام یوهان ویلهلم ریتر انتهای دیگر طیف را کشف کرد. وی دریافت که نیترات نقره که تحت تاثیر نور آبی یا بنفش به نقره ی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره می شود، اگر در ورای طیف، در جاییکه بنفش محو می شود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه می شود. ریتر نوری را کشف کرد که ما اکنون آن را فوق بنفش می نامیم. بدین ترتیب هرشل و ریتر از مرزهای طیف مرئی گذشتند و در قلمروهای جدید تابش پا نهادند. در این هنگام دلایل جدیدی برای موجی بودن نور توسط یانگ و فرنل ارائه گردید.

در سال 1801 توماس یانگ دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یک دسه اشعه ی باریک نور را از دو سوراخ نزدیک بهم گذارانید و بر پرده ای که در عقب این سوراخ نصب کرده بود تابانید. احتمال می رفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعه ای که از سوراخها عبور کرده اند، بر روی پرده روشن تر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجه ای که یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک به وسیله ی یک نوار تاریک از دیگری جدا می شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ی تقویت امواج یکی از دسته ها به وسیله ی امواج دسته ی دیگر است. به گفته ی دیگر، هر جا که دو موج همفاز شوند، بر یکدیگر افزوده می شوند و یکدیگر را تشدید می کنند. از طرف دیگر نوارهای تاریک نشان دهنده ی جاهایی است که امواج در فاز مقابلند، در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند. اگر چه یانگ بارها تاکید کرد که برداشت هایش ریشه در پژوهش های نیوتن دارد، اما به سختی مورد حمله قرار گرفت و نظریات وی خالی از هر گونه ارزش تلقی شد. با این وجود یانگ طول موج های متفاوت نور مرئی را اندازه گرفت.

در سال 1814 ژان فرنل بی خبر از کوششهای یانگ مفاهیم توصیف موجی هویگنس و اصل تداخل را با هم ترکیب کرد و اظهار داشت: ارتعاشات یک موج درخشان را در هر یک از نقاط آن می توان به عنوان مجموع حرکت های بنیادی دانست که به آن نقطه می رسند. بر اثر انتقادهای شدید طرفداران نیوتن، فرنل تاکیدی ریاضی یافت. وی توانست نقش های پراش ناشی از موانع و روزنه های گوناگون را محاسبه کند و به طور رضایت بخشی انتشار مستقیم نور را در محیط های همسانگرد و همگن توضیح دهد. بدینسان انتقاد عمده ی طرفداران نیوتن را نسبت به نظریه موجی بی اثر کند. هنگامیکه فرنل به تقدم یانگ در اصل تداخل پی برد، هرچند اندکی مایوس شد، اما نامه ای به یانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم رای بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ی بحث در مورد کارهای فرنل لازم است موج طولی و موج عرضی را تعریف کنیم. در مجو طولی جهت انتشار با جهت ارتعاش یکی هستند. نظیر نوسان یک فنر. اما در موج عرضی جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظیر موج بر سطح آب که نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور می کرد امواج نور، امواج طولی هستند. اما تصور موج طولی نمی توانست خاصیت قطبش نور را توجیه کند. فرنل و یانگ چندین سال با این مسئله درگیر بودند تا سرانجام یانگ اظهار داشت که ممکن است ارتعاش اتری همانند موجی در یک ریسمان عرضی باشد. ولی امواج عرضی انها در یک محیط مادی منتقل شوند. از طرفی دیگر با توجه به سرعت نور ( که در آنزمان مقدار آن را نمی دانستند ولی می دانستند که فوق العاده زیاد است)، اتر نمی توانست گاز یا مایع باتشد و باید جامد و در عین حال خیلی صلب باشد حتی می بایست صلب تر از فولاد باشد. از این گذشته اتر می بایست در تمام مواد نفوذ کند، یعنی نه تنها در فضا، بلکه باید در بتواند گازها، آب، شیشه و حتی در چشم ها نفوذ کند، زیرا نور وارد چشم نیز می شود. علاوه بر این اتر نبایستی هیچگونه اصطکاکی داشته باشد و مانع بهم خوردن پلک ها گردد. با وجود این با تمام مشکلاتی که اتر داشت برای توجیه موجی بودن نور مورد قبول واقع شد. بدین ترتیب در سال 1825 نظریه موجی نور مورد قبول واقع شد و نظریه دانه ای نیوتن طرفداران چندانی نداشت .

محاسبه سرعت نور

اولین کسی که برای محاسبه ی سرعت نور اقدام کرد، گالیله بود. وی به اتفاق همکارش برای اندازه گیری سرعت نور اقدام کردند. روش کار به این طریق بود که همکار گالیله در حالیکه فانوسی در دست داشت بالای تپه ای ایستاده بود و گالیله بالای تپه ای دیگر. هر دو با خود فانوسی داشتند که روی آن را پوشانده بودند. دستیار وی به مجرد آنکه نور گالیله را می دید، با برداشتن پرده از روی فانوس خود به گالیله علامت می داد. گالیله این آزمایش را با فواصل بیشتر و بیشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زمانی بین برداشتن پرده از روی فانوس خود و دستیارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خیلی زیاد است.

نخستین بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه گرفتگی محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نیز محدود است. عددی را که رومر به دست آورد 215 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آن را باور نمی کردنددر سال 1726 برادلی با استفاده از تغییر وضعیت ستارگان نسبت به زمین سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد.

نخستین بار فیزیو با ستفاده از روش غیر نجومی و اصلاح روش گالیله سرعت نور اندازه گیری کرد و مقدار آن را سیصد و سیزده هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد. بتدریج همراه با پیشرفت وسائل اندازه گیری های زیادی انجام شد و امروزه مقدار سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه پذیرفته شده است .

در زمان فرنل این سئوال مطرح بود که آیا حرکت زمین در میان اتر موجب ایجاد اختلافی قابل مشاهده بین نور چشمه ی زمینی و چشمه های فرازمینی می شود یا نه؟ آراگو به طور تجربی دست به آزمایش زد و دریافت که هیچگونه اختلافت قابل مشاهده ای در این زمینه وجود ندارد. رفتار نور چنان بود که گویی زمین نسبت به اتر بی حرکت است.

فرنل برای توضیح آن اظهار داشت که نور هنگام عبور از یک ماده ی شفاف متحرک کشیده می شود و رابطه زیر را ارائه داد:

v=c/n + or - vw(1-1/n^2)

که در آن v=c/n , vw سرعت نور در یک محیط غلیظ مثلاً آب است و سرعت آب و جمله ی بعدی به دلیل حرکت آب نسبت به وجود می آید.

در هر محیط مادی سرعت نور و طول موج آن مقدارشان از مقدار خلا کمتر است کمیتی که در هر محیطی ثابت می ماند فرکانس نور هست. فرکانس نور با طول موجش نسبت عکس دارد:

(V=F L) که در آن F معرف فرکانس و L معرف طول موج و V معرف سرعت نور در محیط مادی می باشد .

در اپتیک خواص محیط در یک طول امواج را می توان توسط یک پارامتر یعنی نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در محیط توصیف نماییم. این پارامتر ضریب شکست نام دارد.

(n=c/v) بنابر این در یک محیط مادی داریم (V=F L ) که در این رابطه (n) این ضریب شکست تنها کمیتی است که برای محاسبه رفتار نور در محیط مورد نیاز هست. از آنجایی که سرعت نور در محیط های مختلف متفاوت است ،تعیین مسیر پیشروی نور ردیایی پرتو) که از میان محیط های مختلف طی مسیر می کند مشکل می باشد.

نور و الکترومغناطیس

همزنان با تلاشهای یانگ و فرنل فارادی، اورستد، آمپر و عده ای دیگر از فیزیکدانان روی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی و وابستگی آنها کار می کردند که ظاهراً هیچ ربطی به نور نداشت. اما بعدها مشخص گردید که الکتریسیته و مغناطیس و نور از هم جدا نیستند. به همین دلیل در اینجا اشاره ای کوتاه به الکترسیسته و مغناطیس داریم و سپس امواج الکترومغناطیسی را بیان خواهیم کرد که نور بخش بسیار کوچکی از آن است.

نیروی الکتریکی

دو جسم که دارای بار الکتریکی باشند بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. کولن تحت تاثیر قانون جهانی گرانش نیوتن مقدار نیرویی را که اجسام باردار بر یکدیگر وارد می کنند به طور ریاضی بیان کرد که طبق آن این مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد.

F=kqQ/r^2

بین نیروی گرانش و نیروی الکتریکی دو اختلاف وجود دارد:

اول اینکه گرانش همواره جاذبه است. در حالیکه نیروی الکتریکی می تواند جاذبه یا دافعه باشد. دو بار الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می کنند و دو بار الکتریکی غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند.

اختلاف دیگر نیروهای الکتریکی و گرانشی در مقدار آنها است. به عنوان مثال نیروی الکتریکی که دو الکترون به یکدیگر وارد می کنند، تقریبا هزار میلیارد میلیار میلیارد برابر نیروی گرانشی است که این دو الکترون برهم وارد می کنند.

کولن پس از ارائه قانون الکتریکی خود، در صدد تهیه قانونی برای نیروی مغناطیسی برآمد. کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی به دست آورد که مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد. اما پس از کشف ارتباط متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شد که این دو میدان مستقل از هم نیستند. که آن را نیروی الکترومغناطیسی می نامند. برد این نیرو نیز بینهایت است.

الکترومغناطیس

مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی در 600 سال قبل از میلاد بر میگردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده های کاغذ را میرباید. از طرف دیگر مبدا علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمیگردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب میکند. این دو علم تا سال 1199-1820 به موازات هم تکامل مییافتند.

در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777-1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم میتواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.

جیمز کلارک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه میشناسیم، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده میشوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند

در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان به طور کامل تعریف می‌کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیک رسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می‌شود. به عبارت دیگر می‌توان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترو‌مغناطیس به دست می‌دهدوعلاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می‌کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه :

(C=1/sqr(M.E.))

به کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می‌شود .

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه‌های ماورای زمین دریافت می‌کنیم و در واقع همه آگاهی هایی که درباره جهان داریم از این طریق به ما می‌رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترو مغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند.

فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.

امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند .

در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.

برای مقیاس‌های بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.

قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موج‌های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و پرتوی کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند.

یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی

طول موج لاندا بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر ، واحد آنگستروم نشان داده می‌شود. این واحد اکنون دقیقا معادل 10- ^ 10 متر تعریف شده است.

ناحیه مرئی یا نور مرئی ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موج‌های بلند ، فرابنفش از طرف طول موج‌های کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمت های فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده‌هایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم می‌شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسی‌ها می‌باشند .

طبیعت نور

حساسیت اندام های دیداری به نور بسیار زیاد است. بنابر تازه‌ترین اندازه گیریها ، برای ‏احساس نور کافی است که حدود انرژی تابشی در هر ثانیه و تحت شرایط مناسب بر ‏چشم بتابد. به عبارت دیگر ، توان کافی برای تحریک نوری قابل احساس مساوی ‏است.

چشم انسان از جمله حساسترین وسایلی است که می تواند وجود نور را درک کند. اثر ‏نور بر چشم در فرایند شیمیایی معینی خلاصه می شود. که در لایه حساس چشم پدید ‏می آید و باعث تحریک عصب بینایی و مرکزهای مربوط در مغز قدامی می شود. اثر ‏شیمیایی نور مشابه با کش روی ای حساس چشم انسان را می توان در محور ‏تدریجی رنگها در نور مشاهده کرد .

با استفاده از این وسایل خاص می توان پدید آمدن جریان الکتریکی بر اثر نور را به ‏سهولت آشکار کرد. اگر بام یک خانه کوچک را بتوان با ماده ای که در فتوسلها بکار می ‏رود پوشاند، می توان در یک روز آفتابی به کمک انرژی نوری جریان الکتریکی با توان چند ‏کیلووات بهت آورد. سرانجام باید متمرکز شد که اثر مکانیک نور را نیز می توان ‏مشاهده کرد. این اثر در فشار نور بر سطح بازتاب دهنده یا جذب کننده نور آشکار می ‏شود.

اگر جسم را به شکل پره‌های متحرکی بسازیم، چرخش چنین پره‌هایی بر اثر نور تابشی ‏را می توان دید. این آزمایش جالب توجه اولین بار در 1900 توسط بروف در مسکو انجام ‏شده است. محاسبه‌ها نشان می دهد که تابش پرتوهای خورشیدی بر آینه‌‌ها اثر می کند.