دانلود مقاله نور-آینه-عدسی

نور       

ماهیت ذر‌ه‌ای

اسحاق نیوتن (Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً اسحاق 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 400 نانومتر (آبی) تا 700 نانومتر (قرمز) گسترده است که در وسط آن طول موج 555 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.

سرعت نور       

مقدار سرعت نور:

نور بیشترین سرعت خود رادر خلا دارد که حدودا300000 کیلومتر بر ثانیه می باشد مقدار سرعت نور در محیط مادی غیر خلا کمتر ازمقدارش در خلا است.

با حل معادلات ماکسول و رسیدن به معادله بنیادی موج مقدار سرعت نور بر حسب گذردهی الکتریکی خلا وتراوایی مغناطیسی خلا بر طبق زابطه سرعت امواج الکترومغناطیسی ماکسول داده می شود.

اندازه گیری سرعت نور:

یکی از دقیقترین اندازه گیری های الکتریکی کمیت گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی است که در مؤسسه ملی استاندارد ها در آمریکاه بوسیله رزا (Roza) و درسی(Dorsey) انجام شد.

نحوه اندازه گیری سرعت نور توسط رزا(Roza):

ایشان ظرفیت خازنی را که ابعاد فیزیکی آن دقیقا معلوم بود را از طریق محاسبه یافت. این ظرفیت در یکای الکتریسیته بدست آمد سپس با استفاده از پل و تستون ، ظرفیت همان خازن را در یکای الکترو مغناطیس یافت نسبت این دو مقدارظرفیت در یکای SI بصورت حاصلضرب گذردهی الکتریکی در تراوایی مغناطیسی داده شد نتیجه این اندازه گیری بسیار دقیق بود.

تاریخ اولین اندازه گیری سرعت نور:

رومر(Romer) اولین کسی بود که در سال 1676 با مطالعه گرفتگی ماه های بر جیس سرعت نور را اندازه گرفت پژوهشگران متعددی بطور مستقیم

سرعت انتشار نور را اندازه گرفته اند.نتایج این اندازه گیری ها با دخالت خطای آزمایش جواب واحدی را دنبال می کنند .

اینکه نور یک نوع آشفتگی الکترو مغناطیسی است غیر قابل انکاراست دقیق ترین اندازه گیری سرعت نور که آنرا با حرف اختصاری C در خلا نشان می دهند با استفاده از لیزر (Laser)بوده که در سال 1972 بوسیله اوانسون(Evanson) و همکارن او در مؤسسه ملی استاندارد انجام شده و نتیجه آن چنین است: (29979245692 متر بر ثانیه)

بحث کلی بسیار خوبی در مقاله "سرعت نور" نوشته بر گسترند در دایره المعارف فیزیک موجوداست.

آینه     

آینه‌ها (Mirorrs)

مقدمه

بدون شک همه ما هر روز با آینه سر و کار داریم و از آن استفاده می‌کنیم. اما آیا تا کنون از خود پرسیده‌ایم که آینه چگونه بوجود آمده است؟! چگونه به تکامل رسیده است؟! و چه نقشی را در زندگی و دنیای پیشرفته امروزی بازی می‌کند؟! احتمال اینکه اولین آینه ، آبگیرها بوده باشند بسیار قوی است و در واقع واژه "آبگینه" یا "آب گونه" شاید از چنین خاستگاهی بوجود آمده باشد.

تاریخچه

کاوشهای باستان شناسان مبین این نکته جالب است که آینه‌های شخصی و ساده بیش از 50 قرن قدمت دارند و در دورانهای گذشته از ارزشی اغراق آمیز برخوردار بوده‌اند. زمانی در آسیای صغیر آینه را از جنس برنز و مس مفرغ می‌ساختند و آن را صیقل داده و با دسته‌های پر نقش و نگار عرضه می‌کردند و به تدریج آینه‌های فولادی به علت قابلیت صیقل یافتن بیشتر و شفافیت بیشتر ، نسبت به برنز و مس و مفرغ ، جایگزین آینه‌های قدیمی‌تر شدند، تا اینکه تحول اساسی در صنعت تولید آینه بوجود آمد. در قرن 12 میلادی کاربرد شیشه در تولید آینه کشف شد و اولین آینه‌های شیشه‌ای که با ورقه‌هایی پوشیده از سرب به بازار عرضه می‌شدند بوجود آمدند.

مدتی بعد ماهیت سمی بودن سرب آشکار گردید و به همین دلیل استفاده از مخلوط جیوه و قلع بجای سرب آغاز شد. این تغییر و تحولات باعث شدند که ونیز که در آن زمان محل تولید اینگونه آینه‌ها بود به یک قطب اقتصادی تبدیل شود. با وجود این ، اختراع و تولید آینه را نباید جزو نیازهای اولیه و تنها در حد یک ابزار شخصی تصور کنیم، امروزه کاربردهای علمی آینه‌ها بسیار بیشتر از کاربردهای اولیه و ظاهری آنها هستند.

داشنمندان از مدتها قبل خواص آینه‌های تخت و کوژ و کاو (محدب و مقعر) را می‌شناختند و حتی با استفاده از آنها برای متمرکز کردن نور آفتاب وسایلی را برای به آتش کشیدن اجسام اختراع کرده بودند. حتی در این مورد افسانه‌ای وجود دارد که می‌گویند ارشمیدس دانشمند معروف قرن سوم قبل از میلاد بوسیله شبکه‌ای از اینگونه آینه‌ها ، کشتیهای بادبانی مهاجمان رومی را به آتش می‌کشیده است، تا اینکه فرمانروای روم سرانجام در شب موفق به تسخیر شهر "سیراکوز" می‌گردد.

تصویر در آینه‌ها

آینه‌ها سطوح بازتابنده هستند که تصویر جسم نورانی قرار گرفته در جلوی خودشان را نشان می‌دهند، بسته به فاصله جسم از آینه مشخصات تصویر (مکان - وارونگی - برگردان جانبی - بزرگی) ممکن است متفاوت باشد. این وسیله نوری از دیر باز در زندگی بشر نقش عمده‌ای داشته و استفاده‌های فراوانی از آن به عمل آمده است. در طبیعت شکل گیری تصویر در آب یا در شیشه‌های پنجره و یا سطوح بازتابان فلزی و پدیده‌هایی از این قبیل به وفور وجود دارند. بر حسب نوع کاربرد و چگونگی شکل گیری تصویر و مشخصات آن به دو دسته عمده تقسیم شده‌اند:

آینه‌های تخت

آینه‌هایی هستند که در منازل وجود دارد و از جسم نورانی تصویری مستقیم و مجازی و برگردان تشکیل می‌دهند، طوری که سمت راست جسم برای تصویر سمت چپ به حساب می‌آید و برعکس که در اکثر سیستمهای نوری ساده کاربرد فراوان دارند. در کارهای عادی و مصارف عمومی از این آینه استفاده می‌شود. به لحاظ هزینه پایین و تولید راحت و انبوه سازی و سادگی مکانیزم توسعه فراوانی دارد.

در منازل ، باشگاهها و مغازه‌ها و دکوراسیون در آینه کاری و معماری و در بتینه کاری و تزئینات ساختمان کاربرد فراوان دارند. از قدیم الایام به صورتهای طبیعی یافت می‌شدند، که با پیشرفت علم و صنعت با کیفیتهای بالاتر نیز به بازار عرضه شد که حتی در برخی سیستمهای اپتیکی نیز بکار گرفته‌اند.

چگونگی تشکیل تصویر در آینه تخت

هنگامی که یک شی که در روشنایی واقع است، در مقابل آینه تخت قرار می‌گیرد، از هر نقطه جسم پرتوهای نور به آینه می‌تابند. این پرتوها پس از بازتاب از آینه به چشم می‌رسند، مثل اینکه پرتوها از نقطه‌ای که در پشت آینه واقع است، به چشم می‌رسند. این نقطه همان نقطه تقاطعی است که در آن امتداد پرتوهای بازتابشی به چشم ، در پشت آینه ، به هم می‌رسند و آن نقطه ، تصویر نقطه‌ای نقطه انتخاب شده از جسم نامیده می‌شود. به این ترتیب می‌توانیم تصویر هر نقطه دیگری از جسم را به کمک حداقل دو پرتو که از آن نقطه به آینه می‌تابند، مشخص کنیم.

موارد استفاده آینه‌های تخت

امروزه بهره وری این آینه‌ها را بالا برده‌اند و آینه‌هایی با ضریب بازتابش بسیار بالایی هم ساخته‌اند. در سیستمهای نوری و برخی دستگاههای حساس نوری از جمله لیزرها از این آینه‌ها استفاده می‌شود، آینه‌های شیشه‌ای نیم بازتابان نیز از این نوعند.

انواع آینه‌های تخت

آینه‌های شیشه‌ای: که بر حسب نوع کیفیت و صیقل بودن شیشه و مواد اندود کننده دارای کیفیت متفاوتی می‌باشند.

آینه‌های فلزی: آینه‌های فلزی را بیشتر از نوع تخت می‌سازند و در دندانپزشکی و قطعات ریز اپتیکی کاربرد دارند.

آینه‌های لایه گذاری شده: آینه‌ای با چند لایه اندود جهت بالا بردن ضریب بازتابش و اصلاح آینه‌ها شیشه‌ای و جلوگیری کامل از شبح نوری ساخته شده‌اند.

آینه‌های کروی

این آینه‌ها به دو دسته عمده آینه‌های محدب و آینه‌های مقعر تقسیم می‌شوند. این آینه‌ها از لحاظ همگرایی و واگرایی پرتوهای نوری و شکل گیری تصویر و بزرگنمایی و وارونگی و سایر مشخصات تصویر کاربردهای ویژه‌ای در سیستمهای نوری دارند.

آینه شلجمی

در چراغهای اتومبیلها و برخی سیستمهای موازی ساز نورها بکار می‌روند، که شکلی شبیه آینه‌های کروی اما متفاوت از آنها دارند.

آینه‌های توان بالا

نوعی آینه‌های چند لایه‌ای هستند که در سیستمهای بازتاب کامل نور و نیز در سیستمهای لیزری و برخی طیف سنجها و محاسبات دقیق و حساس نوری کاربرد دارند.

تقسیمات آینه‌ها

آینه‌ها را بر حسب جنس مواد سازنده و نحوه کارشان به چند دسته عمده بصورت زیر نیز تقسیم بندی می‌کنند که اسامی آنها گویای چگونگی ساخت آنها نیز می‌باشد.

آینه‌های شیشه‌ای

این آینه‌ها از جنس شیشه بوده که پشت آن به توسط مواد باز تابنده اندود شده است و به لحاظ هزینه پایین و مکانیزم ساده کاربرد وسیعی دارند، معمولا سطوح این آینه‌ها به توسط جیوه (Hg) و نقره (Ag) و آلومینیوم (Al) اندود می‌شود. البته یک لایه رنگ هم روی فلز زده می‌شود که از آن محافظت نماید.

آینه‌های فلزی

یک نوع آینه‌های فلزی همان آینه‌ای شیشه‌ای اندود فلزی شده هستند، نوع دوم که بیشتر مد نظر ماست جهت جلوگیری از شبح نوری که از تداخل دو بازتاب لایه خارجی و داخلی آینه ایجاد می‌شود و وضوح تصویر را پایین می‌آورد. آینه‌های تک لایه‌ای فلزی هستند، که فلزات با سطوح صیقل یافته ساخته می‌شود که مشهورترینشان آینه آلومینیومی یا آینه استیل و ... که توان بازتابی خوبی دارند و در دستگاههای اپتیکی هم جواب خوبی می‌دهند.

آینه‌های مایع

یک آینه دیگر با سمت گیری بسیار ویژه ، آینه‌ای است که از سطح یک مایع تشکیل می‌یابد. برای مثال ، از یک تشت پر از جیوه و یک باریکه لیزر برای تعیین امتداد قائم یک محل استفاده می‌شود و به منزله یک شاقول اپتیکی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای همین مقصود ، می‌توان حتی از مایعاتی که قدرت بازتابی کمتری دارند ولی سمی نیستند، استفاده کرد.

کاربردها

برای اولین بار "اسحق نیوتن" داشنمند معروف انگلیسی و کاشف قانون جاذبه ، از آینه‌ها در ساخت تلسکوپ جدید که خود اختراع کرده بود بهره جست و به این ترتیب نسل جدید از این گونه تلسکوپها را بوجود آورد. از آن زمان ، یعنی از سال 1671م تا کنون آینه‌های بسیار شفافتر و بزرگتر و در نتیجه تلسکوپهای بسیار عظیمتر و دقیقتری توسط دانشمندان گوناگون بوجود آمده‌اند. تلسکوپهایی که برای ساخت آنها هزینه‌های بسیار گزافی صرف شده است. برای نمونه ، آینه تلسکوپ عظیم رصدخانه کوه پالومار در کالیفرنیا 5 متر و 8 میلیمتر قطر و حدود 20 تن وزن دارد! چنین آینه‌هایی با دقت و شفافیت بسیار بالایی که دارند می‌توانند نگاه انسانهای کنجکاو و جستجو گران فضا را تا اعماق فضا گسترش دهند.

البته باید اقرار کرد در واقع بدون وجود اینگونه آینه‌ها نگاه انسان کنونی از سطح زمین فراتر نمی‌رفت. بنابراین یکی از نتایج اختراع و تکامل آینه‌ها ، گسترش نگاه انسان از کیهان و برملا شدن بسیاری از رازهای پیدایش هستی را در بر داشته است. علاوه بر این ، در بسیاری از تکنیکهای پیچیده هواپیمایی و سیستمهای رادار ، انواع میکروسکوپها و ابزار آلات پزشکی و بسیاری از ابزارهای پیشرفته کنونی ، انواع گوناگون آینه‌ها ، نقشی بسیار اساسی را به عهده دارند.

بنابراین انسان بدون آینه ، هرگز صاحب علوم امروزی و تکنولوژی امروزی نمی‌شد و بسیاری از رازهای دنیای علم و طبیعت و کهکشانها برای انسان ناشناخته باقی می‌ماند. اما ، این مسأله‌ای نبود که بتوان به کمک تلسکوپهای زمینی به آن دست افت و در حقیقت از اینجا بود که پروژه‌های پر خرجی آغاز شد.