ساختار و اجزای یک پرتو نور

پیشگفتار

نور بسیار عنصر آشناییست! همان چیزی که باعث می‌شود بتوانیم جهان پیرامونمان  را با استفاده از دو حسگری که در بدنمان داریم، مشاهده کنیم. چشمان ما، حسگرهای نور هستند. نور از آن پدیده‌هایی است که هرچند همیشه به طور مستقیم با آن سر و کار داریم و کل حیات روی زمین تحت تاثیر آن تکامل یافته، ولی صدها و بلکه هزاران سال در پی شناخت آنصدها یا هزاران دانشمند بزرگ زمان گذاشته اند. سازمان ملل متحد، سال ۲۰۱۵ را سال جهانی نور نام‌گذاری کرده است، به همین مناسبت، این مقاله را تهیه کرده‌ایم. به راستی نور چیست؟ ماده است یا انرژی؟ ذره است یا موج؟ آیا نور فقط همان چیزیست که می‌بینیم؟ آیا اشکال دیگری از نور هم در دنیا وجود دارد؟

ماهیت واقعی نور

با اینکه امروز فیزیک‌دان‌ها تا حد زیادی با ماهیت واقعی نور آشنایی دارند ولی مردم عادی نمی توانند آن را وصف کنند و درباره آن بیشتر از چند خط سطحی مقاله ای بنویسند.ولی جهان دانشمند ما اکنون می داند که نور چگونه پس از مهبانگ (انفجار بزرگ که منجر به پیدایش جهان شد) بوجود آمد. آن‌ها تا حدی می‌دانند که نور را چطور کنترل و از آن برای کارهای مختلف استفاده کنند. با این حال همیشه این‌طور نبوده است. احتمالا یکی از اولین کسانی که خیلی جدی در پی شناخت ماهیت نور، کنترل و استفاده از آن رفت، «ابن هیثم»، دانشمند ایرانی بود. او دقیقا ۱۰۰۰ سال پیش کتابی هفت جلدی به نام «المناظر» نوشت.

ولی آن‌چه امروز از ماهیت واقعی نور می‌دانیم بیش از ۱۵۰ سال عمر ندارد. نکته‌ی جالب این‌جاست که شناخت نهایی نور، با مطالعه‌ی دقیق خود نور میسر نشد، بلکه با بررسی اطلاعاتی که از دهه‌ها تحقیق بر روی ماهیت «الکتریسیته» و «مغناطیس» جمع‌آوری شده بود، بدست آمد. الکتریسیته و مغناطیس، دو پدیده‌ی کاملا جداگانه نشان می دهند ولی در درون به شکلی شگفت انگیز در هم تنیده‌اند که موجب ظهور پدیده ای نوین با نام “الکترومغناطیس” شدند.

 مکسول و خدمت او به بشریت

دانشمندی به نام «جیمز کلارک مکسول» (James Clerk Maxwell) نشان داد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی موج گونه حرکت می‌کنندو جالب اینکه سرعت حرکت آن‌ها، به اندازه‌ی سرعت حرکت نور نیز هست. همین همگونی به مکسول اجازه داد فکر کند که خود نور، با امواج الکترومغناطیسی حمل می‌شود. بدین معنی که نور یکی از اشکال تابش الکترومغناطیسی است. در اواخر دهه‌ی ۱۸۸۰ و تنها چند سال پس از مرگ مکسول، فیزیک‌دانی آلمانی به نام «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) اولین کسی بود که به صورت رسمی اعلام کرد نظریه‌ی الکترومغناطیس مکسول کاملا درست است. مکسول به علم نورشناسی خدمت بزرگ دیگری نیز کرد و آن این که او نخستین عکس رنگی جهان را گرفت. دست کم نوعی از عکس رنگی که دوام زیادی داشت. عکس رنگی مکسول با استفاده از سه فیلتر رنگی تهیه شده بود.

نور، یک تابش الکترومغناطیس

ممکن است این گزاره که نور یکی از انواع تابش الکترومغناطیسی است همچنان به نظرتان مفهومی نباشد. برای توضیح بیشتر باید گفت که همه‌ی ما طبق تجربه‌ای که از زندگی روزمره داریم، می‌دانیم که نور قابل دید، از طیفی از رنگ‌ها تشکیل شده است که گهگاهی پس از بارش باران، می‌توانیم طیف رنگی نور را به شکل رنگین‌کمان ببینیم. این رنگ‌ها دقیقا بازگوکننده‌ی مفهوم تابش الکترومغناطیسی مکسول هستند. نوار قرمز‌رنگی که در یک طرف رنگین کمان قرار دارد، نشانگر طول موج ۶۲۰ تا ۷۵۰ نانومتر طیف الکترومغناطیس است. نوار بنفش که در سوی دیگر رنگین کمان قرار دارد، نشانگر طول موج بین ۳۸۰ تا ۴۵۰ نانومتر طیف الکترومغناطیس است. این در صورتی است که الکترومغناطیس خیلی گسترده‌تر از این چند رنگ و در واقع همان نور مرئی که چشم ما می‌تواند ببیند را به ما معرفی کرده است. به پرتویی که طول موج آن کمی بلندتر از نور قرمز است «فروسرخ»، و به پرتویی که طول موج آن کمی کوتاه‌تر از بنفش است «فرابنفش»، می‌گوییم. بسیاری از حیوانات و البته بعضی از مردم می‌توانند پرتوی فرابنفش را ببینند. بعضی وقت‌ها می‌توان افرادی را پیدا کرد که می‌توانند پرتوی فروسرخ را هم مشاهده کنند. با این حال بیشتر مردم نمی‌توانند این دو طیف را ببینند.

با توجه با آنچه تاکنون گفتیم، حال اگر از پرتوی فرابنفش فراتر برویم، به طول موج‌هایی در حد ۱۰۰ نانومتر می‌رسیم. جایی که به آن‌ محدوده‌ی پرتوی ایکس و گاما می‌گوییم. آن‌سوی طول‌ موج‌هایی که آن را فروسرخ می‌خوانیم، طول موج به ۱ سانتی‌متر و بسیار بیشتر که حتی تا هزاران کیلومتر هم افزایش می‌یابد. به این طول‌ موج‌ها، طول‌موج‌های مایکروویو و رادیویی می‌گوییم.

«از نظر فیزیک، به جز طول موج هیچ تفاوت بنیادینی بین نور مرئی و امواج رادیویی وجود ندارد و نور تنها قسمتی بسیار باریک از تابش الکترومغناطیس است که چشمان ما توانایی دیدن آن را دارد.»

موج یا ذره !

برای سالها، دانشمندان حس می کردند که احتمالا نور به شکل موج حرکت می‌کند. موجی سوار بر یک ماده‌ی فرضی ناپیدا به نام «اتر» و برخی از جمله نیوتون این نظریه را اشتباه می‌دانستند و نیوتون با آزمایشهایی که انجام داد متوجه شده خاصیت ذره ای بیشتر به رفتار موج شبیه است. استدلال نیوتون خوب بود، ولی یکی از مشهور‌ترین آزمایش‌ها در رد نظر نیوتون، آزمایشی است که «توماس یانگ» (Thomas Young) در سال ۱۸۰۱ انجام داد.اگر یک قطعه مقوای ضخیم بردارید و دو شکاف خیلی باریک عمودی در آن ایجاد کنید. سپس یک منبع نور متمرکز که فقط در یک طول موج، نور تولید می‌کند، مثل لیزر را برای منبع نورتان استفاده کنید و آن را روبروی مقوای شکاف‌دار قرار دهید و در پشت مقوا نیز یک سطح دیگر بگذارید. حتما انتظار دارید که بر روی سطح پشتی، دو خط نور عمودی ببینید. ولی توماس یانگ چیز دیگری مشاهده کرد. او تسلسلی از خط‌های عمودی تاریک و روشن را دید، چیزی شبیه به بارکد. دقیقا رفتاری که امواج آب از دو خروجی آبگیر که در کنار هم قرار داده شده اند، و این یعنی رفتار موج گونه نور!

برخی مواد می توانند امواج مغناطیسی را جذب و آن را بتابانند و این پرسش دیگر دانشمندان بود که در اواخر قرن نوزدهم، پژوهش گران متوجه شدند که میزان تابش الکترومغناطیسی یک جسم، به دمای آن جسم بستگی دارد. آن‌ها توانستند این پدیده را اندازه‌گیری هم بکنند ولی نمی‌دانستند چرا این پدیده رخ می‌دهد. تا اینکه در سال ۱۹۰۰، «مکس پلانک» (Max Planck) متوجه شد در صورتی که در نظر بگیرد تابش الکترومغناطیسی به صورت بسته‌های مجزای انرژی انجام می‌شود، معادلات می‌توانند به راحتی رابطه‌ی بین دمای جسم با میزان تابش الکترومغناطیسی را توضیح دهند. پلانک این بسته‌های انرژی را «کوانتا» که اسم جمع «کوانتوم» است نامید. چند سال بعد، انشتین این ایده را برای توضیح یک آزمایش دیگر به کار برد.
فیزیک‌دان‌ها کشف کرده بودند که وقتی یک قطعه فلز به طور مداوم در برابر نور فرابنفش قرار می‌گیرد، دارای بار الکتریکی مثبت می‌شود. به این پدیده، «اثر فوتوالکتریک» می‌گویند. این بدین دلیل است که اتم‌های فلز بر اثر تابش پرتوی فرابنفش، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند. رفتار الکترون‌ها عجیب به نظر می‌رسید. می‌شد کاری کرد که تنها با تغییر رنگ نور تابش شده به فلز، الکترون‌های آن انرژی بیشتری داشته باشند. مثلا، الکترون‌هایی که از فلز قرار گرفته در معرض پرتوی فرابنفش آزاد می‌شدند، انرژی بیشتری در مقایسه با الکترون‌هایی که در معرض نور قرمز قرار گرفته بودند داشتند. اگر نور فقط ماهیت موجی داشته باشد، این پدیده خیلی معنادار نیست.

اینشتین و فوتون

اینشتین این نکته را درک کرد که اگر نور را به صورت بسته‌های انرژی یا همان «کوانتا» در نظر بگیریم، اثر فوتوالکتریک خیلی قابل فهم‌ترمی شود. او گفت که نور در بسته‌های کوچک کوانتمی منتقل می‌شود. هر بسته‌ی کوانتمی که اینشتین آن را فوتون نامید، دارای مقدار معینی انرژی است که مقدار انرژی گفته شده به طول موج بستگی دارد.این یعنی نور رفتار ذره مانند دارد ولی در همین حین رفتار موج گونه هم دارد و فیزیک‌دان‌ها این را به عنوان یک واقعیت پذیرفته‌اند. حال هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، بسته‌ی کوانتومی(حالت  ذره ای نور) انرژی بیشتری دارد. این توضیح می‌دهد که چرا بسته‌های نور فرابنفش با طول موج نسبتا کوتاه، انرژی بیشتری نسبت به بسته‌های نور قرمز با طول موج نسبتا بلندتر دارند. فوتون اکنون در فیزیک جزو ذرات بنیادین به حساب می‌آید. به طور کلی تابش الکترومغناطیسی بوسیله‌ی فوتون‌ها انجام می‌شود. از نور مرئی گرفته تا پرتوی ایکس، مایکروویو و رادیویی.

هرچند که معادلات فیزیک در هر دو حالت موجی و ذره‌ای بودن نور خیلی خوب کار می‌کند، ولی گاهی استفاده از یک خاصیت آن، بهتر از دیگری پاسخ می دهد و بنابراین فیزیک‌دان‌ها از هر دو خاصیت استفاده می‌کنند. این در حقیقت به خاطر یک رفتار عجیب دیگر در فیزیک کوانتوم است. دو ذره‌ی بنیادین، مثل یک جفت فوتون، می‌توانند به یکدیگر وابسته باشند. بدین معنی که سوای فاصله‌ای که این دو ذره از هم دارند، می‌توانند دارای  ویژگی‌های یکسانی باشند که برای برقراری ارتباط بین دو نقطه بر روی زمین استفاده می شوند.

و در پایان …

گولیلماکیس می‌گوید: «ما می‌توانیم نور و سپس بوسیله‌ی آن، ماده را کنترل کنیم.» این می‌تواند الکترونیک را متحول کند. منجر به بوجود آمدن نسل جدیدی از کامپیوترهای نوری شود که از آن‌چه اکنون داریم کوچک‌تر و سریع‌تر هستند. این بدین معنیست که می‌توانیم الکترون‌ها را به نحوی که می‌خواهیم به حرکت در آوریم و تعریفی جدید از نور ارائه دهیم، این که نور به یک ابزارنیرومند مبدل گردد. البته از همان زمان که ارگانیسم‌های دارای سلول‌‌های حساس به نور بوجود آمدند،ما توانستیم از نور استفاده کنیم. چشم انسان در حقیقت حسگری است که از بخش مرئی پرتوی الکترومغناطیس استفاده می‌کند تا انسان بتواند جهان پیرامونش را بهتر درک کند.