نور و امواج الكترومغناطيس

نور و امواج الكترومغناطيس

امروزه مي دانيم كه نور يك موج الكترمغناطيسي است و بخش بسيار كوچكي از طيف الكترمغناطيسي را تشكيل مي دهد. بنابراين براي شناخت نور بايستي به بررسي امواج الكترومغناطيسي پرداخت. اما از آنجاييكه مكانيك كلاسيك قادر به توضيح كامل امواج الكترومغناطيسي نيست، الزاماً بايستي به مكانيك كوانتوم مراجعه كرد. اما قبل از وارد شدن به مكانيك كوانتوم لازم است با برخي از خواص نور آشنا شد و دليل نارسايي مكانيك كلاسيك را دانست. لذا در اين فصل دانش نور را تا پيش از ارائه شدن رابطه ي مشهور پلانك بررسي مي كنيم و در فصل جداگانه اي خواص امواج الكترومغناطيسي بعد از مكانيك كوانتوم و نسبيت بررسي خواهد شد..

خواص نور

نخستين مسئله اي مهم جلوه مي كرد اين بود كه نور چيست؟ از آنجاييكه عامل ديدن بود و در تاريكي چيزي ديده نمي شد، سئوال اين بود كه نور چيست؟ چرا مي بينيم و نور چگونه و توسط چه چيرزي توليد مي شود؟ بالاخره اين نظريه پيروز شد كه نور توسط اجسام منير نظير خورشيد و مشعل توليد مي شود. بعد از آن مسئله انعكاس نور مورد توجه قرار گرفت و اينكه چرا برخي از اجسام بهتر از ساير اجسام نور را باز تابش مي كنند؟ چرا نور از برخي اجسام عبور مي كند و از برخي ديگر عبور نمي كند؟ چرا نور علاوه بر آنكه سبب ديدن است موجب گرم شدن نيز مي شود؟ نور چگونه منتقل مي شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهيت نور و نحوه ي انتقال آن چيست؟

نخستين آزمايش مهم نور توسط نيوتن در سال 1666 انجام شد. وي يك دسته اشعه نور خورشيد را كه از شكاف باريكي وارد اتاق تاريكي شده بود، بطور مايل بر وجه يك منشور شيشه اي مثلث القاعده اي تابانيد. اين دسته هنگام ورود در شيشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد. نيوتن دسته اشعه خارج شده را بر يك پرده سفيد انداخت. وي مشاهده كرد كه به جاي تشكيل يك لكه سفيد نور، دسته اشعه در نوار رنگيني كه به ترتيب مركب از رنگهاي سرخ، نارنجي، زرد، سبز، آبي و بنفش است پراكنده شده است. نوار رنگيني را كه از مولفه هاي نور تشكيل مي شود، طيف مي نامند.

نيوتن نظر داد كه نور از ذرات بسيار ريز – دانه ها – تشكيل مي شود كه با سرعت زياد حركت مي كند. علاوه بر آن به نظر نيوتن نور در محيط غليظ باسرعت بيشتري حركت مي كند. اگر نظر نيوتن در مورد سرعت نور درست مي بود مي بايست سرعت نور در شيشه بيشتر از هوا باشد كه مي دانيم درست نيست.

هويگنس در سال 1690 رساله اي در شرح نظريه موجي نور منتشر كرد. طبق اصل هويگنس حركت نور به صورت موجي است و از چشمه هاي نوري به تمام جهات پخش مي شود. هويگنس با به كاربردن امواج اصلي و موجك هاي ثانوي قوانين بازتاب و شكست را تشريح كرد. هويگنس نظر داد كه سرعت نور در محيط هاي شكست دهنده كمتر از سرعت نور در هوا است كه درست است.

پيروزي نظريه موجي نور

نظريه دانه اي نيوتن هرچند بعضي از سئوالات را پاسخ مي گفت، اما باز هم پرسش هايي وجود داشت كه اين نظريه نمي توانست براي آنها جواب قانع كننده اي ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بيشتر منحرف مي شوند؟ چرا دو دسته اشعه ي نور مي توانند بدون آنكه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظريه موجي هويگنس، دو دسته اشعه ي نوراني مي توانند بدون آنكه مزاحمتي براي هم فراهم كنند از يكديگر بگرند. هويگنس نمي دانست كه نور موج عرضي است يا موچ طولي، و طول موج هاي نور مرئي را نيز نمي دانست. ولي چون نور در خلاء نيز منتشر مي شود، وي مجبور شد محيط يا رسانه حاملي براي اين انتشار اين امواج در نظر بگيرد. هويگنس تصور مي كرد كه اين امواج توسط اتر منتقل مي شوند. به نظر وي اتر محيط و مايع خيلي سبكي است و همه جا، حتي ميان ذرات ماده نيز وجود دارد.

نظري هويگنس نيز بطور كامل رضايت بخش نبود، زيرا نمي توانست توضيح دهد كه چرا سايه ي واضح تشكيل مي شود، يا چرا امواج نور نمي توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظريه موجي و دانه اي نور بيش از يكصد سال با هم مجادله كردند، اما نظريه دانه اي نيوتن بيشتر مورد قبول واقع شده بود، زيرا از يكطرف منطقي تر به نظر مي رسيد و از طرف ديگر با نام نيوتن همراه بود. با وجود اين هر دو نظريه فاقد شواهد پشتوانه اي قوي بودند. تا آنكه بتدريج دلايلي بر موجي بودن نور ارائه گرديد

لئونارد اويلر فكر امواج دوره اي را تكميل كرد، همچنين دليل رنگ هاي گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست. و اين گام بلندي بود. در سال 1800 ويليام هرشل آزمايش بسيار ساده اما جالبي انجام داد. وي يك دسته اشعه ي نور خورشيد را از منشور عبور داد و در ماوراي انتهاي سرخ طيف حاصل دماسنجي نصب كرد. جيوه در دما سنج بالا رفت، بدين ترتيب هرشل تابشي را كشف كرد كه به تابش زير قرمز مشهور شد.

در همين هنگام يوهان ويلهلم ريتر انتهاي ديگر طيف را كشف كرد. وي دريافت كه نيترات نقره كه تحت تاثير نور آبي يا بنفش به نقره ي فلزي تجزيه و رنگ آن تيره مي شود، اگر در وراي طيف، در جاييكه بنفش محو مي شود، نيترات نقره قرار گيرد حتي زودتر تجزيه مي شود. ريتر نوري را كشف كرد كه ما اكنون آن را فوق بنفش مي ناميم. بدين ترتيب هرشل و ريتر از مرزهاي طيف مرئي گذشتند و در قلمروهاي جديد تابش پا نهادند. در اين هنگام دلايل جديدي براي موجي بودن نور توسط يانگ و فرنل ارائه گرديد.

در سال 1801 توماس يانگ دست به آزمايش بسيار مهمي زد. وي يك دسه اشعه ي باريك نور را از دو سوراخ نزديك بهم گذارانيد و بر پرده اي كه در عقب اين سوراخ نصب كرده بود تابانيد. احتمال مي رفت كه اگر نور از ذرات تشكيل شده باشند، محل تلاقي دو دسته اشعه اي كه از سوراخها عبور كرده اند، بر روي پرده روشن تر از جاهاي ديگر باشد. اما نتيجه اي كه يانگ به دست آورد چيزي ديگر بود. بر روي پرده يك گروه نوارهاي روشن تشكيل شده بود كه هر يك به وسيله ي يك نوار تاريك از ديگري جدا مي شد. اين پديده به سهولت با نظريه موجي نور توضيح داده شد.

نوار روشن نشان دهنده ي تقويت امواج يكي از دسته ها به وسيله ي امواج دسته ي ديگر است. به گفته ي ديگر، هر جا كه دو موج همفاز شوند، بر يكديگر افزوده مي شوند و يكديگر را تشديد مي كنند. از طرف ديگر نوارهاي تاريك نشان دهنده ي جاهايي است كه امواج در فاز مقابلند، در نتيجه يكديگر را خنثي مي كنند. اگر چه يانگ بارها تاكيد كرد كه برداشت هايش ريشه در پژوهش هاي نيوتن دارد، اما به سختي مورد حمله قرار گرفت و نظريات وي خالي از هر گونه ارزش تلقي شد. با اين وجود يانگ طول موج هاي متفاوت نور مرئي را اندازه گرفت.

در سال 1814 ژان فرنل بي خبر از كوششهاي يانگ مفاهيم توصيف موجي هويگنس و اصل تداخل را با هم تركيب كرد و اظهار داشت: ارتعاشات يك موج درخشان را در هر يك از نقاط آن مي توان به عنوان مجموع حركت هاي بنيادي دانست كه به آن نقطه مي رسند. بر اثر انتقادهاي شديد طرفداران نيوتن، فرنل تاكيدي رياضي يافت. وي توانست نقش هاي پراش ناشي از موانع و روزنه هاي گوناگون را محاسبه كند و به طور رضايت بخشي انتشار مستقيم نور را در محيط هاي همسانگرد و همگن توضيح دهد. بدينسان انتقاد عمده ي طرفداران نيوتن را نسبت به نظريه موجي بي اثر كند. هنگاميكه فرنل به تقدم يانگ در اصل تداخل پي برد، هرچند اندكي مايوس شد، اما نامه اي به يانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم راي بودن با او ابراز داشت.

قبل از ادامه ي بحث در مورد كارهاي فرنل لازم است موج طولي و موج عرضي را تعريف كنيم. در مجو طولي جهت انتشار با جهت ارتعاش يكي هستند. نظير نوسان يك فنر. اما در موج عرضي جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظير موج بر سطح آب كه نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.

فرنل تصور مي كرد امواج نور، امواج طولي هستند. اما تصور موج طولي نمي توانست خاصيت قطبش نور را توجيه كند. فرنل و يانگ چندين سال با اين مسئله درگير بودند تا سرانجام يانگ اظهار داشت كه ممكن است ارتعاش اتري همانند موجي در يك ريسمان عرضي باشد. ولي امواج عرضي انها در يك محيط مادي منتقل شوند. از طرفي ديگر با توجه به سرعت نور ( كه در آنزمان مقدار آن را نمي دانستند ولي مي دانستند كه فوق العاده زياد است)، اتر نمي توانست گاز يا مايع باتشد و بايد جامد و در عين حال خيلي صلب باشد حتي مي بايست صلب تر از فولاد باشد.

از اين گذشته اتر مي بايست در تمام مواد نفوذ كند، يعني نه تنها در فضا، بلكه بايد در بتواند گازها، آب، شيشه و حتي در چشم ها نفوذ كند، زيرا نور وارد چشم نيز مي شود. علاوه بر اين اتر نبايستي هيچگونه اصطكاكي داشته باشد و مانع بهم خوردن پلك ها گردد. با وجود اين با تمام مشكلاتي كه اتر داشت براي توجيه موجي بودن نور مورد قبول واقع شد. بدين ترتيب در سال 1825 نظريه موجي نور مورد قبول واقع شد و نظريه دانه اي نيوتن طرفداران چنداني نداشت .

نور و الكترومغناطيس

همزنان با تلاشهاي يانگ و فرنل فارادي، اورستد، آمپر و عده اي ديگر از فيزيكدانان روي پديده هاي الكتريكي و مغناطيسي و وابستگي آنها كار مي كردند كه ظاهراً هيچ ربطي به نور نداشت. اما بعدها مشخص گرديد كه الكتريسيته و مغناطيس و نور از هم جدا نيستند. به همين دليل در اينجا اشاره اي كوتاه به الكترسيسته و مغناطيس داريم و سپس امواج الكترومغناطيسي را بيان خواهيم كرد كه نور بخش بسيار كوچكي از آن است.

نيروي الكتريكي

دو جسم كه داراي بار الكتريكي باشند بر يكديگر نيرو وارد مي كنند. كولن تحت تاثير قانون جهاني گرانش نيوتن مقدار نيرويي را كه اجسام باردار بر يكديگر وارد مي كنند به طور رياضي بيان كرد كه طبق آن اين مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عكس دارد.

F=kqQ/r^2

بين نيروي گرانش و نيروي الكتريكي دو اختلاف وجود دارد:

اول اينكه گرانش همواره جاذبه است. در حاليكه نيروي الكتريكي مي تواند جاذبه يا دافعه باشد. دو بار الكتريكي همنام يكديگر را دفع مي كنند و دو بار الكتريكي غير همنام يكديگر را جذب مي كنند.

اختلاف ديگر نيروهاي الكتريكي و گرانشي در مقدار آنها است. به عنوان مثال نيروي الكتريكي كه دو الكترون به يكديگر وارد مي كنند، تقريبا هزار ميليارد ميليار ميليارد برابر نيروي گرانشي است كه اين دو الكترون برهم وارد مي كنند.

كولن پس از ارائه قانون الكتريكي خود، در صدد تهيه قانوني براي نيروي مغناطيسي برآمد. كولن براي نيروي مغناطيسي فرمولي مشابه با نيروي الكتريكي به دست آورد كه مورد توجه فيزيكدانان واقع نشد. اما پس از كشف ارتباط متقابل ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي، مشخص شد كه اين دو ميدان مستقل از هم نيستند. كه آن را نيروي الكترومغناطيسي مي نامند. برد اين نيرو نيز بينهايت است.

فهرست مطالب

مقدمه

خواص نور

پیروزی نظریه موجی نور

محاسبه سرعت نور

نيروي الكتريكي

الکترومغناطیس

طبيعت نور

معادلات نیوتن

معادلات ماکسول

آزمايش مايكلسون

بحران فیزیک کلاسیک

متن کامل این مطلب آموزشی با فرمت ورد در 11 صفحه را میتوانید از لینک زیر دانلود کنید.