ماهیت نور:

از ابتدا این سوال برای بشر مطرح بوده است که ماهیت نور چیست و از چه چیزی تشکیل شده است و پاسخ های گوناگونی به این سوال داده شده است که در طی این سال ها هر کدام نقض یا تکمیل شده است. امروزه نظریه ای که بیش از همه مطرح است دو نظریه ی موج های الکترومغناطیسی و نظریه ی کوانتوم یا فوتون می باشد.

ساده ترین تعریف نور توسط ماکسول انجام شده است. طبق نظریه ی او، نور، پرتوهای الکترومغناطیسی است که از منبع در همه ی جهات منتشر می شود. موج های نور بر خلاف موج های صوتی که به وسیله لرزش ذرات به صورت خطی منتقل می شود، از ذرات ماده تشکیل نشده است. بلکه از میدان های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل می شوند که این میدان ها بر یکدیگر و بر جهت پیشروی موج عمود هستند. از آنجایی که پرتوهای نور از ذرات تشکیل نشده است، می تواند در خلع هم انتشار یابد.

تنها نور می تواند در خلع انتشار یابد. تصور کن چه اتفاقی می افتاد اگر صوت هم در خلع انتشار می یافت؟ صداهای هولناکی از فوران خورشید و ستاره ها در زمین قابل شنیدن می شدند.

ارتعاش عرضی را می توان به سادگی با پرتاب یک تکه سنگ درون استخر آب، نشان داد.

موج عرضی در آب

خصوصیات امواج الکترو مغناطیس:

طول موج: به فاصله ی بین بالاترین نقطه موج تا قله ی دیگر را طول موج (λ) می نامند. بیشتر تفاوت شاخصه های امواج الکترومغناطیس بوسیله ی تفاوت طول موج آنها بیان می شود.

فرکانس: به تعداد نوسانات در هر ثانیه بسامد یا فرکانس (f) گفته می شود. که با واحد هرتز (Hz) مشخص می شود. در امواج الکترومغناطیسی، رابطه ی مستقیمی بین فرکانس و طول موج برقرار است که به شرح زیر می باشد.

 c = λ.f

  آلبرت اینشتین در رابطه ی نسبیت خود یافت که سرعت امواج مغناطیسی همچون نور در خلاء، نه تنها بیشترین است بلکه تنها ثابت واقعی در جهان است. سرعت نور حدود 300,000 کیلومتر بر ساعت می باشد.

طیف امواج الکترومغناطیسی:

طیف امواج الکترومغناطیسی بسیار وسیع است. بازه ای از طول موج های بزرگ رادیویی (طول موج هایی تا 2000 متر) تا طول موج های کوتاه رادیویی AM و FM ، مایکروویو، پخش تلویزیونی و امواج ارسالی رادار (طول موج های 1 متر و کمتر). بعد از این موج ها شاهد طول موج های گرما یا مادون قرمز هستیم در طول موج هایی کمتر از یک هزارم میلی متر. سپس به موج هایی با طول موج بین 780 تا 389 نانومتر می رسیم که بخش قابل دیدن طیف الکترومغناطیسی است که به نام "نور" شناخته می شود.

موج های مرئی، از طول موج های بلند مادون قرمز شروع شده تا به طول موج های کوتاه ماوراء بنفش ختم می شود. این امواج ماوراء بنفش بخشی از پرتوهاییست که از جانب خورشید ساطع می شود و برای بدن مفید می باشد که به آن UVA  می گویند که معمولا برای برنزه کردن پوست استفاده می شود. اما بخش دیگری از امواج ماوراءبنفش بسیار برای پوست و چشم مضر هستند. اما بدن به بخش کمی از این امواج نیاز دارد تا ویتامین D مورد نیاز بدن را بسازد. کوتاه ترین طول موج ماوراء بنفش که به آن UVC گفته می شود به عنوان ضد عفونی کننده استفاده می شود و موجب از بین بردن باکتری ها می گردد.

امواج کوتاهتر به ترتیب شامل X-rays که برای نفوذ و عکس برداری از بدن استفاده می شود. سپس اشعه ی بسیار خطرناک گاما که در اثر تجزیه ی هسته ای ساطع می شود. در آخر به امواج کهکشانی می رسیم که بر اثر تصادم ذرات پر سرعت موجود در فضا منتشر می شود که طول موجی کمتر از 10^-18 متر دارد.

نور سفیدی که از خورشید یا لامپ های التهابی تابیده می شود از طول موج های مختلفی در بازه ی مرئی تشکیل شده است. همچنین این نور شامل طول موج ها محدوده ی مادون قرمز و ماوراءبنفش هم می شود. منشور شناخته شده ترین روش برای تجزیه ی نور به رنگ های تشکیل دهنده اش می باشد. که یادآور رنگین کمان می باشد و شامل رنگ های بنفش، آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز می شود. که طول موج های آن به شرح زیر می باشد.

همه ی طول موج ها از نظر میزان روشنایی تاثیر یکسانی بر روی چشم انسان ندارند. بیشترین حساسیت چشم مربوط می شود به رنگ سبز در محدوده ی 555 nm می باشد. که در آینده بیشتر در مورد این پدیده صحبت خواهیم کرد.

با نظریه ی الکترومغناطیسی نه تنها می توان سرعت نور را اندازه گیری کرد بلکه فاکتور هایی نظیر انعکاس، جذب، عبور، شکست، تداخل و قطبش نور را می توان تعریف کرد. اگرچه محسابه میزان انرژی امواج با طول موج های مختلف با نظریه ی موجی امکان پذیر نیست. بدین منظور بدنبال نظریه ی ماهیت کوانتومی نور و پدیده ی فوتون می رویم.

طول موج کوتاهتر، انرژی بیشتر

الکترو مغناطیس تئوری کوانتوم:

ماکس پلانک در سال 1900 فرض کرد که انرژی امواج در بخش های مجزا و غیر قابل تقسیم تابیده می شوند. که آنها را کوانتا نامید که برای امواج مرئی (نور) از واژه ی فوتون استفاده می شود.

میزان انرژی یک کوانتوم تابش، ارتباط مستقیمی به فرکانس یا طوب موج آن دارد.

E = h . f  یا   E = h . c / λ

E = انرژی (Joule)

f = فرکانس (Hz)

h = ثابت پلانک (6.626 x 10^-34 J.sec)

c = سرعت نور در خلاء (2.998 x 10⁸ m/sec)

λ = طول موج (m)

در نتیجه تئوری ماکس پلانک، آموختیم که هر چه طول موج کوتاهتر باشد، انرژی تابش بیشتر خواهد بود. این قضیه نشان می دهد که چرا ما با امواج رادیویی مشکلی نداریم. آنها طول موج بلند با انرژی پایین دارند. همچنین این قضیه نشان می دهد که چرا می بایست در برابر امواج قدرتمند (انرژی زیاد) با طول موج کوتاه مانند UV ، X-ray و گاما  بیشتر مراقب باشیم.