تحقیق در مورد تاریخچه نور 16 ص با فرمت ورد

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 16

موضوع:

تعریف واقعی نور

تعریف دقیقی برای نور وجود ندارد، 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 با هم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می کنند که تمام پدیده‌های نوری را توجیه می کنند.

نظریه ماکسول درباره انتشار نور بحث می‌‌کند در حالیکه نظریه کوانتومی بر هم کنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌‌دهد ازآمیختن این دو نظریه، نظریه جامعی که کوانتوم الکترو دینامیک نام دارد،شکل می‌‌گیرد. چون نظریه‌های الکترو مغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می کنند منصفانه می‌‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. سرشت نور کاملاً 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 امّا 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 فروسرخ 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. به‌وسیله کاواک جسم سیاه می‌‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موج‌های مختلف مشاهده شده امّا مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موج هاست. تک طول موج‌ها آن را به‌وسیله لامپ‌های تخلیه الکتریکی که معرف طیف‌های اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌‌توان تولید کرد.

ماهیت‌های متفاوت نور

ماهیت ذره‌ای

ایزاک نیوتن در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت: پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می شوند. احتمالاً نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می شوند 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 به کاربردن امواج اصلی و موجک‌های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می شوند پدیده‌های تداخلیاند 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 الکتروو مغناطیسی شامل: موج رادیویی، تابش فروسرخ، نور مرئی از قرمز تا بنفش، تابش فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما می‌‌باشد.

ماهیت کوانتومی نور

طبق نظریه مکانیک کوانتومی نور، که در دو دهه اول سده بیستم به وسیله پلانک و آلبرت انیشتین و بور برای اولین بار پیشنهاد شد، انرژی الکترو مغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترو مغناطیسی به مقدارهای 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 دوگانه‌ای دارد بر خی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آن را نشان می‌‌دهد و برخی دیگر مانند پدیده فتوالکتریک، پدیده کامپتون و ... با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.

پرتوهای دیگر:

فروسرخ: پرتو فروسرخ یا مادون قرمز تابشی است الکترومغناطیسی با طول موجی طولانیتر از نور مرئی اما کوتاهتر از تابش ریزموج. از آنجا که سرخ، رنگ نور مرئی با درازترین طول موج را تشکیل می‌دهد به این پرتو، فروسرخ یعنی پایین تر از سرخ می‌گویند.تابش فروسرخ طول موجی میان nm ۷۰۰ و nm1دارد.

گاما: با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی است، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولاً اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب کننده احساس می‌کند. در این برهمکنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید می‌‌گردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد.فروپاشی گاما در فروپاشی گاما، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:

AZX<--------*AZX + γ

که در آنX و *X به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.

حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.

حالتهای فروپاشی گاما:

نشر اشعه گامای خالص: در این حالت فروپاشی گاما، اشعه گامای منتشر شده به‌وسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولاً از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت است، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پسزنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه است، ولی این انرژی معمولاً نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن صرفنظر کرد.

حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی: در این حالت فروپاشی، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اوربیتال برانگیخته می‌گردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع می‌شود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه، الکترونهای اوژه، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی است. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی است.

با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اوربیتال اتمی می‌شود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.

حالت فروپاشی بصورت جفت: برای گذارهای هسته‌ای با انرژی‌های بزرگ‌تر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب می‌شود. در این فرآیند، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار می‌رود.

انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.

نور و امواج الکترومغناطیس

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 رابطهی مشهور پلانک بررسی میکنیم و در فصل جداگانهای خواص امواج الکترومغناطیسی بعد از مکانیک کوانتوم و نسبیت بررسی خواهد شد.

خواص نور

نخستین مسئلهای که مهم جلوه میکرد این بود که نور چیست؟ از آنجاییکه عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمیشد، سئوال این بود که نور چیست؟ چرا میبینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید میشود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید میشود. 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 میکند و از برخی دیگر عبور نمیکند؟ چرا نور علاوه بر آنکه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز میشود؟ نور چگونه منتقل میشود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوهی 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 شیشهای مثلث القاعدهای 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 مولفههای نور تشکیل میشود، طیف مینامند. نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز -دانهها- تشکیل میشود که با سرعت زیاد حرکت میکند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حرکت میکند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست میبود میبایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد که میدانیم درست نیست.

هویگنس در سال 1690 رسالهای در شرح نظریه موجی نور منتشر کرد. طبق اصل هویگنس حرکت نور به صورت موجی است و از چشمههای نوری به تمام جهات پخش میشود. هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجکهای ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. هویگنس نظر داد که سرعت نور در محیطهای شکست دهنده کمتر از سرعت نور در هوا است که درست است.

پیروزی نظریه موجی نور

نظریه دانهای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ میگفت، اما باز هم پرسشهایی وجود داشت که این نظریه نمیتوانست برای آنها جواب قانع کنندهای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعهی نور میتوانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟

اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعهی نورانی میتوانند بدون آنکه مزاحمتی برای هم فراهم کنند از یکدیگر بگریزند. هویگنس نمیدانست که نور موج عرضی است یا موج طولی و طول موجهای نور مرئی را نیز نمیدانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر میشود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور میکرد 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.

نظریه هویگنس نیز بطور کامل رضایت بخش نبود، زیرا نمیتوانست توضیح دهد که چرا سایهی واضح تشکیل میشود، یا چرا امواج نور نمیتوانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟

نظریهی موجی و دانهای نور بیش از یکصدسال با هم مجادله کردند، اما نظریهی دانهای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یکطرف منطقیتر بهنظر میرسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانهای قوی بودند. تا آنکه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید .

لئونارد اویلر فکر امواج دورهای را تکمیل کرد، همچنین دلیل رنگهای 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 اشعهی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب کرد. جیوه در دماسنج 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 نقرهی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره میشود، اگر در ورای طیف، در جاییکه بنفش محو میشود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه میشود. ریتر نوری را کشف کرد که ما اکنون آن را فوق بنفش مینامیم. 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 دسته اشعهی باریک نور را از دو سوراخ نزدیک بهم گذرانید و بر پردهای که در عقب این سوراخ نصب کرده بود تابانید. احتمال میرفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعهای که از سوراخها عبور کردهاند، بر روی پرده روشنتر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجهای که یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک به وسیلهی یک نوار تاریک از دیگری جدا میشد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.