طیف نور ، طول موج و فرکانس به چه معنی هستند؟

برای بررسی مفهوم طیف نور لازم است که ابتدا درباره معنای موج بدانیم.

موج چیست و بر چند نوع است؟

به هر آشفتگی که انرژی را در محیط انتقال دهد، موج گفته می‌شود. امواج به دو دسته مکانیکی و الکترومغناطیسی تقسیم بندی می شوند. موج های مکانیکی تنها در محیط های مادی تولید می شوند. وقتی سنگی داخل آب می‌افتد، موج‌های ایجاد شده از نوع مکانیکی هستند. امواج صوتی، امواج زلزله مثال‌های دیگری برای امواج مکانیکی هستند.

بر خلاف امواج مکانیکی، امواج الکترمغناطیسی نیاز به محیط مادی ندارند و می‌توانند از خلأ نیز منتشر شوند. سرعت این نوع امواج در خلأ حدود ۳۰۰۰۰۰۰۰۰ متر بر ثانیه است. امواج رادیویی و بی‌سیم که برای انتقال اطلاعات صوتی و تصویری استفاده می‌شوند از نوع الکترومغناطیسی هستند. برای تولید موج نیازمند چشمه موج است و جابه جایی موج در محیط را انتشار موج نامیده می‌شود. در مثال امواج مکانیکی افتادن سنگ در آب، چشمه موج و آب، محیط انتشار است.

امواج را علاوه بر دو حالت اصلی مکانیکی و الکترو مغناطیسی به دو نوع طولی و عرضی نیز طبقه بندی می نمایند. در امواج طولی، راستای نوسان ذره های محیط، موازی با راستای انتشار موج است. فنر مثال مناسبی برای امواج طولی است. اگر چند حلقه ابتدایی از فنری را متراکم کنیم و یکبار آن را رها سازیم، مشاهده خواهیم کرد که حلقه های متراکم فنر پس از آزاد شدن، سعی می‌کنند به حالت اولیه خود برگردند. در اثر این بازگشت، تعدادی از حلقه‌های بعدی فنر متراکم شده و به همین ترتیب موج در طول فنر منتشر شده و انرژی اولیه را منتقل می‌سازد.

امواج عرضی نیز به موجی گفته می شود که در آن امتداد ارتعاش و امتداد انتشار عمود بر هم هستند. فرض کنید یک طرف طنابی را به یک قلاب بر روی دیوار محکم می‌کنیم. حال اگر سمت دیگر طناب را در دست خود گرفته به طوریکه ریسمان افقی قرار گیرد و با یک حرکت سریع دست را از بالا به پایین تکان دهیم. یک تک موج در طول ریسمان منتشر می شود، به طوریکه هر نقطه از ریسمان پس از دریافت موج به بالا و پایین حرکت می کند یعنی جهت انتشار موج بر جهت حرکت آن عمود است.

مشخصات و ویژگی‌های اصلی موج چیست؟

هر موج دارای چهار ویژگی است:

1. سرعت انتشار: موج در هر محیط با سرعت معینی منتشر می شود. سرعت انتشار در یک محیط به جنس و حالت محیط و شرایط فیزیکی آن بستگی دارد.
2. طول موج: فاصله ی هر دو برجستگی(قله ی موج) پیاپی، یا فاصله ی هر دو فرورفتگی(قعر موج) پیاپی را طول موج می نامند و با λ نشان می دهند.
3. بسامد و یا فرکانس: به تعداد دفعاتی که موج دو قله متوالی و یا دو قعر متوالی را در ثانیه می‌بیند، فرکانس می‌گویند.
4. دامنه موج: حداکثر فاصله ای که موج از وضع تعادل خود می گیرد، دامنه ی موج نامیده می شود.

طیف فرکانسی چیست؟

طیف فرکانسی (Frequency Spectrum) مقدار دامنه هریک از فرکانس‌ها را برای یک سیگنال متغیر در زمان نشان می‌دهد. با استفاده از تبدیل سریع فوریه از یک سیگنال متغیر در زمان، طیف فرکانسی حاصل می‌شود. این تبدیل مقدار دامنه سیگنال را بر حسب فرکانس آن نشان می‌دهد.

طیف نور مرئی متشکل از فرکانس‌های مختلفی است که توسط منشور به رنگ‌های مختلف تجزیه می‌شود که هر رنگ دارای فرکانس خاص خود است. در مورد این موضوع، در قسمت‌های بعدی بیشتر صحبت می‌کنیم.

نظریه‌های مختلف در مورد ماهیت های نور:

• ماهیت ذر‌ه‌ای :

آیزاک نیوتن (Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً آیزاک نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند 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

ادعای ذره‌ای بودن نور توسط نیوتن منجر به طرح مباحثی شد که حتی امروزه نیز در مورد آن گفت و گو می‌شود. در بعضی موارد، نور به درستی مشابه با موج رفتار می‌کند. برای نمونه پرتو‌ها می‌توانند از یک آینه بازتاب شوند. دقیقا مشابه با حالتی که امواج دریا به صخره برخورد کرده و باز می‌گردند. از زاویه‌ای دیگر، نور رفتاری بسیار مشابه با یک جریان از گلوله‌هایی دارد که از یک اسلحه با سرعت بالایی شلیک می‌شوند. در طول قرن بیستم فیزیکدانان معتقد بودند که نور میتواند همزمان ذره و موج باشد. این نظریه تحت عنوان دوگانگی موجی-ذره‌ای شناخته می‌شود.

ماهیت واقعی نور چیست؟

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 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 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. ریاضیات دو نظریه یاد شده، مشاهدات تجربی امروز در زمینه نور را جوابگو است. اما با تمام مسایل بیان شده باز هم این پرسش مطرح است که واقعیت نور چیست؟

طیف مرئی

طیف مرئی نام بخشی از طیف الکترو مغناطیسی است که با چشم انسان قابل رویت است. طول موج قابل رویت توسط انسان بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر است.

رنگ نور ۳۸۰ نانومتر، ماورا بنفش و ۷۵۰ نانومتر نیز رنگ قرمز می باشد و مابین این اعداد رنگ های متفاوت قرار دارد که در تصویر قابل مشاهده است. هر چقدر طول موج در طیف نوری پایین‌تر یا به عبارت دیگر فرکانس بیشتر باشد، انرژی آن بیشتر است.

چشم ما قادر نیست که تابش های الکترو مغناطیس فراتر از این محدوده را ببیند ، به این معنا که طیف هایی از طول موج های تابشی وجود دارند که ما آنها را نمیبینیم. طیف الکترومغناطیسی از امواج رادیویی بلند تا پرتو گاما وجود دارد که طیف مرئی، گستره بسیار کوچکی از این طیف می باشد.

نور سفید خورشید از امواج الکترومغناطیسی با طول موج های متفاوتی تشکیل شده است. اگر نوار باریکی از نور خورشید را از یک منشور شیشه ای بگذرانیم و پرتوهای خروجی آن را روی یک تخته تصور کنیم، یک طیف رنگی قابل دیدن ایجاد می شود که در رنگین کمان هم دیده اید. در پیدایش رنگین کمان تعداد زیادی از قطرات ریز باران در هوا همانند منشور عمل کرده و نور خورشید را تجزیه می‌کنند که ما آن را به صورت رنگین کمان می‌بینیم.

این مطلب را هم مشاهده فرمایید: آیا نور ال ای دی ضرر دارد؟ بهترین لامپ روشنایی برای سلامتی چیست؟

این مطلب را هم شاید دوست داشته باشید: صنایع دستی چیست؟