در بخش اول این مطلب خواندیم که نور همزمان هم آشکار و هم پر از رازآلودگی است. ما هر روز در گرمای زرد غرق میشویم و با لامپهای داغ و فلوئورسانت تاریکی را دور میکنیم. اما نور دقیقاً چیست؟ ما زمانی که پرتو خورشید از میان اتاق پر از گرد و غبار سرک میکشد، زمانی که پس از طوفان رنگینکمان پدیدار میشود و یا زمانی که نی در لیوان آب، شکسته به نظر میرسد، گوشهای از ماهیت آن را میبینیم. اما این تصاویر تنها منجر به طرح پرسشهای بیشتر میشود. آیا نور بهصورت موج، پرتو یا جریان ذرات حرکت میکند؟ آیا یک رنگ است یا مخلوطی از چندین رنگ؟ آیا مانند صدا فرکانس دارد؟ و برخی از خواص آن مثل جذب (Absorption)، بازتاب (Reflection)، شکست (Refraction) و پراکندگی (Diffraction) چیست؟
حال با هم به خواندن بخش دوم این مطلب میپردازیم. با ما همراه باشید.
تولید فوتون
راههای مختلفی برای تولید فوتون وجود دارد، اما همه آنها از مکانیسم یکسانی در درون اتم برای انجام این کار استفاده میکنند. این مکانیسم شامل انرژی دادن به الکترونهای در حال گردش دور هسته هر اتم است. «چگونه تابش هستهای کار میکند» به تفصیل درباره پروتونها، نوترونها و الکترونها توضیح میدهد. به عنوان مثال، اتمهای هیدروژن یک الکترون در حال چرخش دور هسته دارند. اتمهای هلیم دو الکترون در حال چرخش دور هسته دارند. اتمهای آلومینیوم 13 الکترون در حال گردش دور هسته دارند. هر اتمی، تعداد مطلوب الکترونهای در حال گردش دور هسته خود را دارد.
الکترونها در مدارهای ثابت دور هسته میچرخند — راه ساده برای درک آن این است که تصور کنید ماهوارهها چگونه دور زمین میچرخند. نظریه بسیار پیچیدهای درباره مدارهای الکترونی وجود دارد، اما برای درک نور فقط یک واقعیت کلیدی وجود دارد: الکترون یک مدار طبیعی دارد که در آن قرار میگیرد، اما اگر به یک اتم انرژی داده شود، میتوان الکترونهای آن را به مدارهای بالاتر منتقل کرد. یک فوتون هنگامی تولید میشود که یک الکترون در یک مدار بالاتر از حد معمول، به مدار طبیعی خود باز میگردد. در طی افت از انرژی بالا به انرژی عادی، الکترون یک فوتون – بسته انرژی – با مشخصات بسیار خاص را منتشر میکند. فوتون یک فرکانس، یا رنگ، دارد که دقیقاً با فاصله افت الکترون مطابقت دارد.
این پدیده را به وضوح در چراغهای تخلیه گاز میتوان مشاهده کرد. چراغهای فلوئورسنت، تابلوهای نئونی و چراغهای بخار سدیم نمونههای رایج این نوع روشنایی الکتریکی هستند که از طریق عبور جریان الکتریکی از گاز باعث انتشار نور توسط گاز میشوند. رنگهای چراغهای تخلیه گاز به طور گستردهای بسته به نوع گاز و ساختار چراغ متفاوت است.
به عنوان مثال، در امتداد بزرگراهها و در پارکینگها، معمولاً چراغهای بخار سدیم دیده میشوند. میتوان یک چراغ بخار سدیم را تشخیص داد زیرا به رنگ زرد روشن است. یک چراغ بخار سدیم اتمهای سدیم را تحریک میکند تا فوتون تولید کنند. یک اتم سدیم 11 الکترون دارد و به دلیل نحوه چینش آنها در مدارها، یکی از این الکترونها، احتمالاً بیشتر انرژی را جذب و منتشر خواهد کرد. بستههای انرژی که این الکترون احتمالاً ساطع خواهد کرد، دقیقاً در حدود طول موج 590 نانومتر قرار دارند. این طول موج به نور زرد مربوط است. اگر نور سدیم را از طریق یک منشور عبور دهید، یک طیف رنگینکمانی نخواهید دید بلکه شما فقط یک جفت خط زرد خواهید دید.
نورتابی زیستی: چگونه موجودات اجسام را روشن میکند؟
یک روش دیگر برای تولید فوتونها که به عنوان نورتابی شیمیایی (Chemiluminescence) شناخته میشود، مستلزم واکنشهای شیمیایی است. هنگامی که این واکنشها در موجودات زنده مانند باکتریها، کرمهای شبتاب، ماهی مرکب دریایی و ماهیهای عمیق دریا رخ میدهند، این فرآیند به عنوان نورتابی زیستی (Bioluminescence) شناخته میشود. حداقل دو ماده شیمیایی برای تولید نور لازم است. شیمیدانان از اصطلاح کلی لوسیفرین (Luciferin) برای توصیف مادهای که نور را تولید میکند، استفاده میکنند. آنها از اصطلاح لوسیفراز (Luciferase) برای توصیف آنزیمی که این واکنش را تحریک یا کاتالیز میکند، استفاده میکنند.
واکنش اصلی یک توالی ساده را دنبال میکند. ابتدا لوسیفراز اکسیداسیون لوسیفرین را کاتالیز میکند. به عبارت دیگر، لوسیفرین به طور شیمیایی با اکسیژن ترکیب میشود تا اکسیلوسیفرین (Oxyluciferin) را تولید کند. این واکنش همچنین نور را معمولاً در ناحیه آبی یا سبز طیف تولید میکند. گاهی اوقات، لوسیفرین با یک پروتئین کاتالیزگر و اکسیژن در ساختاری بزرگ به نام فتوپروتئین (Photoprotein) متصل میشود. هنگامی که یک یون – معمولاً کلسیم – به فتوپروتئین افزوده میشود، لوسیفرین را اکسید میکند، که منجر به ایجاد نور و اکسیلوسیفرین غیرفعال میشود.
در موجودات دریایی، نور آبی تولید شده توسط نورتابی زیستی بسیار مفید است زیرا طول موج این نور، حدود 470 نانومتر، در آب فاصله بیشتری را طی میکند. همچنین، اکثر موجودات در اندامهای بینایی خود رنگدانههایی ندارند که به آنها امکان دیدن طول موجهای طولانیتر (زرد، قرمز) یا کوتاهتر (نیلی، ماورای بنفش) را بدهد. یک استثنا در خانواده ماهیهای ماکالوستئید (Malacosteid)، که به عنوان ماهیهای سستدهان (loosejaws) شناخته میشوند، یافت میشود. این جانوران هم میتوانند نور قرمز تولید کنند و هم آن را زمانی که دیگر موجودات نمیتوانند، تشخیص دهند.
میخواهید بیشتر در مورد چگونگی و دلیل ایجاد نور در موجودات زنده بدانید؟ برای تحقیق عمیقتر، به “چگونه نورتابی زیستی کار میکند” مراجعه کنید.
افروختگی: ایجاد نور توسط گرما
احتمالاً رایجترین راه برای انرژیدادن به اتمها، گرما است و این اساس افروختگی (incandescence) است. اگر شما یک نعل را با یک مشعل گرم کنید، در نهایت به رنگ سرخ داغ در میآید و اگر شعلهوری مشعل را زیاد کرده و نعل را بیشتر گرم کنید، به رنگ سفید داغ در میآید. قرمز، کمانرژیترین نور قابل مشاهده است، بنابراین در یک جسم سرخ داغ، اتمها فقط به اندازه کافی انرژی دریافت میکنند تا شروع به انتشار نوری که ما میتوانیم ببینیم، کنند. وقتی شما به اندازه کافی گرما اعمال میکنید که باعث ایجاد نور سفید شود، شما بسیاری از الکترونهای مختلف را به طرق مختلف انرژی دادهاید به نحوی که همه رنگها ایجاد میشوند؛ آنها همه با هم مخلوط میشوند تا سفید به نظر برسند.
گرما رایجترین راهی است که ما تولید نور را میبینیم؛ یک لامپ معمولی رشتهای 75 واتی با استفاده از الکتریسیته برای ایجاد گرما، نور تولید میکند. الکتریسیته از طریق یک رشته تنگستن در داخل یک کره شیشهای عبور میکند. به دلیل اینکه رشته بسیار باریک است، مقاومت کم مناسبی در برابر الکتریسیته دارد و این مقاومت، انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل میکند. گرما به اندازه کافی است تا رشته به رنگ سفید داغ بدرخشد. متأسفانه این کار بازدهی بالایی ندارد. بیشتر انرژی که وارد یک لامپ رشتهای میشود به صورت گرما از دست میرود. در واقع، یک لامپ معمولی حدود 15 لومن بر وات ورودی (واحد اندازهگیری شدت روشنایی است – م) نور تولید میکند در مقایسه با یک لامپ فلورسنت که بین 50 تا 100 لومن بر وات، نور تولید میکند.
احتراق (Combustion) راه دیگری برای تولید فوتونها ارائه میدهد. احتراق زمانی رخ میدهد که یک ماده – سوخت – سریعاً با اکسیژن ترکیب میشود و گرما و نور تولید میکند. اگر به شعله آتش اردوگاه یا حتی شعله شمع با دقت نگاه کنید، متوجه یک فاصله بیرنگ کوچک بین چوب یا فتیله و شعلهها خواهید شد. در این فاصله، گازها بالا میروند و گرم میشوند. وقتی سرانجام به اندازه کافی داغ میشوند، گازها با اکسیژن ترکیب میشوند و قادر به انتشار نور هستند. پس شعله، چیزی بیش از یک مخلوط از گازهای واکنشدهنده که نور مرئی، مادون قرمز و برخی نور ماوراءبنفش را منتشر میکنند، نیست.
لیزرها
کاربرد جالب طبیعت کوانتومی نور، لیزر است. میتوانید داستان کامل لیزرها را در “نحوه کار لیزرها” بخوانید، اما ما قرار است برخی از مفاهیم کلیدی را اینجا پوشش دهیم. لیزر (Laser) مخفف “تقویت نور از طریق انتشار القایی تابش light amplification by stimulated emission of radiation ” است که عبارتی دشوار برای توصیف نوری است که در آن همه فوتونها در یک طول موج یکسان هستند و اوج و فرودشان موجشان همزمان هستند. فیزیکدان تحقیقاتی تئودور اچ. مایمن (Theodore H. Maiman)، لیزر روبی (Ruby Laser) (یاقوتی) را که اولین لیزر عملی در جهان بود، در سال ۱۹۶۰ توسعه داد. لیزر روبی شامل یک کریستال یاقوت، یک لامپ فلاش کوارتزی (Quartz Flash Tube)، آینههای انعکاسی و یک منبع تغذیه بود.
بیایید نحوه استفاده مایمن از این اجزا برای ایجاد نور لیزر را با شروع از ویژگیهای یاقوت مرور کنیم. یاقوت یا لعل (Ruby) یک کریستال اکسید آلومینیوم است که در آن برخی از اتمهای آلومینیوم با اتمهای کروم جایگزین شدهاند. کروم با جذب نور سبز و آبی و انتشار یا بازتاب فقط نور قرمز، به یاقوت، رنگ مشخصش را میدهد. البته مایمن نمیتوانست از یاقوت در حالت طبیعی کریستالی آن استفاده کند. ابتدا باید کریستال یاقوت را به شکل استوانهای در میآورد. سپس، یک لامپ کوارتزی با شدت بالا را دور استوانه یاقوت پیچید تا یک فلاش نور سفید ایجاد کند. طول موجهای سبز و آبی در این فلاش، الکترونهای موجود در اتمهای کروم را به سطح انرژی بالاتری برانگیختند. هنگامی که این الکترونها به حالت عادی خود برگشتند، نور قرمز مشخص یاقوتی را منتشر کردند.
اینجا بود که ماجرا جالب شد. مایمن یک آینه کاملاً بازتابنده را در یک انتهای کریستال و یک آینه نیمهبازتابنده را در انتهای دیگر قرار داد. این آینهها فوتونهای با طول موج قرمز را به طور مکرر در داخل کریستال روبی منعکس میکردند. این امر باعث تحریک سایر اتمهای کروم برانگیختهشده برای تولید فوتونهای بیشتر شد، تا جایی که سیل فوتونهای کاملاً همسو، به طور مکرر در داخل لیزر، در حال رفت و برگشت بودند. در هر بار انعکاس، برخی از فوتونها خارج میشدند، که به ناظران امکان درک پرتو لیزر را میداد.
امروزه، دانشمندان لیزرها را از مواد مختلفی میسازند. برخی مانند لیزر یاقوتی، پالسهای کوتاه نور را منتشر میکنند. برخی دیگر مانند لیزرهای گاز هلیوم-نئون یا لیزرهای مایع رنگی، یک پرتوی پیوسته نور را انتشار میدهند.
ساخت رنگ
نور مرئی نوری است که چشم انسان میتواند آن را درک کند. وقتی به نور مرئی خورشید نگاه میکنید، به نظر میرسد که بیرنگ است که به آن سفید میگوییم. اگرچه ما میتوانیم این نور را ببینیم، اما سفید به عنوان بخشی از طیف مرئی در نظر گرفته نمیشود. این به این دلیل است که نور سفید، نور یک رنگ واحد نیست، بلکه ترکیبی از چندین رنگ است.
وقتی نور خورشید از یک لیوان آب عبور میکند و به دیوار می تابد، یک رنگینکمان بر روی دیوار ایجاد میشود. این اتفاق نمیافتاد مگر اینکه نور سفید مخلوطی از تمام رنگ های طیف مرئی باشد. آیزاک نیوتن اولین کسی بود که این را نشان داد. نیوتن نور خورشید را از طریق یک منشور شیشهای عبور داد تا رنگهای آن را به یک طیف رنگینکمان تفکیک کند. سپس نور خورشید را از طریق یک منشور شیشهای دوم عبور داد و دو رنگینکمان را ترکیب کرد. ترکیب آنها نور سفید تولید کرد. این آزمایش ساده به طور قطعی ثابت کرد که نور سفید، مخلوطی از رنگها است.
شما میتوانید آزمایش مشابهی با سه چراغ قوه و سه رنگ مختلف کاغذ سلوفان (Cellophane) — قرمز، سبز و آبی (معمولاً به آن RGB گفته می شود) انجام دهید. یک چراغ قوه را با یک تا دو لایه سلوفان قرمز بپوشانید و سلوفان را با یک کش لاستیکی ببندید (از تعداد زیاد لایهها استفاده نکنید زیرا نور چراغ قوه را مسدود میکند). چراغ قوه دیگر را با سلوفان آبی و چراغ قوه سوم را با سلوفان سبز بپوشانید. به یک اتاق تاریک بروید، چراغها را روشن کنید و پرتوهای آنها را طوری روی دیوار بتابانید که با هم همپوشانی داشته باشند، همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است. جایی که نور قرمز و آبی همپوشانی میکنند، شما سرخابی خواهید دید. جایی که نور قرمز و سبز همپوشانی میکنند، شما زرد خواهید دید. جایی که نور سبز و آبی همپوشانی میکنند، شما فیروزهای خواهید دید. متوجه خواهید شد که با ترکیبهای مختلف این رنگهای تکمیلی — قرمز، سبز و آبی — میتوان تمام رنگهای طیف مرئی را ایجاد کرد. این همان روشی است که مانیتورهای رایانه (مانیتورهای RGB) رنگها را تولید میکنند.
رنگدانهها و جذب نور
یک راه دیگر برای ایجاد رنگها این است که برخی از فرکانسهای نور را جذب (absorb) کنید و بنابراین آنها را از ترکیب نور سفید حذف کنید. رنگهای جذبشده رنگهایی هستند که شما نمیبینید چرا که شما تنها رنگهایی را میبینید که به چشم شما باز میگردند. این به عنوان رنگ کاهشی (Subtractive Color) شناخته میشود و این اتفاقی است که با رنگها و رنگدانهها رخ میدهد. مولکولهای رنگ یا رنگدانه (Paint) فرکانسهای خاصی را جذب و سایر فرکانسها را بازتاب میکنند تا به چشم شما برسند. فرکانس بازتابی (یا فرکانسها) آنچه هستند که شما به عنوان رنگ آن جسم میبینید. به عنوان مثال، برگهای گیاهان سبز حاوی رنگدانهای به نام کلروفیل (Chlorophyll) هستند که فرکانسهای آبی و قرمز طیف را جذب و فرکانس سبز را بازتاب میکند.
شما میتوانید جذب را در قالب ساختار اتمی توضیح دهید. فرکانس موج نور ورودی، مطابق یا نزدیک به فرکانس ارتعاش الکترونها در ماده است. الکترونها انرژی موج نور را دریافت و شروع به ارتعاش میکنند. آنچه پس از آن اتفاق میافتد به این بستگی دارد که اتمها چقدر محکم به الکترونهای خود چسبیدهاند. جذب زمانی رخ میدهد که الکترونها محکم نگه داشته شده و ارتعاشات را به هستههای اتمها منتقل میکنند. این باعث میشود که اتمها سرعت بگیرند، با سایر اتمهای موجود در ماده برخورد کنند و سپس انرژی دریافتشده از ارتعاشات را به صورت گرما آزاد کنند.
جذب نور باعث تیره یا مات شدن یک جسم نسبت به فرکانس موج ورودی میشود. چوب نسبت به نور مرئی مات است. برخی مواد نسبت به برخی فرکانسهای نور مات هستند، اما نسبت به سایر فرکانسها شفاف هستند. شیشه نسبت به فرابنفش مات اما نسبت به نور مرئی شفاف است.
منشأ نور
پژوهشگران امروزه وجود فوتونها و رفتار متناقض موج-ذره آنها را پذیرفتهاند. آنچه هنوز مورد بحث است، جنبههای وجودیتر موضوع است، مانند اینکه نور در ابتدا از کجا آمده است. برای پاسخ به این سوال، فیزیکدانان توجه خود را به انفجار بزرگ (Big Bang) و لحظات اولیه پس از آن معطوف میکنند.
شاید به یاد داشته باشید که انفجار بزرگ رویداد تولدی است که منجر به پیدایش جهان شده است. میتوانید اطلاعات بیشتری در مورد نظریه انفجار بزرگ بخوانید، اما مرور مختصر موارد اساسی آن در اینجا مفید خواهد بود. حدود 15 میلیارد سال پیش، تمام ماده و انرژی در یک ناحیه کوچک به نام تکینگی (Singularity) جمع شده بودند. در یک لحظه، این نقطه واحد از ماده بسیار متراکم شروع به گسترش با سرعت بسیار زیاد کرد. همانطور که جهان نوزاد گسترش مییافت، شروع به سرد شدن و کاهش تراکم کرد. این امر موجب شکلگیری ذرات و فوتونهای پایدارتر شد.
اینگونه ممکن است رویدادها پیش رفته باشند:
۱. بلافاصله پس از انفجار بزرگ، الکترومغناطیس به عنوان یک نیروی مستقل وجود نداشت. در عوض، با نیروی هستهای ضعیف یکی بود.
۲. ذراتی به نام بوزونهای بی و دابلیو (B and W bosons) نیز در این زمان وجود داشتند.
۳. هنگامی که جهان تنها 0.00000000001 ثانیه قدمت داشت، به اندازه کافی سرد شده بود تا الکترومغناطیس از نیروی هستهای ضعیف جدا شود و بوزونهای B و W ترکیب شده و به فوتون تبدیل شوند. فوتونها آزادانه با کوارکها (Quarks)، که کوچکترین بلوکهای سازنده ماده هستند، مخلوط شدند.
۴. هنگامی که جهان 0.00001 ثانیه قدمت داشت، کوارکها ترکیب شدند تا پروتونها و نوترونها را تشکیل دهند.
۵. هنگامی که جهان 0.01 ثانیه قدمت داشت، پروتونها و نوترونها شروع به سازماندهی برای ساخت اتمها کردند.
۶. سرانجام، هنگامی که جهان در سن حساس 380,000 سال قرار داشت، فوتونها آزاد شده و نور را در میان درّههای تاریک فضا پخش کردند.
این نور در نهایت کمرنگ و قرمزتر شد تا اینکه کورههای هستهای در ستارگان روشن شده و شروع به تولید نور جدید کردند. خورشید ما حدود 4.6 میلیارد سال پیش روشن شد و سامانه خورشیدی را با فوتونها بمباران کرد. این فوتونها هرگز از سیاره آبی کوچک ما دست برنداشتهاند. برخی از آنها در چشمان متفکران بزرگی چون نیوتن، هویگنس و انیشتین افتادند و باعث توقف، تفکر و تصور آنان شدند.
بخش اول این مطلب را میتوانید از این لینک بخوانید.
