خانه / علم و فناوري / نور و صدا: موج بودن (قسمت دوم)

نور و صدا: موج بودن (قسمت دوم)

موج را آیا توان فرمود: ایست!
باد را فرمود: باید ایستاد؟
این متن ادامه بحث نور و صدا: موج بودن است
در بخش قبل، نور را نوعی موج الکترومغناطیسی خواندیم. بگذارید یادآوری کنیم که هر موجی حامل انرژی است. به سواحل دریا نگاه کنید که چگونه با برخورد موجهای آب فرسوده می شوند. ویرانی های بعد از زمین لرزه مثال دیگری است از انرژی موجود در لرزه ها و پس لرزه های این پدیده طبیعی. تحقیقات تجربی به ما آموخته است که انرژی امواج با دامنه آنها ارتباط مستقیم دارد. در ساحل، امواج بزرگتر فرسایش بیشتری به همراه دارند. در مقایسه با پچ پچ کردن، فریاد زدن امواج صوتی با دامنه بسیار بلندتر ایجاد می کند. با توجه به تعریف موج، بدیهی است که تاثیر انرژی امواج بر محیط اطراف، هم به دامنه آنها بستگی دارد هم به زمان. گذشته از این دو، انرژی موج بر سطحی که موج آنرا پوشش می دهد هم اثرگذار است. برای مثال، نور خورشید را در ظهر تابستان در نظر بگیرید. در حالت عادی این نور تاثیری روی قطعه چوبی خشک ندارد ولی اگر همین نور را توسط ذره بین جمع کرده و روی قطعه چوب بتابانید، چوب شروع یه سوختن می کند. البته این اتفاق آنی نیست و به زمان نیاز دارد. به همین صورت، تخریب های ناشی از لرزه های زمین با فاصله گرفتن از مرکز زمین لرزه کمتر خواهند شد. اجازه دهید چند تعریف کلاسیک از فیزیک را بازخوانی کنیم.
کار: انجام کار همان واردآوردن نیرو به جسم است. این نیرو یا باعث جابجایی جسم می شود یا از جابه جایی جسم جلوگیری می کند. با ضرب نیرو در جابه جایی، کار را محاسبه کرده ایم.
توان: سرعت انجام کار است. بنابراین با تقسیم کار بر زمان انجام کار، توان را محاسبه کرده ایم.
شدت: انتقال توان از واحد سطح است. با تقسیم توان بر واحد سطح، شدت را محاسبه کرده کرده ایم.
با توجه به تعاریف بالا، واضح است که برای مطالعه تاثیر امواج بر محیط اطرافشان، شدت موج کاربردی بهتر و کامل تر از انرژی موج دارد.
بگذارید جمله ابتدای این بحث را تکرار کنیم: نور نوعی موج الکترومغناطیسی است. بنابراین مانند همه امواج، نور هم حامل انرژی است. توجه کنیم که نوری که از خورشید یه زمین می رسد طیف وسیعی دارد، یعنی از امواجی با طول موج های بسیار بلند (مادون قرمز) تا طول موج های بسیار کوتاه (فرابنفش) تشکیل شده است. تنها بخشی از این طیف (با طول موج هایی نزدیک به طیف فرابنفش) توسط چشم ما قابل درک و دریافت است. بنابراین شاید بهتر باشد به جای واژه نور از واژه نورالکترومغناطیسی استفاده کنیم. دانشمندان فیزیک از قرنها پیش روی تاثیر متقابل نورالکترومغناطیسی و اجسام (و یا ذرات) و رفتار آنها مطالعه داشته و در موارد بسیاری موفق به مدل سازی این رفتارها با معادلات ریاضی شده اند.
شاید یکی از مهم ترین یافته های فیزیک در مورد نورالکترومغناطیسی رابطه مستقیم آن با لرزش ذرات باردار است. وقتی یک الکترون یا هسته یک اتم با شدت خاصی بلرزد نورالکترومغناطیسی شروع به تابش می کند. از فیزیک دوران دبیرستان آموخته ایم که گرما باعث جنبش اتم های جسم می شود و هر چه دمای جسمی بیشتر باشد لرزش و جنبش اتمهایش شدیدتر است. سرتان را درد نیاورم: اجسامی که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارند دائما در حال تابش الکترومغناطیسی هستند. حتی خود ما هم می تابیم و درست به همین دلیل است که دوربین مادون قرمز اختراع شده است. تا اواخر قرن نوزده میلادی، همه به خوبی می دانستند که نورالکترومغناطیسی (یا نوری که با چشم دیده می شود) تقریبا به طور کامل از شیشه عبور می کند، با برخورد به سطوح صیقلی فلزات به طور کامل باز می تابد و با برخورد به جسمی سیاه، جذب شده و آنرا گرم می کند. فیزیک کلاسیک قادر نبود برخی از این رفتار را به خوبی توضیح دهد. ولی در یک مورد یقین حاصل شده بود و آن اینکه هر جسمی به همان خوبی که نورالکترومغناطیسی را جذب می کند، آنرا می تاباند. این مساله اولین بار در نیمه قرن هجده میلادی توسط کایرشهف اثبات شده بود. توضیح تجربی این پدیده کار چندان مشکلی نیست. جسمی را در اتاقی معمولی در کنار سایر اجسام در نظر بگیرید. دمای این جسم با دمای محیط اطرافش یکی است. اگر قرار باشد این جسم بیشتر از آنچه می تاباند جذب کند، جنبش اتمهایش بیشتر و شدیدتر خواهد شد و در نتیجه دمای جسم رو به افزایش خواهد گذاشت و دمای محیط اطراف رو به کاهش. هر چند بسیار آرام ولی در زمانی بی نهایت، تعادل دمایی اتاق برهم می خورد و این در تقابل با قانون دوم ترمودینامیک است.
در آخرین سال قرن نوزده میلادی، ماکس پلانک مشغول تحقیق در مورد مساله تابش گرمایی از اجسام سیاه ایده آل بود. چرا اجسام سیاه؟ چون مشخصا جسم سیاه بهترین کاندیدا برای گرم شدن کامل و متوازن است. چرا ایده آل؟ چون بازده تبدیل حرارت به تابش الکترومغناطیسی در جسم سیاه ایده آل به بیشترین میزان ممکن میرسد. یک اجاق فر برقی را در نظر بگیرید که بدنه درونی و بیرونی آن از کربن سیاه (ایده ال) ساخته شده و هیچ راه ارتباطی یا محیط اطراف ندارد به غیر از سوراخ کوچکی که بر بدنه آن ایجاد شده است. با داغ شدن اجاق، نورالکترومغناطیسی شروع به تابش می کند. تنها راه خروج این نور از اجاق همان سوراخ روی بدنه آن است که به فیزیکدانان اجازه می دهد شدت آنرا با دقت بالایی اندازه بگیرند. آزمایش های متعدد نشان داده بودند که این نورالکترومغناطیسی طول موجهای مختلفی دارد. با رسم شدت این نور بر حسب این طول موجها، نموداری بدست می آید که شکلی شبیه نمودارهای زنگوله ای (یا زنگدیس) دارد. همچنین اثبات شده بود که نقطه اوج این نمودار (با شدیدترین تابش) تنها به دمای اجاق وابسته است. ماکس پلانک از نتایج این آزمایشها آگاه بود ولی قادر نبود آنها را با فرمولهای ریاضی که توسط فیزیکدانهای پیش از او برای مدل سازی شدت نور نوشته شده بودند بازتولید کند. او تلاش فراوانی کرد تا با استفاده از روش های آماری، معادلات کلاسیک شدت نور را بهبود بخشد ولی تمام معادلات جدید یک نتیجه داشتند: طول موجهای بلند را با دقت کافی مدل سازی می کردند ولی با نزدیک شدن به طول موجهای کوچک و طیف فرابنفش، شدت نور به سمت بینهایت متمایل می شد.

Oven_radiation
پانوشت یکم: شعر ابتدای متن از قیصر امین پور است.
پانوشت دوم: امیدوارم این بحث ادامه داشته باشد.

مطلب پیشنهادی

لامپ های کم مصرف یا ال ای دی

با توجه به اینکه برای خیلی ها سوال بود که آیا استفاده از لامپ های …

7 دیدگاه

  1. اگر جسم سیاه بهترین جذب کننده انرژی است پس چطور در همان حال بهترین تابش دهنده هم هست؟ اگر اینطور هست پس نباید دمای جسم سیاه در برابر تابش افزایش یابد.

    • دقیقا. آفرین به این ریز بینی. شاید باورتون نشه ولی دو هفته طول کشید تا این صفحه رو بنویسم. به هر سطری که نوشتم فکر کردم و سعی کردم منطق و فیزیک در کنار هم باشند. موردی رو که باید در این متن تصحیح کنم مربوط میشه به تفاوت جسم سیاه و جسم سیاه ایده ال. در مورد اول و در صورتی که جسم در مقابل تابش نور قرار بگیره، چون بازتابش جسم کمتر از جذبش هست، جسم گرم میشه. در مورد دوم، همون طور که مهدی اشاره کرد، دمای جسم با محیط اطرافش در تعادل کامل می مونه. آزمایش های مورد اشاره ماکس پلانک به جسم سیاه ایده ال مربوط میشند و ربطی هم به جذب نور ندارند (یعنی جسم سیاه در معرض تابش نیست) و دقیقا به همین خاطر هست که از واژه اجاق فر استفاده شده. این یعنی دمای جسم سیاه ایده ال رو خود ما تعیین می کنیم (با نیروی الکتریسیته یا هر نیروی دیگه) و تابش گرمایی حاصل از اون را اندازه گیری می کنیم.

  2. اوه اوه
    سوال های بنیادی مهدی شروع شد
    🙂

    • هیچ وقت جرات و جسارت پرسیدن سوال سر کلاس فیزیک رو نداشتم. یا استاد آدم رو مسخره می کرد یا بچه ها! حالا اما قضیه فرق می کنه استادش و بچه ها رفقا هستن 🙂

  3. موقع نوشتن یه متن علمی، حداقل وظیفه نویسنده اینه که خودش با توضیحات متن قانع شده باشه. این یعنی اینکه یا از حرفی دفاع نکنیم یا اگر دفاع می کنیم لااقل خودمون اون حرف رو درک کرده باشیم. اقرار می کنم که هنوز در بحث شدت نور دچار مشکل هستم.

    • اینها مفاهیم سنگینی هستند و فقط ظاهر ساده ای دارند. من هم یه نگاهی به ویکی پدیا انداختم. در واقع در سال 1860 کرشوف اومد تعریفی از جسم سیاه کامل ارائه داد که طبق اون جسمی است با ضخامت بی نهایت کم که قابلیت جذب 100 درصد دارد اما پلانک بعدن این نظریه رو محدود کرد. او سه الزام را به جسم سیاه کامل نسبت داد:
      1- جسم باید اجازه ورود تابش را بدهد و آنرا نتاباند
      2- دارای حداقل ضخامت به شکلی باشد که بتواند پرتو تابشی را جذب کند و آنرا بازتابش نکند
      3- بتواند محدودیت های سختی را جهت ورود و خروج پرتو برآورده سازد (متن انگلیسی رو درک نکردم اگر کسی ترجمه بهتر کنه ممنون میشم)
      در نتیجه جسم سیاهی با شرطهای یاد شده نمی تواند با ضخامت بی نهایت کم وجود داشته باشد.
      the body must
      (i) allow radiation to enter but not reflect;
      (ii) possess a minimum thickness adequate to absorb the incident radiation and prevent its re-emission;
      (iii) satisfy severe limitations upon scattering to prevent radiation from entering and bouncing back out. As a consequence, Kirchhoff’s perfect black bodies that absorb all the radiation that falls on them cannot be realized in an infinitely thin surface layer, and impose conditions upon scattering of the light within the black body that are difficult to satisfy
      من این قسمت هارو ترجمه کردم اما در نهایت دیدم به تعریف سیاه چاله رسیدیم!!! یعنی همون جسم سیاه کامل!
      خدا بگم چکارت کنه امیر! اون چیزی هم که فکر می کردیم بلدیم پاک قاطی شد رفت!

      • چند تا منبع مختلف رو که بررسی کردم بالاخره متوجه شدم که اجسام سیاه اونقدر هم پیچیده نیستند. در اصل، هر جسمی که دمای بالاتر از صفر کلوین داره تقریبا مثل جسم سیاه عمل می کنه. البته دو تا موضوع دریافت نور و تابش گرمایی رو باید از هم متمایز کنیم.
        اول اینکه جسم سیاه ایده آل تابشی برابر با جذب داره. این موضوع ربطی به دمای جسم نداره چون جسم در تعادل گرمایی با محیط اطرافش قرار داره. به این ترتیب کامنت اول مهدی کاملا درست هست.
        دوم اینکه در آزمایش های مورد اشاره ماکس پلانک، فقط تابش جسم سیاه مد نظر است و دلیل اون هم اینه که تابش جسم سیاه ایده آل است. در این آزمایش ها، جسم سیاه رو گرم می کنند و تابش گرمایی رو اندازه می گیرند همین.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *