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

نور و صدا: موج بودن (قسمت سوم)

در نبندیم به نور، در نبندیم به آرامش پر مهر نسیم
پرده از ساحت دل برگیریم
رو به این پنجره، با شوق، سلامی بکنیم

این متن ادامه بحث نور و صدا: موج بودن (قسمت های اول و دوم) است. برای مطالعه بیشتر به صفحات زیر رجوع کنید:
نور و صدا: موج بودن
نور و صدا: موج بودن (قسمت دوم)

با توجه به مباحث دو بخش قبلی، امیدوارم به این حداقل دانش رسیده باشیم که اجسام به دلیل انرژی درونی (یا همان جنبش اتم ها)، دارای تابش گرمایی هستند. این تابش از جنس الکترومغناطیس است. اگر جسمی را به اندازه کافی گرم کنیم، شروع به تابش نور الکترومغناطیسی می کند. این تابش وقتی از سمت طیف فروسرخ به طول موج های قابل مشاهده می رسد به صورت نوری قرمز و نارنجی به چشم می آید. با بالا رفتن دمای جسم، این نور به زرد و سفید و نهایتا آبی تغییر رنگ می دهد که نشان دهنده کوتاه شدن طول موج یا افزایش فرکانس نور (یا حرکت به سمت فرابنفش) است. اجسامی که دمایی بالاتر از صفر مطلق (یا صفر کلوین) دارند تقریبا همگی دارای ویژگی تابش گرمایی هستند.
در اواخر قرن نوزده میلادی، دانشمندان موفق شده بودند تابش گرمایی از اجسام سیاه را با دقت خوبی اندازه گیری کنند. همان طور که در انتهای بخش دوم بیان شد، مهمترین مشکل ماکس پلانک این بود که قادر نبود با معادلات فیزیکی که عمدتا توسط ری لایت (Rayleigh) و وین (Wien) معرفی شده بودند طیف تابش الکترومغناطیسی از اجسام سیاه را به طور کامل مدل سازی کند. برای حل این مشکل، ماکس پلانک در قدم اول دست به دامان روش های آماری شد که خودش پیشتر آنها را خیلی مورد اعتماد نمی دانست. در قدم دوم تلاش کرد با روش سعی و خطا داده های آزمایشگاهی را بازتولید کند و در این سعی و خطا، متوجه شد که حاصل ضرب یک عدد ثابت بسیار کوچک (h) در معادلات به دست آمده مشکل را حل خواهد کرد. یک سال طول کشید تا ماکس پلانک با خودش کنار بیاید و توضیحی فیزیکی و نه فقط یک راه حل ریاضی برای این عدد (که بعدها به ثابت پلانک معروف شد) ارائه کند:
یکم. تابش گرمایی یک جسم با مجموعه ای از نوسان سازهای هارمونیک روی سطح جسم در ارتباط است. این نوسان سازها در تعادل کامل با تابش گرمایی به سر می برند.
دوم. هر نوسان سازی انرژی تولید می کند. این انرژی تابعی از فرکانس نوسان ساز (f) است اما نه تابعی پیوسته بلکه تابعی گسسته که از حاصل ضرب یک عدد طبیعی (1، 2، 3، …) در عدد ثابت (h) و فرکانس نوسان ساز به دست می آید. به عبارت دیگر: E=nhf
پلانک نام هر واحد این انرژی گسسته را کوانتا گذاشت. او هنگامی که معادلات و یافته های خود را منتشر کرد به شکل مشخصی توضیح داد که کوانتا تنها یک راه حل ذهنی برای توجیه این یافته هاست و با فیزیک تجربی قابل اثبات نیست. اما فقط شش سال طول کشید که نابغه قرن بیستم پای را جای پای پلانک بگذارد و با جهشی وهم انگیز، ستون های فیزیک کلاسیک را به لرزه اندازد. یکی از ویژگی های منحصر بفرد انیشتین، آزمایش های ذهنی او بود. به نظر میرسد انیشتین ایده اولیه این آزمایش ها را از کوانتای ماکس پلانک گرفته باشد. بسیاری از تئوری های انیشتن در آن زمان به شکل تجربی قابل آزمایش نبودند و به همین خاطر او همواره از آزمایش های ذهنی به جای آزمایش های عملی استفاده می کرد. در ادامه سعی می کنیم اثر فتوالتریک را به شکل خلاصه توضیح داده و تئوری انیشتن را در مورد آن بررسی کنیم. اما قبل از آن، بگذارید یادآوری کنیم که تا سال 1906، معادلات جیمز کلارک ماکسول بر همگان ثابت کرده بود که نور نوعی موج الکترومغناطیسی است.
اثر فتوالتریک یک پدیده فیزیکی است که به نظر می رسد میتوان آنرا به سادگی توضیح داد. شما وقتی نور را به یک صفحه فلزی می تابانید، الکترون ها از سطح فلز به بیرون پرتاب می شوند. این پدیده، پایه ساخت دزدگیرهای نوری یا چشم الکترونیک است: تابیدن مقادیر ثابتی نور به سمت صفحه حساس دزدگیر باعث جهش الکترون ها از سطح فلز و حرکت آنها درون مدار سیستم می شود. هر عاملی که باعث تغییر این نور شود، میزان الکترون رها شده در مدار را تغییر داده و موجب اجرای دستوری از پیش تعیین شده (مثلا پخش صدای آژیر) می گردد. پدیده جهش الکترون از سطح فلز را می توان به موج بودن نور نسبت داد؛ درست مثل تکان دادن متداوم درخت توت تا وقتی توت های رسیده به اطراف پرتاب شوند. در اوایل سال 1900 میلادی، آزمایش های فیلیپ لنارد نشان دادند که انرژی الکترون رها شده از صفحه فلزی فقط با فرکانس نور تابیده شده به آن ارتباط دارد. این یعنی با شدیدتر کردن نور، انرژی الکترون های رها شده تغییر نمی کند ولی تغییر رنگ نور، انرژی آنها را تغییر میدهد. این نتیجه با تئوری ماکسول در تضاد کامل بود. به مثال درخت توت برگردیم. یافته های فیلیپ لنارد یعنی اگر فرکانس تکان دادن درخت کم باشد، هیچ توتی به زمین نمی افتد و فرقی هم نمی کند با چه قدرتی درخت را تکان دهیم. در عوض، اگر همین درخت را آرام ولی با فرکانس بالا تکان دهیم، توت ها با انرژی زیاد به اطراف پخش می شوند.
درست زمانی که انیشتین مشغول مطالعه این ویژگی فتوالکتریک بود ماکس پلانک تئوری کونتای خود را در منتشر کرد. با مطالعه این تئوری، انیشتین متعاقد شد که که نظریه پلانک نه تنها در مورد تابش گرمایی بلکه در مورد خود نور هم صادق است. او توضیح داد که یک پرتو نور جریانی از ذرات کوچک و پر انرژی است. این انرژی از حاصل ضرب عدد ثابت پلانک و فرکانس پرتو نور به دست می آید. هر یک از این ذرات که بعد ها فوتون نام گرفتند مقادیر ثابتی انرژی دارند که تنها تابعی از فرکانس نور است. اگر انرژی فوتون به مقدار معینی برسد، با برخورد به الکترون آن را آزاد می کند و انرژی خود را از دست می دهد. اگر انرژی فوتون از آن مقدار معین بیشتر باشد، مقداری از آن را هنگام آزاد کردن الکترون از دست می دهد و مابقی را به الکترون آزاد شده منقل می کند.
نظریه انشتین فوق العاده بحث برانگیز بود. او با این نظریه، دانسته های چندین صد ساله فیزیک در مورد نور را به چالش کشید. و البته دو از انتظار نیست که هیچ یک از محافل علمی و بزرگان فیزیک از جمله ماکس پلانک نظریه انیشتین را نپذیرفته و آنرا کاملا مردود دانستند.

پی نوشت یکم: شعر ابتدای متن از سهراب سپهری است.
پی نوشت دوم: تصویر شاخص از ویکی پدیا است.

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 …

3 دیدگاه

  1. یادم میاد وقتی تو سن راهنمایی بودم یه کارتونی تو مجله ای دیدم (فکر کنم طنز و کاریکاتور بود. مشتری ثابتش بودم تا تعطیل شد!) اینشتین بود که چراغ قوه گرفته بود روی یک کفه ترازو و اون کفه اومده بود پایین! زیرش هم نوشته بود نور وزن دارد! اینقدر واسه ام عجیب بود و در ذهنم تاثیرگذار بود که هنوز یادمه!

پاسخ دهید

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