اپتیک موجی (
Wave Optics)
نگاه اجمالی
از
مکانیک کوانتومی می‌دانیم که
پلانک و به تبع او
انیشتین نشان دادند که
نور از ذراتی به نام
فوتون تشکیل شده است. بنابراین نور علاوه بر
خاصیت موجی که قبلا شناخته شده بود، دارای
ماهیت ذره‌ای نیز می‌باشد. همچنین می‌دانیم که
اصل مکملی نور مانع از این می‌شود که در یک مورد خاص بتوانیم هر دو حالت موجی و ذره‌ای را بطور همزمان در نظر بگیریم. به عنوان مثال ، اگر بخواهیم
تداخل یا
پراش نور را مورد بحث قرار دهیم، بهتر است که نور را به صورت موج در نظر بگیریم. بر این اساس
نورشناسی را که بر اساس ماهیت موجی نور بنا شده است، اپتیک موجی می‌گویند.
پیشگامان نظریه موجی نور
نیوتن از جمله افرادی بود که با
نظریه موجی نور شدیدا مخالف بود و این مخالفت بیشتر از آن جهت بود که نمی‌دانست چگونه ممکن است
انتشار مستقیم الخط نور توجیه شود. اما مردی که با بحثهای نیوتن در مورد جنس و طبیعت نور مخالف بود و عاقبت هم نظریه او پیروز شد، فیزیکدان هلندی ،
کریستیان هویگنس بود. هویگنس به دلایلی که در قسمت اول کتاب خود به نام مبحث نور به خوبی خلاصه شده است، ترجیح می‌داد که نور را به جای آنکه پرتوی از ذرات تندرو بشمارد، مانند امواجی در نظر بگیرد که در محیطی که فضا را پر کرده است، انتشار پیدا می‌کنند. مدت بسیار درازی طول کشید تا نظریه موجی هویگنس در مورد
نور ، با وجود برتری ظاهری آن بر نظریه نیوتن ، پیروز شود.
دلیل این امر به خاطر شخصیت بزرگ نیوتن در میان معاصرانش و ناتوانی هویگنس در تکمیل نظریاتش با دقت ریاضی کافی بود. از این رو موضوع جنس و
ماهیت نور مدت یک قرن معلق ماند، تا اینکه در سال 1800 یک فیزیکدان انگلیسی به نام
تامسن یانگ (Yong) ، توانست
پدیده حلقه‌های نیوتن را بر مبنای خاصیت موجی نور توضیح دهد. کارهای یانگ و معاصر فرانسویش ،
اوگوستن فرنل (Fresnel) صحت و اعتبار نظریه موجی نور را به طرز قاطعی برقرار ساختند و به این ترتیب ، هویگنس بعد از مرگ نیوتن در استدلال فرضیه‌های تمام دوران زندگی خویش موفق شد.
پدیده‌های بارز اپتیک موجی
- پدیده دوپلر نوری: اگر چشمه و گیرنده فیزیک امواج نسبت به یکدیگر حرکت داشته باشند، فرکانس موج دریافتی ، با حالتی که این دو نسبت به هم حرکت نداشته باشند، متفاوت خواهد بود. این پدیده معروف اولین بار در مورد امواج صوتی به وسیله دوپلر بررسی شد. اما در آزمایشگاه ، اندازه‌گیری جابجایی دوپلری فیزیک امواج نورانی به کمک نور گسیلی از باریکه‌های اتمی که در آن اتمها سرعت زیادی دارند، امکان پذیر است. فیزو از اولین افرادی بود که این پدیده را در مورد فیزیک امواج نورانی بررسی کرد. به این دلیل اثر دوپلر در نور به نام پدیده دوپلر فیزو هم معروف است. جابجایی دوپلری خطوط طیفی در نجوم کاملا شناخته شده است. از این پدیده برای اندازه گیری سرعت حرکت اجرام آسمانی استفاده می‌شود.
- پدیده تداخل: در این پدیده نور حاصل از یک چشمه نور بر روی صفحه‌ای که دارای دو سوراخ کوچک است تابیده می‌شود. پرتوهای نوری خارج شده از شکافها در پشت صفحه با هم تداخل انجام می‌دهند. در نقاطی که تداخل ، سازنده باشد، نقاط روشن و در نقاطی که تداخل ، ویرانگر باشد، نقاط تاریک دیده می‌شود.
- پدیده پراش: اگر نور تولید شده به وسیله یک چشمه بر روی صفحه‌ای که بر روی آن شکافی قرار دارد، تابیده شود، در این صورت ، پرتوها از لبه‌های شکاف بازتابیده می‌شوند، که این پدیده را پراش نور می‌گویند.
کاربردهای اپتیک موجی
- موجبرهای نوری: یکی از کاربردهای متعدد علمی بازتابش داخلی کلی ، گذراندن نور از تارهای کوچک پیوسته موجبر است. دسته‌ای از این تارها را می‌توان به اندازه‌ای نرم ساخت که تا حد معینی خمش را تحمل کنند. تاری را که از استوانه دی‌الکتریک جامدی تشکیل شده است و درون محیطی با ضریب شکست کمتر از خود قرار دارد، در نظر می‌گیریم.
اگر نور در جهت کلی محور تار به آن نزدیک شود و زاویه فرودی روی دیواره ، نامساوی و یا بزرگتر از زاویه حد باشد، نور در تار محبوس خواهد شد. نور تکفام از درون تارهای بسیار نازک یکنواخت که قطر آنها حدود چند میکرون است ، با مد مشخص حرکت می‌کند. در این حالت ما موجبر نوری داریم. این وسیله در مخابرات نوری (با نور لیزر) ، داده پردازی و کاربردهای دیگر حائز اهمیت است.
- اندازه‌گیری قطر ستارگان: چون فاصله ستارگان از زمین زیاد است، قطر ظاهری آنها خیلی کم است و از یک صدم ثانیه کمانی هم تجاوز نمی‌کند. بنابراین پهنای همدوسی عرضی نور یک ستاره که از زمین رصد می‌شود، حدود چندین متر است. یکی از روشهای تعیین قطر زاویه‌ای یک چشمه دور ، استفاده از یک آرایش تداخلی دو شکافی است که در آن بتوان فاصله دو شکاف را تغییر داد.
مایلکسون اولین کسی بود که برای تعیین قطر ستارگان از روش تداخل سنجی استفاده کرد (تداخل سنج نجومی مایکلسون). وی برای افزایش فاصله میان شکافها ، از چند آینه استفاده کرد. یکی از بزرگترین ستارگانی که قطر زاویه‌ای آن اندازه‌گیری شد، ستاره Betelgeuse بود
نقش اپتیک موجی در زندگی
از اپتیک موجی در ساختن انواع
عینکهای ضد آفتاب استفاده می‌گردد. در مکانیزم ساخت این عینکها از
قوانین بازتابش و شکست نور استفاده می‌شود. این عینکها بگونه‌ای ساخته می‌شوند که از برخورد
نور خیره کننده خورشید در روزهای آفتابی جلوگیری کند. البته نقش اپتیک موجی در زندگی انسان فقط به همین مورد ختم نمی‌شود، بلکه در ساخت
انواع آینه ، چراغ خودروها ،
انواع لیزر ،
انواع ردیاب و غیره از
قوانین اپتیک موجی استفاده می‌شود.
