اپتیک موجی (Wave Optics)
نگاه اجمالی
از مکانیک کوانتومی می دانیم 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 ذره ای نیز می باشد. همچنین می دانیم که اصل مکملی مانع از این می شود که در یک مورد خاص بتوانیم هر دو حالت موجی را نیز 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 می گویند.
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 نمی دانست چگونه ممکن است انتشار مستقیم الخط نور توجیه شود. اما مردی که با بحث های 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 می داد که نور را به جای آنکه پرتوی از ذرات تندرو بشمارد ، مانند امواجی در نظر بگیرد که در محیطی که فضا را پرکرده است ، انتشار پیدا می کنند.
مدت بسیار درازی طول کشید تا نظریه موجی هویگنس در مورد نور ، با وجود برتری ظاهری آن بر نظریه نیوتن در میان معاصرانش و ناتوانی هویگنس در تکمیل نظریاتش با دقت ریاضی کافی بود. از این رو موضوع جنس و طبیعت نور مدت یک قرن معلق ماند ، تا اینکه در سال 1800 یک فیزیکدان انگلیسی به نام تامسن یانگ (Yong) ، توانست پدیده حلقه های نیوتن را بر مبنای خاصیت موجی نور توضیح دهد.
کارهای تامسن یانگ و معاصر فرانسویش اوگوستن فرسل (Fresnel) صحت و اعتبار نظریه موجی نور را به طرز قاطعی برقرار ساختند و به این ترتیب ، هویگنس بعد از مرگ نیوتن در استدلال فرضیه های تمام دوران زندگی خویش موفق شد.
پدیده های بارز اپتیک موجی
- پدیده دوپلر نوری:
اگر چشمه و گیرنده امواج نسبت به یکدیگر حرکت داشته باشند ، بسامد موج دریافتی ، با حالتی که این دو نسبت به هم حرکت نداشته باشند. متفاوت است. این پدیده معروف اولین بار در مورد امواج صوتی به وسیله دوپلر بررسی شد. اما در آزمایشگاه ، اندازه گیری جابجایی دوپلری امواج نورانی به کمک نور گسیلی از باریکه های اتمی که در آن اتمها سرعت زیادی دارند امکان پذیر است. فیزو از اولین افرادی بود که این پدیده را در مورد امواج نورانی بررسی کرد. به این دلیل پدیده دوپلر در نور به نام پدیده دوپلر فیزو هم معروف است. جابجایی دوپلری خطوط بیناب در نجوم کاملا شناخته شده است. از این پدیده برای اندازه گیری حرکت اجرام سماوی استفاده می شود.
کاربردهای اپتیک موجی
- موجبرهای نوری:
یکی از کاربردهای متعدد علمی بازتابشی کلی درونی ، گذراندن نور از تارهای کوچک پیوسته (نوربرها) است. دسته ای از این تارها را می توان به اندازه ای نرم ساخت که تا حد معینی خمش را تحمل کنند. تاری که از استوانه دی الکتریک جامدی تشکیل شده است و درون محیطی با ضریب شکست کمتر از خود قرار دارد در نظر می گیریم. اگر نور در جهت کلی محور تار به آن نزدیک شود و زاویه فرودی روی دیوار ، تا مساوی 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 ، بسامد مشخص حرکت می کند. در این حالت ما موجبر نوری داریم. این وسیله در مخابرات اپتیکی (با نور لیزر) ، داده پردازی و کاربردهای دیگر حائز اهمیت است.
- اندازه گیری قطر ستارگان:
چون فاصله ستارگان از زمین زیاد است ، قطر ظاهری آنها خیلی کم است و از یکصدم ثانیه کمانی هم تجاوز نمی کند. بنابراین پهنای همدوسی عرضی نور یک ستاره که از زمین رصد می شود ، حدود چندین متر است. یکی از روشهای تعیین قطر زاویه ای یک چشمه دور ، استفاده از یک آرایش تداخلی روشکافی 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. وی برای افزایش فاصله میان شکافها ، از چند آینه استفاده کرد. یکی از بزرگترین ستارگانی که قطر زاویه ای آن اندازه گیری شد ، ستاره Betelgeuse بود.
نقش اپتیک موجی در زندگی
از اپتیک موجی در ساختن انواع عینکهای ضد آفتاب استفاده می گردد. در مکانیزم ساخت این عینک ها از قوانین بازتابش و شکست نور استفاده می شود. این عینک ها به گونه ای ساخته می شود که از برخورد نور خیره کننده خورشید در روزهای آفتابی جلوگیری کند. البته نقش اپتیک موجی در زندگی انسان فقط به همین مورد ختم نمی شود ، بلکه در ساخت انواع آینه ، چراغ خودروها ، انواع لیزر ، انواع ردیاب و ... از قوانین اپتیک موجی استفاده می شود.
- پدیده تداخل:
در این پدیده نور حاصل از یک چشمه نور بر روی یک صفحه ای که
دارای دو سوراخ کوچک است تابیده می شود. پرتوهای نوری خارج شده از شکافها در پشت صفحه با هم تداخل انجام می دهند. در نقاطی که تداخل سازنده باشد ، نقاط روشن و در نقاطی تداخل ویرانگر است ، نقاط تاریک دیده می شود.
- پدیده پراش:
اگر نور تولید شده به وسیله یک چشمه بر روی یک صفحه ای که بر روی آن شکافی قرار دارد تابیده شود در این صورت پرتوها از لبه های شکاف بازتابیده می شوند که این پدیده را پراش یا تفرق می گویند.
مباحث مرتبط با عنوان
