آزمایشگاه علوم کانن

ماهیت واقعی نور چیست؟آیا این یک موج است یا شاید جریان ذرات بسیار کوچک باشد؟این سؤالات دانشمندان طولانی را متعجب می کنند. بیایید با مطالعه موضوع ، از طریق تاریخ سفر کنیم.

در حدود سال 1700 ، نیوتن به این نتیجه رسید که نور گروهی از ذرات (نظریه بدنی) است. در همین زمان ، دانشمندان دیگری نیز وجود داشتند که فکر می کردند نور ممکن است به جای آن موج باشد (نظریه موج). نور در یک خط مستقیم حرکت می کند ، و بنابراین طبیعی بود که نیوتن به عنوان ذرات بسیار کوچکی که توسط یک منبع نور ساطع می شوند و توسط اشیاء منعکس می شوند ، فکر کند. با این حال ، نظریه بدنی نمی تواند پدیده های نور مانند موج مانند پراش و تداخل را توضیح دهد. از طرف دیگر ، تئوری موج نمی تواند روشن کند که چرا فوتون ها از فلز که در معرض نور قرار دارند پرواز می کنند (این پدیده اثر فوتوالکتریک نامیده می شود ، که در اواخر قرن نوزدهم کشف شد). به این ترتیب ، فیزیکدانان بزرگ همچنان به بحث و گفتگو و نشان دادن ماهیت واقعی نور در طول قرن ها ادامه داده اند.

نور ذره ای است!(آقا اسحاق نیوتن)

فیزیکدان انگلیسی که به دلیل قانون گرانش جهانی شناخته شده است ، سر ایزاک نیوتن (1643 تا 1727) فهمید که نور هنگام استفاده از منشور برای تقسیم نور خورشید به رنگ های مؤلفه خود ، دارای خواص فرکانس مانند است. با این وجود ، او فکر می کرد که نور ذره ای است زیرا حاشیه سایه هایی که ایجاد کرده است بسیار تیز و واضح است.

نور موج است!(گریمالدی و هویگنز)

نظریه موج ، که معتقد است نور موج است ، تقریباً همزمان با نظریه نیوتن پیشنهاد شده است. در سال 1665 ، فیزیکدان ایتالیایی Francesco Maria Grimaldi (1618 تا 1663) پدیده پراش نور را کشف کرد و خاطرنشان کرد که شبیه رفتار امواج است. سپس ، در سال 1678 ، فیزیکدان هلندی کریستین هویگنز (1629 تا 1695) تئوری موج نور را تأسیس کرد و اصل Huygens را اعلام کرد.

نور به طور واضح موجی است!(Fresnel and Young)

حدود 100 سال پس از زمان نیوتن ، فیزیکدان فرانسوی آگوستین-جین فرسنل (1788 تا 1827) ادعا کرد که امواج سبک دارای طول موج بسیار کوتاه و تداخل نور ریاضی هستند. در سال 1815 ، او قوانین جسمی را برای بازتاب نور و انکسار نیز ابداع کرد. وی همچنین فرض کرد که فضا پر از واسطه ای است که به عنوان اتر شناخته می شود زیرا امواج به چیزی احتیاج دارند که بتواند آنها را منتقل کند. در سال 1817 ، فیزیکدان انگلیسی توماس یانگ (1773 تا 1829) طول موج نور را از یک الگوی تداخل محاسبه کرد ، از این رو نه تنها فهمید که طول موج 1 میکرومتر (1 میکرومتر = یک میلیون متر) یا کمتر است ، بلکه دارای یک دسته روی آن نیز هست. حقیقت که نور یک موج عرضی است. در آن مرحله ، تئوری ذرات نور از نفع خارج شد و با تئوری موج جایگزین شد.

نور موج است - یک موج الکترومغناطیسی!(ماکسول)

نظریه بعدی توسط فیزیکدان درخشان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول (1831 تا 1879) ارائه شده است. در سال 1864 ، وی پیش بینی وجود امواج الکترومغناطیسی را که وجود آن قبل از آن زمان تأیید نشده بود ، پیش بینی کرد و از پیش بینی وی مفهوم نور موج یا به طور خاص نوعی موج الکترومغناطیسی به وجود آمد. تا آن زمان ، میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهن ربا و جریانهای برقی و میدان الکتریکی تولید شده بین دو صفحه فلزی موازی متصل به یک خازن بارگذاری شده با یکدیگر ارتباط نداشته است. ماکسول این تفکر را تغییر داد وقتی که در سال 1861 ، او معادلات ماکسول را ارائه داد: چهار معادله برای تئوری الکترومغناطیسی که نشان می دهد میدان های مغناطیسی و میدان های الکتریکی به طور غیرقابل پیوستگی مرتبط هستند. این امر منجر به معرفی مفهوم امواج الکترومغناطیسی غیر از نور مرئی در تحقیقات نور شد که قبلاً فقط روی نور مرئی متمرکز شده بود.

اصطلاح موج الکترومغناطیسی تمایل دارد امواج ساطع شده از تلفنهای سلولی را به ذهن متبادر کند ، اما امواج الکترومغناطیسی در واقع امواج تولید شده توسط برق و مغناطیس هستند. امواج الکترومغناطیسی همیشه در هر کجا که برق جریان داشته باشد یا امواج رادیویی در حال پرواز هستند رخ می دهد. معادلات ماکسول ، که به وضوح وجود چنین امواج الکترومغناطیسی را نشان داد ، در سال 1861 اعلام شد و به اساسی ترین قانون الکترومغناطیسی تبدیل شد. درک این معادلات آسان نیست ، اما بیایید نگاهی عمیق داشته باشیم زیرا آنها مربوط به ماهیت واقعی نور هستند.

معادلات ماکسول چیست؟

چهار معادله ماکسول به اساسی ترین قانون در الکترومغناطیسی تبدیل شده است. معادله اول قانون القایی الکترومغناطیسی فارادی را تشکیل می دهد ، که بیان می کند که تغییر میدان های مغناطیسی زمینه های الکتریکی را تولید می کند و جریان الکتریکی را تولید می کند.

معادله دوم قانون Ampere-Maxwell نام دارد. این قانون به قانون Ampere می افزاید ، که می گوید جریان الکتریکی که بر روی یک سیم جریان دارد ، یک میدان مغناطیسی را در اطراف خود تولید می کند ، و قانون دیگری که می گوید یک میدان مغناطیسی در حال تغییر نیز باعث ایجاد خاصیت شبیه به جریان الکتریکی (جریان جابجایی) می شود ، و اینبیش از حد یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. اصطلاح جریان جابجایی در واقع یک نکته مهم است.

معادله سوم قانونی است که بیان می کند بار الکتریکی در منبع یک میدان الکتریکی وجود دارد.

معادله چهارم قانون میدان مغناطیسی گاوس است که بیان می کند یک میدان مغناطیسی هیچ منبع (مونوپل مغناطیسی) معادل آن با بار الکتریکی ندارد.

جریان جابجایی چیست؟

اگر دو صفحه فلزی موازی (الکترودها) بگیرید و یکی را به قطب مثبت و دیگری به قطب منفی یک باتری وصل کنید ، یک خازن ایجاد خواهید کرد. برق مستقیم جریان (DC) به سادگی بین دو صفحه فلزی جمع می شود و هیچ جریان بین آنها جریان نمی یابد. با این حال ، اگر جریان متناوب (AC) را که به طرز چشمگیری تغییر می کند متصل کنید ، جریان الکتریکی در طول دو الکترود شروع به جریان می کند. جریان الکتریکی جریان الکترون ها است ، اما بین این دو الکترود چیزی جز فضا وجود ندارد و بنابراین الکترون ها جریان نمی یابند.

ماکسل تعجب کرد که این می تواند به چه معنی باشد. سپس به او رسید که استفاده از ولتاژ AC بر روی الکترودها باعث ایجاد میدان الکتریکی در حال تغییر در فضای بین آنها می شود و این میدان در حال تغییر الکتریکی به عنوان یک جریان الکتریکی در حال تغییر عمل می کند. این جریان الکتریکی همان چیزی است که منظور ما هنگام استفاده از اصطلاح جریان جابجایی است.

امواج الکترومغناطیسی و میدان های الکترومغناطیسی چیست؟

نتیجه گیری غیر منتظره را می توان از ایده جریان جابجایی نتیجه گرفت. به طور خلاصه ، امواج الکترومغناطیسی می توانند وجود داشته باشند. این همچنین به این کشف منجر شد که در فضا نه تنها اشیاء وجود دارد که می توانیم با چشمان خود ببینیم ، بلکه زمینه های نامشهود را نیز مشاهده می کنیم که نمی توانیم ببینیم. وجود زمینه ها برای اولین بار فاش شد. حل معادلات ماکسول معادله موج را نشان می دهد ، و راه حل آن معادله منجر به سیستم موج می شود که در آن میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی هنگام مسافرت از طریق فضا ، یکدیگر را به وجود می آورند.

شکل امواج الکترومغناطیسی در یک فرمول ریاضی بیان شد. میدان های مغناطیسی و میدان های الکتریکی به طور غیرقابل پیوندی در ارتباط هستند ، و همچنین یک موجودیت به نام یک میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که تنها مسئول وجود آنها است.

اصل تولید موج الکترومغناطیسی چیست؟

حالا بیایید نگاهی به یک خازن بیندازیم. استفاده از ولتاژ AC بین دو الکترود فلزی یک میدان الکتریکی در حال تغییر در فضا ایجاد می کند و این میدان الکتریکی به نوبه خود جریان جابجایی را ایجاد می کند و باعث می شود جریان الکتریکی بین الکترودها جریان یابد. در عین حال ، جریان جابجایی با توجه به دوم معادلات ماکسول (قانون آمپر-ماکسول) یک میدان مغناطیسی در حال تغییر در اطراف خود ایجاد می کند.

میدان مغناطیسی حاصل با توجه به اولین معادلات ماکسول (قانون القایی الکترومغناطیسی فارادی) یک میدان الکتریکی را در اطراف خود ایجاد می کند. بر اساس این واقعیت که یک میدان الکتریکی در حال تغییر یک میدان مغناطیسی به این روش ایجاد می کند ، امواج الکترومغناطیسی که یک میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی به طور متناوب ظاهر می شوند-در فضای بین دو الکترود ایجاد شده و به محیط اطراف خود سفر می کنند. آنتن هایی که امواج الکترومغناطیسی را منتشر می کنند با استفاده از این اصل ایجاد می شوند.

امواج الکترومغناطیسی چقدر سریع است؟

ماکسول سرعت سفر برای امواج ، یعنی امواج الکترومغناطیسی را که توسط فرمول های ریاضی وی نشان داده شده بود ، محاسبه کرد. وی گفت: سرعت به سادگی یکی از ریشه مربع نفوذ الکتریکی در زمان خلاء نفوذپذیری مغناطیسی در خلاء بود. هنگامی که او "9 x 10 9 /4π را برای نفوذ الکتریکی در خلاء" و "4π x 10 1 0-7 برای نفوذپذیری مغناطیسی در خلاء ،" که هر دو مقادیر شناخته شده در آن زمان بودند ، اختصاص داد ، محاسبه وی 2. 998 x 10 8 متر به دست آورد/ثانیهاین دقیقاً با سرعت قبلاً کشف شده نور مطابقت داشت. این باعث شد تا ماکسول با اطمینان اظهار داشته باشد که نور نوعی موج الکترومغناطیسی است.

نور نیز یک ذره است!(انیشتین)

تئوری نور یک ذره کاملاً از بین رفت تا پایان قرن نوزدهم که آلبرت انیشتین آن را احیا کرد. اکنون که ماهیت دوگانه نور به عنوان "ذره و موج" اثبات شده است ، تئوری اساسی آن بیشتر از الکترومغناطیسی به مکانیک کوانتومی تبدیل شد. انیشتین معتقد است که نور ذره (فوتون) است و جریان فوتون ها موج است. نکته اصلی نظریه کوانتومی سبک انیشتین این است که انرژی نور مربوط به فرکانس نوسان آن است. وی اظهار داشت که فوتون ها دارای انرژی برابر با "فرکانس نوسان زمان ثابت پلانک" هستند ، و این انرژی فوتون ارتفاع فرکانس نوسان است در حالی که شدت نور مقدار فوتون ها است. خواص مختلف نور ، که نوعی موج الکترومغناطیسی است ، به دلیل رفتار ذرات بسیار کوچک به نام فوتون ها است که برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند.

اثر فوتوالکتریک چیست؟

فیزیکدان آلمانی آلبرت انیشتین (1879 تا 1955) که به دلیل تئوری های نسبیت معروف است ، تحقیقاتی را در مورد اثر فوتوالکتریک انجام داد ، که در آن الکترون ها از سطح فلز در معرض نور قرار می گیرند. نکته عجیب در مورد اثر فوتوالکتریک ، انرژی الکترون ها (فوتوالکترون ها) است که از فلز بیرون می آیند ، تغییر نمی کند که آیا نور ضعیف است یا قوی.(اگر نور موج بود ، نور قوی باید باعث شود که فوتوالکترون ها با قدرت زیادی پرواز کنند.) یکی دیگر از موارد گیج کننده این است که چگونه فوتوالکترون ها هنگام استفاده از نور قوی ضرب می شوند. انیشتین با بیان اینکه "نور خود ذره ای است" اثر فوتوالکتریک را توضیح داد و به همین دلیل او جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد.

فوتون چیست؟

ذرات نوری که توسط انیشتین تصور می شود ، فوتون نامیده می شود. نکته اصلی نظریه کوانتومی سبک وی این ایده است که انرژی نور به فرکانس نوسان آن مربوط می شود (در مورد امواج رادیویی به عنوان فرکانس شناخته می شود). فرکانس نوسان برابر با سرعت نور تقسیم بر طول موج آن است. فوتون ها دارای انرژی برابر با فرکانس نوسان خود زمان ثابت پلانک هستند. انیشتین حدس زد که وقتی الکترونهای موجود در ماده با فوتون ها برخورد می کنند ، اولی انرژی دوم را می گیرد و پرواز می کند و هرچه فرکانس نوسان فوتون ها را که اعتصاب می کنند بیشتر باشد ، انرژی الکترون که به پرواز در می آید بیشتر می شود.

به طور خلاصه ، او می گفت که نور جریان فوتون ها است ، انرژی این فوتون ها ارتفاع فرکانس نوسان آنها است و شدت نور مقدار فوتون های آن است.

انیشتین نظریه خود را با اثبات اینكه ثابت پلانك وی براساس آزمایشات خود در مورد اثر فوتوالكریك دقیقاً مطابق با ثابت 6. 6260755 x 1 0-34 (ثابت پلانك) است كه فیزیکدان آلمانی مكس پلانك (1858 تا 1947) از طریق تحقیقات خود به دست آمده است ، ثابت كرد. امواج الکترومغناطیسی. این بیش از حد به یک رابطه صمیمی بین خواص و فرکانس نوسان نور به عنوان موج و خواص و حرکت (انرژی) نور به عنوان یک ذره یا به عبارت دیگر ، ماهیت دوگانه نور هم به عنوان یک ذره و هم موج اشاره داشت.

آیا ذرات دیگر علاوه بر فوتون ها موج می شوند؟

فیزیکدان نظری فرانسوی ، لوئیس دی بروگلی (1892 تا 1987) با اثبات اینكه ذرات (الکترون ، پروتون و نوترون) علاوه بر فوتون هایی كه دارای خاصیت موج هستند ، چنین تحقیقاتی را در مورد ماهیت موج ذرات انجام داد. به گفته د بروگلی ، تمام ذرات که با سرعت در نزدیکی نور حرکت می کنند ، علاوه بر خواص و حرکت یک ذره ، خواص و طول موج موج را نیز اتخاذ می کنند. او همچنین رابطه "طول موج x momentum = ثابت پلانک" را به دست آورد.

از دیدگاه دیگر ، می توان گفت که جوهر ماهیت دوگانه نور هم به عنوان یک ذره و هم موج می توان در ثابت پلانک یافت. تکامل این ایده به پیشرفتهای علمی و تکنولوژیکی متنوع ، از جمله توسعه میکروسکوپ های الکترونی کمک می کند.