نور چیست؟

ذراتی ریز با بیشترین اثر! نور یکی از بزرگ‌ترین شگفتی‌های جهان خلقت است. از یونانیان باستان تا دانشمندان بزرگی مانند اسحاق نیوتن و آلبرت اینشتین، همواره ذهن اندیشمندان را به خود مشغول کرده است.

مردم همواره مجذوب نور بوده‌اند و در تلاش برای کشف اسرار آن قدم برداشته‌اند. در یونان باستان، ارسطو معتقد بود که نور رفتاری شبیه امواج آب دارد. در مقابل، فیثاغورث (۵۷۰–۴۸۰ پیش از میلاد) بر این باور بود که «اشعه‌های گرم بصری» از چشم انسان منتشر شده و پس از برخورد به اجسام، بازتاب می‌یابند. البته اگر این نظریه صحیح بود، باید می‌توانستیم در تاریکی مطلق نیز ببینیم…

نور: سریع‌تر از آنچه می‌پندارید

امروزه به دانش‌آموزان فیزیک آموزش داده می‌شود که نور را باید هم به‌صورت موج و هم به‌صورت ذره در نظر گرفت. همچنین، نور با سرعتی باورناپذیر حرکت می‌کند. کلید را می‌زنید و فوراً چراغ روشن می‌شود.

در سال ۱۶۷۵، دانشمند دانمارکی، «اولئ رومر»، با بررسی حرکت اقمار مشتری (که پیش‌تر توسط گالیله کشف شده بودند)، سرعت نور را حدود 2.3 \ 10⁸ متر بر ثانیه محاسبه کرد. بعدها، در سال ۱۸۵۰، «لئون فوکو» این عدد را با دقت بیشتری به 2.98 \ 10⁸ متر بر ثانیه رساند.

امروزه می‌دانیم که نور با سرعتی نزدیک به ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه در خلأ حرکت می‌کند. بر این اساس، نور خورشید بازتاب‌شده از ماه پس از حدود ۱.۳ ثانیه به زمین می‌رسد، درحالی‌که نور مستقیم خورشید حدود ۸.۳ ثانیه طول می‌کشد تا به زمین برسد.

نور؛ موج یا ذره؟

انتشار نور را می‌توان با کمک مفهوم «پرتو نور» توضیح داد. زمانی‌که نور از یک منبع نقطه‌ای از شکافی باریک عبور می‌کند، دچار پدیده «پراش» شده و الگویی شبیه خطوط بارکد روی صفحه‌ای پشت شکاف تشکیل می‌دهد.

در قرن هفدهم، «کریستین هویگنس» نظریه‌ای ارائه داد مبنی بر اینکه نور همچون امواج آب حرکت می‌کند. تقریباً هم‌زمان، نیوتن نیز نظریه‌ای مطرح کرد که بر اساس آن، نور از ذرات بسیار ریز یا حلقه‌هایی کوچک تشکیل شده که در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند.

تا مدت‌ها میان دانشمندان درباره درست‌ بودن این نظریه‌ها اختلاف نظر وجود داشت، تا اینکه در قرن نوزدهم، «جیمز کلرک ماکسول» اعلام کرد که نور، موجی الکترومغناطیسی است؛ موجی که در آن، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با زمان و مکان تغییر می‌کنند. این نظریه، زمینه‌ساز انتقال برق به سراسر جهان شد.

در نهایت، نظریه نسبیت اینشتین توانست دیدگاه موجی و ذره‌ای را تلفیق کند. بر این اساس، نور از انفجارهای کوچک کوانتومی به‌صورت موج منتشر می‌شود. به عبارتی، نور بخشی از تابش الکترومغناطیسی است که از نوسانات انرژی کوانتیده (کم‌ترین مقدار ممکن انرژی) ناشی می‌شود.

«ماکس پلانک» با فرمول زیر نظریه کوانتومی را چنین توضیح می‌دهد:

E=h.n

در این رابطه، E انرژی یک کوانتوم تابشی، n بسامد آن و h ثابت پلانک است.

نور مرئی

چشم انسان تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی را می‌بیند. این بازه، محدوده‌ای از طول‌موج‌های ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر (هر نانومتر برابر با 10^{-9} متر) را دربر می‌گیرد. البته تابش الکترومغناطیسی تنها به نور مرئی محدود نمی‌شود و شامل انواع پرتوها مانند اشعه ایکس نیز می‌شود.

رنگ‌های طیف مرئی

نیوتن کشف کرد که نور خورشید حاوی رنگ‌های گوناگون است. اگر پرتو باریکی از نور به یک منشور شیشه‌ای تابیده شود، و پرتوهای خروجی آن به سطحی سفید برخورد کنند، طیفی از رنگ‌ها پدید می‌آید. پدیده‌ای مشابه را می‌توان در رنگین‌کمان مشاهده کرد.

هر رنگ با طول‌موج خاصی مطابقت دارد. طیف نور از امواج کوتاه‌تر (رنگ آبی، زیر ۴۵۰ نانومتر) آغاز شده و به امواج بلندتر (رنگ قرمز، بالای ۶۰۰ نانومتر) ختم می‌شود. ترکیب تمام این رنگ‌ها، نور سفید را شکل می‌دهد.

رنگ‌های طبیعی نسبی‌اند، چون تنها رنگ‌هایی را می‌بینیم که در شرایط نوری خاص بازتاب می‌یابند. بنابراین، تشخیص درست رنگ‌ها تنها در صورتی ممکن است که همه طول‌موج‌های تشکیل‌دهنده آن در نور منبع موجود باشد؛ مثل نور خورشید، لامپ هالوژن یا LEDهایی با نمود رنگ بالا (برای جزئیات بیشتر به مقاله “قدرت تفکیک رنگ” مراجعه شود).

تابش مادون قرمز (IR) و فرابنفش (UV)

در دو سوی محدوده نور مرئی، دو ناحیه دیگر از طیف الکترومغناطیسی قرار دارند: مادون قرمز (IR) و ماوراءبنفش (UV).

مادون قرمز طول‌موج‌هایی بین ۷۸۰ نانومتر تا یک میلی‌متر دارد. تا زمانی که این تابش به جسمی نرسد، جذب نشده و به گرما تبدیل نمی‌شود. بدون تابش IR خورشید، زمین سیاره‌ای یخ‌زده بود. همچنین این نوع تابش در تولید انرژی‌های نو مانند سلول‌های خورشیدی نقش مهمی دارد.

ماوراءبنفش با اینکه در مقدار مناسب برای زندگی ضروری است، اما قرارگیری بیش‌ازحد در معرض آن می‌تواند آسیب‌زا باشد. سه دسته از UV بر اساس اثر زیستی آن‌ها تعریف شده‌اند:

• UV-A (۳۸۰ تا ۳۱۵ نانومتر): موجب برنزه شدن پوست می‌شود.
• UV-B (۳۱۵ تا ۲۸۰ نانومتر): عامل آفتاب‌سوختگی و التهاب پوستی است.
• UV-C (۲۸۰ تا ۱۰۰ نانومتر): به سلول‌ها آسیب می‌زند و در لامپ‌های میکروب‌زدا کاربرد دارد.

اگرچه اشعه UV (به‌ویژه UV-B) نقش مثبتی در تولید ویتامین D دارد، اما تابش بیش‌ازحد آن می‌تواند خطرناک باشد. خوشبختانه جو زمین ما را در برابر تابش شدید کیهانی محافظت کرده و میزان تابش نور، IR و UV را تا سطحی کاهش می‌دهد که زیست بر روی زمین ممکن باشد.