تبلیغات
فیزیک - رنگین کمان؟
 
فیزیک
 
 
پنجشنبه 23 آذر 1391 :: نویسنده : محمد حسین اصغری

رنگین کمان

دونالد اهرنز نویسنده ای است كه در كتاب خود با نام "هواشناسی امروز" از رنگین كمان تحت عنوان یكی از دیدنی ترین نورهایی كه می توان در زمین مشاهده كرد نام برده است.

 حقیقتاً از دیدگاه سنتی رنگین كمان عبارت از پرتو خورشیدی است كه  به رنگهای مختلف انتشار می یابد و  به وسیله قطرات ریز باران به چشم مشاهده كننده بازمی گردد.

اصطلاح كمان كه بخشی از كلمه رنگین كمان را تشكیل می دهد در حقیقت مطلب را به خوبی توضیح می دهد كه رنگین كمان دسته ای است از رنگهای خم شده كمانی است كه مركز مشتركی دارند.  

                                          

 خورشید هنگام پدیدار شدن رنگین كمان كجاست؟

 

طرح این پرسش برای شروع تفكر فیزیكی پیرامون این مسئله كه "فرایند تشكیل رنگین كمان چیست" بسیار مناسب است. اغلب مردم هیچ توجهی نمی كنند كه زمان مواجهه با رنگین كمان همیشه خورشید پشت سرشان قرار دارد. و مركز كمان رنگین كمان دقیقاً در مقابل خورشید واقع است. البته با ذكر این نكته كه باران در امتداد رنگین كمان قرار دارد.


چه چیزی سبب ایجاد قوس رنگین كمان می شود؟

پرسشهایی از این دست پاسخهای فیزیكی به خصوصی دارند. ما پدیده تشكیل كمان را توسط بارش باران توضیح خواهیم داد. و این مسئله ای پیرامون مباحث اپتیك است كه نخستین بار به طور شفاف توسط رنه دكارت در سال 1637 میلادی تشریح گردید.موضوع جالب تاریخی اینكه مطابق با مطلبی كه در كتاب كارل بایرز "رنگین كمان از افسانه تا ریاضیات" شرح داده شده در حقیقت دكارت این پدیده را با در نظر گرفتن گذر نور از یك قطره آب ساده سازی نموده و توانست این پدیده را  شرح دهد . وی می نویسد: در نظر بگیرید این كمان نه در آسمان بلكه در هوای نزدیك به ما هر كجا كه خورشید به قطرات باران میتابد ظاهر گردد. در نتیجه ما قطعاً خواهیم توانست اصل قضیه را دریابیم. من تصمیم دارم به سهولت بیان نمایم كه هر كدام از پرتوهای نور به قطرات فرو ریزنده باران برخورد و از آن عبور نماید و به چشم ما میرسد.  بعلاوه با در نظر گرفتن این موضوع كه قطره باران گرد و كروی است و ساختاری تشكیل یافته دارد و اینكه قطره آب در اندازه های بزرگتر و كوچكتر ایجاد می گردد در اصل پیدایش كمان تفاوتی ایجاد نمیشود اگر این كره كوچك یا بزرگ باشد.من نظری دارم و آن این است كه می توان این مطلب را بهتر بیان نمود. دكارت توضیح داده كه چگونه كره بزرگی ساخته و به پرتوهای خورشید گذرنده از آن نگاه كرده است. 

                                        

 

وی همچنین نوشته است "من دریافتم اگر پرتو خورشید بعنوان مثال از بخشی از خورشید كه در شكل زیر با AFZنشان داده شده است عبور كند و چشمان ناظر در نقطهE   قرار داشته باشد زمانیكه در موقعیت دوار BCD واقع هستم  قسمت D قرمز و روشنتر به نظر خواهد رسید."

و هرچقدر به آن نزدیك شوم یا از آن دور  گردم و یا به چپ و راست بروم و یا اینكه به سمت بالا ارتفاع بگیرم همواره خط EM با امتداد خط DE  زاویه 42 درجه خواهد ساخت.

بنابراین ما تصور می كنیم در امتداد مركز خورشید و چشمان مان قرار دارد و از این رو همواره قرمز به نظر خواهد رسید و به تدریج با بزرگتر شدنDEM  رنگ قرمز محو و ناپدید خواهد شد.  

 

 و به همین ترتیب اگر زاویه را اندكی كوچكتر در نظر بگیریم رنگ قرمز به یكباره ناپدید و محو نخواهد شد بلكه حالت محو تری پیدا خواهد كرد و دیگر آن حالت تشعشع درخشنده را كمتر خواهد داشت. كه به تدریج در پهناهای مجاور آن رنگهای زرد آبی و سایر رنگها ظاهر می شوند.

وقتی مسئله را جزئی تر بررسی كنیم درمی یابیم در قسمتBCDچه چیزی سبب می گردد نقطه D قرمز به نظر برسد. دریافتم كه پرتوهای نور خورشیدی كه از  A  به   B   می رسند در زمان ورود به نقطه B   خم می شوند.  و برای عبور به نقطه C  جایی كه به نقطهDبازتابیده می شوند  و در آنجا با عبور از قطره آب باز هم خمیده می شوند .

 

 

آنچه گفته شد شكل رنگین كمان را بیان می كند . برای ساده سازی این تحلیل مسیر پرتو تكرنگ را درون یك قطره كروی آب در نظر بگیرید . تصور كنید نور چگونه داخل قطره كروی آب می گردد و سپس چگونه توسط سطح خمیده داخلی و نیز " آیینه مانند"  قطره آب  بازتابیده می شود. و در نهایت اینكه چگونه نور به قطره آب وارد و از آن خارج می گردد.اگر نتایج این بررسی را به كل قطرات آب باران در آسمان تعمیم دهیم می توانیم علت كمانی شكل بودن رنگین كمان را درك نماییم. دیاگرام سنتی برای توضیح این پدیده نشان داده شده است. "فیزیك هواشناسی" مسیر عبور یك پرتو نور  از  قطره آب در امتدادSA را نمایش می دهد. به گونه ای كه باریكه نور در نقطه A  وارد می شود .

به میزان كمی خمیده می گردد و به داخل قطره آب وارد شده تا نقطه B پیش می رود.

  زمانیكه به نقطهC بازتابیده می شود و از قطره آب بیرون آمده اكنون با حالتی منحنی و خمیده شده در امتداد CE از قطره خارج می گردد.  زاویه D  میزان انحراف زاویه ای خروج پرتو نور از امتداد اصلی را نشان می دهد.

دكارت این زاویه را برای پرتو نور قرمز در حدود 138 درجه اندازه گیری نموده است. پرتوی كه در اینجا كشیده شده بسیار با اهمیت است زیرا كه پرتوی را كه انحراف زاویه كمتری دارد از میان همه پرتوها در قطره باران نشان می دهد كه دكارت یا پرتو رنگین كمان نامیده میشود و بیشتر پرتوهای خورشیدی مانند آن درست مانند این پرتو در میان قطره باران شكسته و بازتابیده میشوند. بنابراین نور بازتابیده شده پراكنده تر و ضعیف تر خواهد بود مگر آنكه نزدیك به این امتداد پرتو رنگین كمانی باشد. این تمركز پرتوها در نزدیكی حداقل انحراف زاویه ای منجر به ظاهر شدن كمان و قوس رنگین كمان می گردد.خورشید فوق العاده از ما  دور است  و می توان تقریب خوبی برای این مسئله  داشت. با فرض اینكه پرتوهای خورشیدی دسته پرتوهای موازی ایجاد می نماید كه در قطره آب داخل شده و در درون قطره پخش و بازتابیده می شود و بار دیگر ه هنگام خروج از قطره آب رفتار مشابهی نشان می دهد. دكارت در این باره می نویسد: قلم به دست گرفتم و محاسبه دقیقی از مسیر پرتوهایی كه بر نقاط مختلف قطره كروی باران وارد می شود برای حساب كردن اینكه چه زوایایی پس از دو پراكندگی و بازتاب به چشم انسان می رسند انجام دادم. سپس دریافتم پس از یك بازتاب و دو پراكندگی پرتوهای بیشتری از زاویه 42 و 41 درجه می توانند به چشم برسند تا اینكه از سایر زوایا .  و هیچ پرتوی از زاویه ای بیش از این نمی تواند مشاهده شود.عموماً  یك قطره باران كروی است و بنابر این اثر آن بر نور خورشید به طور متقارن با یك محور میان مركز قطره و چشمه نور (در اینجا خورشید) می باشد .زیرا این تقارن در بیان دوبعدی موجود در شكل به خوبی  كفایت می كند و تصور سه بعدی قطره به دلیل تقارن كروی می تواند با گردش حول محور تقارن صورت پذیرد.اثر تقارن كانونی بر هر قطره در هر كجا كه قطرات باران را مشاهده می كنیم.

و  با معیار دیدrainbow ray  تعریف می گردد را در  لكه های روشن را پراكنده شده و بازتاب یافته نور خورشید خواهیم دید.

بر طبق شكل مشاهده می كنیم كه پرتو رنگین كمان برای نور قرمز مابین امتداد پرتو خورشید و خط دید زاویه 42 درجه می سازد. بنابراین در زمانیكه قطره باران در خط دید واقع می شود با نور پدیدار شده چنین زاویه ای را می سازد روشنایی آن را خواهیم دید.

كمانی  بدین ترتیب رنگین كماناز منحنی با زاویه 42 درجه به مركز مقابل خورشید است.  ما منحنی را به طور كامل مشاهده نخواهیم كرد زیرا زمین در میانه راه با آن برخورد می كند. زمانی كه خورشید نسبت به افق پایین تر قرار دارد ما بخش های بیشتری از این قوس دایره رنگین كمان را مشاهده خواهیم نمود خصوصاً در موقعیت غروب خورشید كه ما نیم دایره ای از نگین كمان با كمان 42 درجه در بالای افق مشاهده می نماییم. زمانیكه خورشید نسبت به افق در بالاترین قسمت خود واقع است كمان رنگین كمان كوچكتر به نظر خواهد رسید.

 چه چیزی سبب ایجاد رنگها در رنگین كمان می شوند؟

 توضیح سنتی رنگین كمان بیان می داشت كه رنگین كمان متشكل از 7 رنگ قرمز نارنجی زرد سبز آبی نیلی و بنفش می باشد اما در حقیقت رنگین كمان طیف پیوسته ای از تمامی رنگها را از بنفش تا قرمز در گستره دید انسان در بر می گیرد. رنگهای رنگین كمان ناشی از دو واقعیت اساسی است:

 پرتو خورشید متشكل از دامنه همه رنگهای قابل دید در گستره بینایی انسان می باشد . رنگهای نور خورشید زمانیكه با یكدیگر تركیب می گردند سفید به نظر می رسند. این خاصیت نور خورشید نخستین بار توسط سر آیزاك نیوتن  در سال 1666 تشریح گردید. نور رنگهای مختلف زمانیكه از یك حائل مانند هوا به محیط دیگری مانند آب یا شیشه عبور می كنند به میزان متفاوتی انتشار می یابند. دكارت و ویلبرورد اسنل محاسبه كرده بودن كه نور چگونه زمانیكه از یك محیط به محیط دیگری كه چگالی متفاوتی دارد گذر می كند خم یا پراكنده می شود. (مانند گذر نور از هوا به محیط آب) زمانیكه مسیر پرتو نور درون قطره آب را برای نورهای قرمز و آبی بررسی می كنیم در می یابیم زاویه انحراف برای این دو رنگ متفاوت است . زیرا نور آبی بیش از نور قرمز خمیده و پراكنده می شود.

این موضوع نشان می دهد زمانی كه رنگین كمان و دسته رنگهای آن  را مشاهده می كنیم به نوری نگاه كرده ایم  كه از قطرات مختلف آب  پراكنده و بازتابیده شده است. برخی با زاویه 42 درجه دیده می شوند برخی با زاویه 40 درجه و برخی مابین این دو زاویه. رنگین كمان متشكل از دو رنگ اغلب پهنایی برابر با 2 درجه دارد (در حدود چهار مرتبه بزرگتر از اندازه زاویه ای ماه كامل) . توجه نمایید كه با وجود اینكه نور آبی بیش از نور قرمز در یك قطره باران پراكنده می شود ما نور آبی را در قسمت داخلی تر رنگین كمان مشاهده می نماییم زیرا ما از زاویه ی دید متفاوت كوچكتر از 40 درجه برای نور آبی نگاه می كنیم.

 

 

 

چه چیزی سبب ایجاد رنگین كمان دوتایی می شود؟

 

بعضی وقتها دو رنگین كمان را همزمان با هم مشاهده می كنیم. چرا اینگونه است؟ ما مسیر پرتو نور از درون قطره آب باران را در زمانی كه وارد آن می شود و درون آن بازتابیده می شود  پیگیری كردیم . اما تمام انرژی پرتو نور پس از آنكه یكمرتبه بازتابیده شد اتلاف می شود. بخشی از پرتو نور مجدداً بازتابیده می شود و از درون قطره آب را پشت سر گذاشته و از آن بیرون می رود.

 

رنگین كمان معمولی كه عموماً مشاهده می كنیم رنگین كمان اصلی و اولیه نامیده می شود و توسط یك بازتاب داخلی ایجاد می گردد .  رنگین كمان ثانویه به سبب وجود دو بازتاب داخلی ایجاد شده و پرتو نور با زاویه 50 درجه نسبت به زاویه 42 درجه كمان اولیه قرمز از قطره خارج می شود. نور آبی اغلب با زاویه 53 درجه پدیدار می شود و این اثر سبب ظاهر شدن رنگین كمان ثانویه می شود كه رنگهای آن در قیاس با رنگین كمان اولیه معكوس هستند. ممكن است كه یك پرتو نور بیش از دو مرتبه درون قطره آب بازتابیده شود. و می توان به همین ترتیب رنگین كمانهای مرتبه بالاتر را نیز شرح داد. اما در حقیقت این حالت در شرایط محیطی معمولی رخ نمی دهد.

 

چرا آسمان درون رنگین كمان روشن تر به نظر می رسد؟

 

دقت نمایید كه كنتراستی میان رنگ آسمان بیرون و درون كمان رنگین كمان وجود دارد.

وقتی كسی انتشار نور خورشید را در قطره آب بررسی می نماید در می یابد تعداد زیادی پرتو با زاویه های كوچكتر از  پرتو رنگین كمان خارج می شوند. اما اساساً از یك بازتاب داخلی با زاویه ای بزرگتر از این پرتو نوری وجود ندارد. بنابراین پرتوهای بسیاری از نور در كمان هستند و مقدار كما هم سوای اینها (در زوایای دیگر) وجود دارد.

زیرا این نور سفید است كه تركیبی است از همه رنگهای رنگین كمان. در رنگین كمان نوع دوم پرتو رنگین كمان كوچكترین زاویه را دارد و پرتوهای بسیاری با زاویه های بزرگتر از آن ظاهر می شوند. بنابراین دو كمان تركیب شده و ناحیه ای تیره تر مابین خود ایجاد می نمایند كه پهنای اسكندر نامیده می شود. به افتخار اسكنر مقدونی كه این موضوع را در 1800 سال پیش دریافت.  

 

 

كمانهای اضافی چیستند؟

 

در برخی  كمانهای كم نور و كمرنگ فقط داخل و نزذیك بالای كمان اصلی واقعاز رنگین كمانها  اند. این كمانها كمانهای اضافی نامیده می شوند كه توط توماس یانگ در سال 1804 از موضوع تداخل نوری پرتوها درون قطره آب استنتاج گردید.

كار یانگ تاثیر عمیقی تئوریهای تبیین كننده ماهیت نور بر جای نهاد و مطالعات وی پیرامون رنگین كمان پایه و ریشه ی اساسی این مبحث را تشكیل می دهد. یانگ نور را چنین تفسیر نمود: نور دسته ای از امواج است و زمانیكه دو پرتو در یك مسیر در قطرات آب پراكنده شوند   با یكدیگر تداخل موجی خواهند نمود.

بسته به اینكه پرتوها چگونه با یكدیگر جور می شوند تداخل می تواند سازنده باشد (در مواردی كه پرتوها روشنایی ایجاد می نمایند) و ویرانگر باشند (زمانیكه تداخل پرتوها از میزان روشنایی می كاهد). این پدیده به روشنی توسط مقاله ناسنزویگ تحت عنوان "تئوری رنگین كمان" توضیح داده شده است. وی می نویسد:

در زوایای خیلی بسته رنگین كمان دو مسیر عبور از میان قطره آب با هم اندكی تفاوت دارند . بنابر این دو پرتو با هم تداخل سازنده می كنند. وقتی زاویه افزایش پیدا می كند دو پرتو اساساً طولهای متفاوتی را طی می كنند. وقتی این تفاوت برابر با نصف طول موج گردید تداخل به طور كلی ویرانگر خواهد بود. ودر زوایای بزرگتر بار دیگر یكدیگر را تقویت می كنند. در نتیجه تغییرات نوسانی در شدت نور پراكنده شده بوجود خواهد آمد. گروهی از پهناهای روشنایی و تاریكی.

 

خالص بودن رنگهای رنگین كمان به اندازه قطرات باران بستگی دارد. قطرات درشت (در حدود قطرهای چند میلیمتری) رنگین كمانهای روشن می دهند با رنگهای تفكیك شده و زیبا. قطرات ریز باران (در حدود قطرهای 0.1 میلیمتر) رنگین كمانهایی با رنگهای در هم پوشانیده شده ایجاد می نماید و اغلب نزدیك به رنگ سفید و شفاف دیده می شوند. به یاد آورید تئوری های رنگین كمان را  كه قطرات باران را كروی فرض می كردند.

 

 

هرگز یك سایز برای قطرات باران وجود ندارد بلكه قطرات باران متشكل از ابعاد و اندازه های گوناگون می باشند. این امر منجر به ایجاد رنگین كمان مركب می شود . عموماً قطرات باران به شعاع 0.5 سانتی متر نمی رسند مگر در اثر برخورد با سایر قطرات. البته گاهی قطرات تا حد چند میلیمتر بزرگتر از آنچه بودند خواهند شد خصوصاً در بارانهای طوفانی.

بیل لیوینگستون پیشنهاد می كند: اگر شما به قدر كافی شجاع باشید در مدت ریزش باران در  طوفان و رعد و برق به بالا نگاه كنید . ممكن است به چشمان و یا عینك شما آسیب برسد. با این حال كشنده نیست! شما مشاهده خواهید نمود كه قطرات باران به هم پیچیده و نوسانی فرو می ریزند.امتداد سطح باران اگر هیچ نیروی دیگری بر آن اثر نكند به صورت كروی فرض می شود اما زمانی كه قطره باران  در هوا سقوط می كند نیروی كششی سبب تغییر شكل آن می گردد و آن را به صورت مسطح در می آورد. میزان تغییر شكل می تواند در تونل باد بر روی یك قطره معلق آزمایش و مدلسازی شود.

(Pruppacher and Beard, 1970, and Pruppacher and Pitter, 1971)

قطرات آب با شعاع كمتر از 140 میكرون كروی باقی می مانند ولی زمانیكه ابعاد قطره افزایش می یابد مسطح شدن قطره قابل توجه می شود. برای قطرات با شعاع نزدیك به 140 میكرون نسبت ارتفاع به عرض 0.85 خواهد بود. این مسطح شدن برای قطرات بزرگتر بیشتر خواهد بود.

پراش نور

وقتی جسم كدری میان یك پرده و یك چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشكل از نواحی روشن و تاریك ایجاد می‌شود. این اثر به آسانی قابل روئیت است، اما یك چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد كه از یك سوراخ كوچك می‌درخشد، این كار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یك قلم ، تحت روشنایی یك چشمه نقطه‌ای نگاه كنید یك ناحیه روشن غیر معمولی در كناره خواهید دید.

حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشكیل می‌شود. به سایه‌ای كه توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد می‌شود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی كرده باشید، در حالیكه چند قطره باران بر روی شیشه عینكتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریك را مشاهده خواهید كرد.

تاریخچه

اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیكو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض كنید كه یك مانع كدر حاوی یك روزنه كوچك داریم كه امواج تخت حاصل از یك چشمه نقطه‌ای شكل خیلی دور (S) ، آن را روشن كرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع كدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها می‌شود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری كه به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندكی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حركت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شكل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.

- پراش فرنهوفر تك شكاف

در این نمونه شكاف مستطیل شكل كه پهنای كوچك و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار می‌گیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شكاف بر روی پرده تشكیل تصویر می‌دهند، كه قسمت مركزی در مقایسه با كناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده می‌شود و ضمن اینكه شدت نور با دور شدن از ناحیه مركزی كاهش ی‌یابد، نوارهای تاریك در بین نوارهای روشن قابل روئیت است.

- شكاف دوگانه

در این نمونه مانع كدر كه در مقابل نور قرار می‌گیرد از دو شكاف مستطیل شكل موازی تشكیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تك شكافی را روی پرده دید ایجاد خواهد كرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شكاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر كدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممكن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا كنند. در داخل قله مركزی پراش وجود خواهد داشت. ممكن است یك بیشینه تداخل و یك كمینه پراش با یك مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مركزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، كه در آن موقعیت دقیق در تداخل شركت كند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.

پراش فرنل

فرض كنید یك مانع كدر حاوی روزنه كوچك كه اموج تخت حاصل از یك چشمه نقطه‌ای شكل خیلی دور (S) ، آن را روشن كرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یك تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، كه علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزئی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج كه صفحه مشاهده از مانع دور می‌شود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شكل مشخص‌تری به خود می‌گیرد، و این در حالی است كه فریزها نمایانتر می‌شوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیك نامیده می‌شود.

اصل بابینه

دو پرده پراشان را مكمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یك پرده با نواحی كدر پرده دیگر و بر عكس متناظر باشند. وقتی كه دو پرده مكمل روی هم بیافتند، آشكار است كه تركیب آنها كاملا كدر است.

توری پراش

آرایه‌ای تكراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی كه اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یك موج خروجی است، یك توری پراش نامیده می‌شود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار می‌شوند كه بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یك از وجوه شیارها عمود باشند

 

 

 

 

.

پدیده فتوولتائیك

اثر فتوالكتریك كه برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین شرح داده شد. بر اساس این پدیده وقتی كه یك كوانتوم انرژی نوری یعنی یك فوتون در یك ماده نفوذ می كند، این احتمال وجود دارد كه بوسیله الكترون جذب شود. و الكترون انتقال پیدامی كند.

اخیراً دانشمندان آمده اند سلولهای خورشیدی ساخته اند. وقتی كه امواج الكترو مغناطیسی خورشید برروی آن می تابد، جفت ماده ها ( الكترون و پوزیترون ) یعنی در نوار گاف نیم رسانا به تعداد زیاد تولید می شود «تولید زوج). در نتیجه برهم كنشهای فیزیكی بین ذرات صورت می گیرد كه نهایتاً منجر به یك پیل خورشیدی می شود.

مواد سازنده سلول های خورشیدی

ماده ای كه سلولهای خورشیدی از آنها ساخته می شود سیلیكون و آرسینورگالیم هستند. سلولهایی كه از سیلیكون ساخته می شوند از لحاظ تئوری بازده ماكزیمم حدود 22 درصد دارند. ولی بازده عملی آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتی كه بازده سلولها یی كه از آرسینورگالیم ساخته می شود بازده عملی آنها بیشتر از 20 درصد است.

ماهواره های دریافت كننده انرژی خورشیدی

یك ایستگاه فضایی در مداری كه هم زمان با زمین در حركت باشد دایماً با تابش خورشید روشن می شود. برقراری ماهواره های خورشیدی در مدار زمین بطور جدی در سال 1968 پیشنهاد شد. در این ماهواره ها پانل هایی ساخته اند از جنس آرسینوگالیم كه انرژی خورشید را دریافت و تبدیل به جفت الكترون می كند، در داخل ماده الكترون ها شروع به حركت می كنند كه نهایتاً منجر به تولید الكتریسته می شود. ضریب توان سلولها 18% ولتاژ بالای آن 40 كیلو وات با 5% اتلاف توان محاسبه شده است.

رنگها و موجها


بدون تردید نور خورشید یکی از مهمترین نیازهای زندگی روی کره زمین است. اما دامنه ویژگیهای آن تنها به ایجاد زندگی و حیات در میان جانداران ختم نمی‌شود. در سال 1665 میلادی ، دانشمند بیست و سه ساله انگلیسی به نام آیزاک نیوتن به مطالعه نور مشغول بود...


[ فیزیك نور و اپتیك ]

 


رنگها و موجها

بدون تردید نور خورشید یكی از مهمترین نیازهای زندگی روی كره زمین است. اما دامنه ویژگیهای آن تنها به ایجاد زندگی و حیات در میان جانداران ختم نمی‌شود. در سال 1665 میلادی ، دانشمند بیست و سه ساله انگلیسی به نام آیزاك نیوتن به مطالعه نور مشغول بود. او در یك روز آفتابی و درخشان ، شیشه‌های اطاق را به كمك پرده‌هایی ضخیم و بسیار تیره مسدود كرد، به گونه‌ای كه اطاق كاملا تاریك شد و از میان شكاف كوچكی در میان یكی از پرده‌ها ، باریكه‌ای از نور به درون اطاق می‌تابید. او این باریكه نور را از میان یك قطعه شیشه به شكل مثلث ، كه منشور نامیده می‌شود، عبور داد. باریكه نور با گذشتن از میان منشور ، در مسیرش خمیده شد و شكست پیدا كرد.


شكست نور در منشور

نوری كه از منشور بیرون آمده بود در راستایی سیر می‌كرد كه اندكی با راستای وارد شدنش به منشور تفاوت داشت و به دیوار مقابل می‌تابید. جالب آنكه ، هنگامی كه نیوتن منشور را از سر راه نور بر می‌داشت، باریكه تنها لكه گرد سفید رنگی را روی دیوار ایجاد می كرد، در حالی كه وقتی منشور در مسیر باریكه نور می‌رفت، باریكه نور پخش می‌شد و به صورت رنگین كمان در می‌آید! در یك سر این رنگین كمان نور سرخ و در انتهای دیگر نور بنفش دیده می‌شد و در میان آنها رنگهای نارنجی ، زرد ، سبز و آبی قرار داشت. ما اینگونه رنگها را در اطراف خود می‌بینیم و قادریم آنها را لمس كنیم، در حالی كه نیوتن قادر نبود نور را لمس كند، به همین دلیل بود كه او نوار نور رنگی را طیف (Spectrum) نامید كه در زبان لاتین به معنای روح است!

به راستی این رنگها از كجا می‌آیند؟!

نیوتن دریافت آن چیزی را كه چشمهای ما به عنوان نور سفید می‌بینند در حقیقت مخلوطی از رنگهای گوناگون است كه شكست آنها پس از منشور یكسان نیست و برای نور سرخ از همه رنگهای دیگر كمتر و برای نور بنفش از همه بیشتر است. نیوتن برای اثبات شكستهای متفاوت از دو منشور استفاده كرد و دوباره توانست نور سفید را بدست آورد. اما هنوز یك سوال دیگر باقی بود و آن این بود كه چرا نور باید، رنگهای مختلفی را دارا باشد؟!

جنس نور

نیوتن به دنبال جنس نور بود. دو نظریه در این زمینه وجود داشت: اول آنكه نور از مجموعه‌ای از ذرات تشكیل شده است كه بر خطی راست و به سرعت در حال حركتند و دوم آنكه نور مجموعه‌ای از امواج است كه بسیار كوچكند و در مسیری مستقیم حركت می‌كنند. نكته بسیار قابل توجه در مورد امواج این بود كه آنها می‌توانند خمیده شوند، این امر زمانی رخ خواهد داد كه امواج با موانع برخورد كنند. شما می‌توانید خمیده شدن امواج آب را در برخورد با موانع ببینند. همچنین صدایی را كه در یك طرف كنج دیوار می‌شنوید، می‌توانید در طرف دیگر آن كنج نیز گوش كنید، پس امواج صدا باید در اطراف آن كنج خمیده شده باشند. از سوی دیگر می‌دانید كه اگر نور به یك طرف كنج بتابد خمیده نمی‌شود، به عبارت دیگر شما نمی‌توانید شخصی را از طرف دیگری ‌از كنج دیوار مشاهده كنید.
به همین دلیل بود كه نیوتن تصور می‌كرد، نور جریانی از ذرات متحرك كوچك است، نه جریانی از امواج. اما همه دانشمندان با او موافق نبودند. یك هلندی به نام كریستین هویگنس نظریه موجی بودن نور را قبول داشت. او عقیده داشت كه امواج كوچك بسادگی امواج بزرگ خمیده نمی‌شوند و اگر نور از امواج بسیار كوچك تشكیل شده باشد، به هیچ وجه خمیده نخواهد شد! او با نیوتن مخالف بود، هر چند كه بسیاری عقیده داشتند كه نیوتن بزرگترین دانشمند جهان است.

با این حال ، حتی ممكن است بزرگترین دانشمند جهان هم دچار اشتباه شود. شخصی به نام یانگ این مشكل را حل كرد. او در كار طبابت و تنظیم دایرة المعارف بریتانیكا استاد بود و ختی نوشته‌های مصریان را برای نخستین بار ترجمه كرد. با این وجود علاقه بسیاری به آزمایشهای مربوط به نور داشت. یانگ صوت را مطالعه كرد و فهمید هنگامی كه دو صدا به هم می‌رسد، از هم می‌گذرند.

گاهی اوقات یك صدا ، صدای دیگر را كاملا حذف می‌كند. اما اگر موجهای صدا طولهای متفاوتی داشته باشند، موج بلندتر از موج كوتاهتر جلو می‌افتد و برای مدتی ، صدا بلندتر از حالت عادی خواهد شد، اما مدتی بعد سكوت برقرار می‌شود و این امر پی در پی ادامه خواهد داشت. اگر نور جریانی از ذرات باشد، این وضع پیش نمی‌آید، زیرا یك ذره نمی‌تواند دیگری را حذف كند. در سال 1801 میلادی ، یانگ با فرستادن یك باریكه نور از دو شكاف باریك متفاوت بسیار نزدیك به هم آزمایشی انجام داد.



آزمایش دو شكاف یانگ

در این آزمایش دو باریكه نور خارج شده از شكافها ، ابتدا اندكی پخش می‌شدند و هنگامی كه به دیوار می‌رسیدند، بر هم می‌افتادند. ممكن است تصور كنید كه در جایی كه دو باریكه نور بر هم می‌افتند، نور بیشتری وجود خواهد داشت و بنابراین دیوار روشنتر از جاهایی خواهد بود كه باریكه بر هم نیفتاده‌اند، اما به هیچ وجه چنین نیست. در جاهایی كه دو باریكه بر هم می‌افتند، نوارهای روشن و تاریك متناوبی ایجاد می‌شود.

باریكه‌های نور در نقاطی همدیگر را حذف می‌كنند و در نقاطی دیگر بر هم اضافه می‌شوند و این عمل بصورت متناوب و درست همانند صوتهای موسیقی و تغییرات آنها صورت می‌گیرد. هنگامی كه دو باریكه نور همدیگر را حذف می‌كنند، می گوییم كه باریكه ها با هم تداخل كرده اند، یا اینكه تداخل ایجاد شده است. به این ترتیب نوارهای روشن و تاریك "فریزهای تداخلی" نامیده می‌شوند. با این آزمایش مسأله حل شد و معلوم گردید كه حق با هویگنس است و نیوتن اشتباه می‌كرده است.

طول موج نور

نور از موجهایی بسیار ریز تشكیل شده است. یانگ از روی پهنای فریزهای تداخلی توانست طول یك موج نور را محاسبه كند. این طول را طول موج می‌نامند. با این محاسبه معلوم شد كه طول موج نور حدود 20000/1 سانتیمتر است. البته همه امواج نور دارای طول یكسانی نیستند. نور سرخ بلندترین طول موج را دارد و نور بنفش كوتاهترین طول موج را دارا است. هر قدر طول موج كوتاهتر باشد، نور بیشتر شكسته می‌شود و به همین دلیل است كه منشور رنگها را از هم جدا می‌كند.

 





نوع مطلب :
برچسب ها :
لینک های مرتبط :


سه شنبه 17 مرداد 1396 11:51 ق.ظ
Hi, Neat post. There is a problem with your website in web explorer, could test this?
IE nonetheless is the marketplace leader and a good part of people will pass over your fantastic writing
due to this problem.
دوشنبه 16 مرداد 1396 11:50 ب.ظ
I like the helpful info you supply to your articles.
I will bookmark your blog and test once more right here regularly.
I am quite certain I will be informed a lot of new stuff proper here!
Good luck for the following!
دوشنبه 16 مرداد 1396 01:12 ب.ظ
Everything is very open with a very clear explanation of the issues.

It was definitely informative. Your website is very helpful.
Many thanks for sharing!
جمعه 13 مرداد 1396 07:20 ب.ظ
Very energetic blog, I liked that bit. Will there be a part 2?
شنبه 7 مرداد 1396 08:34 ق.ظ
With havin so much content and articles do you ever run into any problems of plagorism or copyright infringement?

My blog has a lot of exclusive content I've either authored
myself or outsourced but it seems a lot of it is popping it up
all over the web without my agreement. Do you know any methods to
help protect against content from being stolen? I'd really appreciate it.
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر


درباره وبلاگ



مدیر وبلاگ : محمد حسین اصغری
جستجو

آمار وبلاگ
کل بازدید :
بازدید امروز :
بازدید دیروز :
بازدید این ماه :
بازدید ماه قبل :
تعداد نویسندگان :
تعداد کل پست ها :
آخرین بازدید :
آخرین بروز رسانی :