فرهنگ نجوم/مقاله/نور

از ویکی‎نسک، کتاب‌خانه آزاد.

من فرض می‌کنم بیشتر خواننده‌های این مقاله‌ها دانش‌آموزان دبیرستانی یا دانشجویان دانشگاه باشند. ولی باز هم سعی می‌کنم تا جای ممکن هر رابطه‌ی فیزیکی را که استفاده می‎‌کنم توضیح دهم.

[ویرایش] نور

تقریبا فقط نور است که از کیهان به زمین می‌رسد. تمامی اطلاعات ما از کیهان* با بررسی نور ستاره‌ها و اجسام دیگر به دست آمده است. پس شناخت نور پایه‌ای ترین بخش اخترشناسی است.

نور هم ویژگی‌ یک ذره را دارد و هم ویژگی یک موج. ویژگی اساسی «ذره» این است که اگر به ذره‎‌ی دیگری برخورد کند به آن ضربه می‌زند؛ مثل دو توپ بیلیارد. اما وقتی یک موج به ذرات می‌رسد رفتارهای دیگری نشان می‌دهد، مثلا وقتی نور از درون منشور عبور می‌کند می‌شکند. اگر نور را به عنوان ذره در نظر بگیریم، به کوچکترین جزء سازنده‌ی آن فتون می‌گوییم. یک فتون می‌تواند به ذرات مادی ریزی مثل الکترون ضربه وارد کند. از دید موجی می‌گوییم نور یک موج الکترومغناطیس است. بدون این که وارد جزئیات شویم یادتان باشد که یک ویژگی اصلی موج‌های الکترومغناطیس این است که در خلأ - جایی که هیچ چیزی نباشد - با سرعت متر بر ثانیه حرکت می‌کنند. برای آسانی این عدد را با حرف c نمایش خواهیم داد.

شرح

شرح

== طول موج، فرکانس ==

طول موج یک موج فاصله‌ی بین دو قله‌ی آن است. فرکانس تعداد موج‌هایی است که در یک ثانیه از یک نقطه می‌گذرند. برای مثال اگر در ساحل دریا بایستید و طی 10 ثانیه موج‌ها را بشمارید، اگر ببینید طی 10 ثانیه 15 موج به ساحل می‌رسند، فرکانس امواج دریا است. واحد اندازه‌گیری طول موج متر، و واحد فرکانس یک بر ثانیه (یا هرتز، Hz) است. بین طول موج، فرکانس و سرعت موج یک رابطه منطقی وجود دارد:

طول موج را با حرف یونانی λ (لامبدا)؛ فرکانس را با حرف ν (نو) و سرعت را با v نمایش می‌دهیم. برای امواج الکترومغناطس v = c، یک عدد ثابت است، پس:

از این رابطه می‌بینیم که هرچه فرکانس نور بیشتر باشد، طول موج آن کوتاه‌تر است و برعکس هرچه فرکانس کمتر باشد، طول موج نو بلندتر است. پس اگر من از این پس درباره نوری با فرکانس 3000 هرتز صحبت کردم شما به آسانی می‌توانید طول موج آن را با استفاده از رابطه‌ی بالا به دست آورید.

طول موج یک موج الکترومغناطیس (نور) می‌تواند هر عددی (بسیار ریز، یا بسیار بزرگ) باشد. مثلا طول موج امواج رادیویی AM چند ده متر و طول موج امواج گاما 10_-12 متر است. به تمام گستره طول موج های مختلف امواج الکترومغناطیس طیف الکترومغناطیس گفته می‌شود. چشم ما فقط طول موج‌های بین 700 نانومتر تا 400 نانومتر را می‎تواند ببینید (هر نانومتر 10_-9 متر است). یعنی طول موج رنگ آبی 400 نانومتر و طول موج رنگ سرخ 700 نانومتر است. تمام رنگ‌هایی که می‌بینیم بین این دو قرار دارند.

گفتیم که نور ویژگی‌های ذره‌ای هم دارد. انرژی یک فتون (ذره‌ی نور) به طول موج نور بستگی دارد:

این رابطه که برحسب فرکانس (ν) نوشته شده است به سادگی به رابطه‌ای بر حسب طول موج تبدیل می‌شود:

h یک عدد ثابت، معروف به ثابت پلانک است:

جو زمین جلوی بسیاری از طول موج‌ها را می‌گیرد، می‌گوییم جو نسبت به آن طول موج‌ها کدر است. در واقع فقط طول موج‌های مرئی و بخشی از امواج رادیویی از جو عبور می‌کنند و از فضا به زمین می‌رسند. این ویژگی جو برای شکل‌گیری و ادامه‌ی حیات واجب است، چراکه مانع از نفوذ پرتوهای پرانرژی و خطرناک ایکس و گاما می‌شود.

[ویرایش] جسم سیاه

ما اغلب اجسام را به خاطر بازتاب نور از آنها می‌بینیم. اما حقیقت این است که اگر جرمی در جایی کاملا تاریک باشد و هیچ نوری به آن نرسد، بازهم نور گسیل می‌کند (از خودش نور می‌دهد). از همین ویژگی در دوربین‌های دید در شب استفاده می‌شود. به این تابش که همه‌ی اجسام به دلیل دمایشان از خود گسیل می‌کنند، تابش جسم سیاه می‌گوییم.

از نظر تئوری یک جسم سیاه چیزی است که در تمام طول موج‌های طیف الکترومغناطیس می‌تابد. اما تجربه نشان می‌دهد که شدت تابش اجسام در طول موج‌های مختلف به دمای آنها بستگی دارد. مثلا دمای بدن ما نزدیک 300 کلوین (کلوین واحد اندازه‌گیری دماست. 0 کلوین برابر -273 درجه‌‎ی سانتیگراد است) است و بیشتر از همه در طول موج‌های فروسرخ می‌تابد (دوربین‌های دید در شب هم به نور فروسرخ حساس اند) و دمای سطح خورشید 6000 کلوین است و به رنگ زرد می‌تابد. به ذوب شدن فلزات دقت کرده‌اید؟ ابتدا سرخ می‌شوند، و با افزایش دما رنگ آنها زرد و سفید می‌گردد. از نظر فیزیکی می‌گوییم یک جسم سیاه در تمام طول موج‌ها می‎تابد، اما شدت تابش آن در طول‌های مختلف متفاوت است. به طول موجی که جسم سیاه بیشترین تابش را در آن طول موج گسیل می‌کند λ_max می‌گوییم. λ_max فقط به دمای جسم بستگی دارد (مثال فلز گداخته را به یاد آورید).

از طرف دیگر مسلم است که نه فقط λ_max خورشید با دمای 6000 کلوین از ما کمتر است (یادتان باشد طول موج کمتر یعنی انرژی بیشتر) بلکه شدت تابش خورشید در دیگر طول موج‌ها هم بارها بیشتر از بدن من و شماست. قانون استفان-بولتزمن رابطه‌ی بین مقدار کل انرژی ای را که یک جسم از خود تابش می‌کند و دما بیان می‌کند:

φ = σT⁴

φ مقدار انرژی ای است که در هر ثانیه از 1 متر مربع از سطح جسمی در دمای T (به کلوین) به فضا گسیل می‎شود. σ یک عدد ثابت معروف به ثابت استفان-بولتزمن است:

از رابطه‌ی استفان-بولتزمن می‌بینیم که هر جسمی در دمای T > 0 تابش گسیل می‎کند. تابش ستاره‌ها، تابش بدن شما و هر چیز دیگری شبیه تابش یک جسم سیاه است. با این که هیچ کدام کاملا یک جسم سیاه نیستند، مثلا طیف یک ستاره کاملا پیوسته نیست (یعنی آن ستاره در تمام طول موج‌ها مطابق جسم سیاه رفتار نمی‌کند). تنها جسم سیاه ایده‌آلی که می‌شناسیم خود جهان است. جهان ما تابشی گسیل می‌کند که مطابق جسم سیاهی در دمای 2.74 کلوین است. آیا می‌دانید چرا جهان ما می‌تابد؟ به این «تابش پیش‌زمینه‌ی کیهانی» می‌گوییم.