فرهنگ نجوم/مقاله/نور

حرکت تقدیمی

نور

اختروش ها

فرهنگ نجوم

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

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 ذرهٔ 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 سازندهٔ 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 $c=3\times 10^{8}m/s$ متر بر ثانیه حرکت می‌کنند. برای آسانی این عدد را با حرف c نمایش خواهیم داد. $c=3\times 10^{8}m/s$

طول موج، فرکانس

طول موج یک موج فاصلهٔ بین دو قلهٔ آن است. فرکانس تعداد موج‌هایی است که در یک ثانیه از یک نقطه می‌گذرند. برای مثال اگر در ساحل دریا بایستید و طی ۱۰ ثانیه موج‌ها را بشمارید، اگر ببینید طی ۱۰ ثانیه ۱۵ موج به ساحل می‌رسند، فرکانس امواج دریا ${\frac {15}{10}}=1.5{\tfrac {1}{s}}$ 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:

$\mathbf {v} =\lambda \cdot \nu$

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:

$\lambda ={\frac {\mathbf {c} }{\nu }}$

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 ۳۰۰۰ هرتز صحبت کردم شما به آسانی می‌توانید طول موج آن را با استفاده از رابطهٔ 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 موج‌های مختلف امواج الکترومغناطیس طیف الکترومغناطیس گفته می‌شود. چشم ما فقط طول موج‌های بین ۷۰۰ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر را می‎تواند ببینید (هر نانومتر 10_-9 متر است). یعنی طول موج رنگ آبی ۴۰۰ نانومتر و طول موج رنگ سرخ ۷۰۰ نانومتر است. تمام رنگ‌هایی که می‌بینیم بین این دو قرار دارند.

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

$\mathbf {E} =\mathbf {h} \times \mathbf {\nu }$

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

$\mathbf {E} ={\frac {\mathbf {h} \mathbf {c} }{\lambda }}$

h یک عدد ثابت، معروف به ثابت پلانک است:

$\mathbf {h} =6.62\times 10^{-}32J.s$

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 ادامهٔ حیات واجب است، چراکه مانع از نفوذ پرتوهای پرانرژی و خطرناک ایکس و گاما می‌شود.

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 همهٔ 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 ۳۰۰ کلوین (کلوین واحد اندازه‌گیری دماست. ۰ کلوین برابر -۲۷۳ درجهٔ 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 ۶۰۰۰ 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 ۶۰۰۰ 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 رابطهٔ بین مقدار کل انرژی ای را که یک جسم از خود تابش می‌کند و دما بیان می‌کند:

$\phi =\sigma T^{4}$

φ مقدار انرژی ای است که در هر ثانیه از ۱ متر مربع از سطح جسمی در دمای T (به کلوین) به فضا گسیل می‎شود. σ یک عدد ثابت معروف به ثابت استفان-بولتزمن است:

$\sigma =5.6705\times 10^{-8}W/m^{2}K^{4}$

از رابطهٔ 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 هیچ‌کدام 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 ۲٫۷۴ کلوین است. آیا می‌دانید چرا جهان ما می‌تابد؟ به این «تابش پس زمینهٔ کیهانی» می‌گوییم.