نور

نور مرئی یا نور یا رُوشَنی یا شید (به انگلیسی: Light)، یک تابش الکترومغناطیسی (به انگلیسی: Electromagnetic) و حاوی فوتون (به انگلیسی: Photon) است که با چشم انسان و دیگر موجودات، دیده می‌شود. نور مرئی با طول‌موجی از حدود ۳۸۰ تا حدود ۷۴۰ نانومتر در بین دو نور نامرئی فروسرخ (به انگلیسی: Infrared) که در طول‌موج‌های بلندتر و فرابنفش (به انگلیسی: Ultraviolet) که با طول‌موج‌های کوتاه‌تر یافت می‌شود، قرار دارد.
نظریه جیمز کلارک ماکسول(به انگلیسی: James Clerk Maxwell) دربارهٔ انتشار الکترومغناطیس و نور بحث می‌کند در حالیکه نظریه کوانتومی برهم‌کنشِ نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌دهد، از آمیختن این دو نظریه، نظریه جامعی که الکترودینامیک کوانتومی نام دارد، شکل می‌گیرد.
نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می‌کنند بنابراین می‌توان منصفانه فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز، کم‌وبیش در چارچوبِ ریاضی جوابگوست. سرشت نور کاملاً شناخته شده‌است اما در مورد واقعیت نور هم‌چنان پرسش وجود دارد.
۱)تئوری نیوتن:
نور را به صورت خطّ مستقیم تصور می‌کرد و برآن انعکاس قائل بود.
با استفاده از این تئوری مسائل مربوط به آیینه‌ها، عدسی‌ها، منشور و دیگر مسائل را حل می‌کنیم.
۲)تئوری هویگنس:
نور را موج تصوّر می‌کرد و به خوبی می‌توانست مسائل مربوط به طول موج مثل رنگ نور را توجیه کند.
با استفاده از این تئوری، مسائل مربوط به آزمایش یانگ، پدیدهٔ پر اش و از این قبیل را حل می‌کنیم.
۳)تئوری پلانک:
نور را تشکیل شده از بسته‌های ریزی به نام فوتون می‌دانست.
بااستفاده از این نظریه مسائل فیزیک مدرن را حل می‌کنیم.

دربارهٔ واژگان

در زبان پارسی دربارهٔ مفهوم نور برابرهای گوناگونی آورده شده‌است. همچون «شید»، «روشنی» و «فروغ». واژه «روشنی» برگرفته از واژهٔ «روشنیه» (به پارسی میانه: rōšnīh) که همریشه با واژگان «روْشِن»
(به سورانی: ڕۆشن، rošin)
در کردی سورانی، «روژنا» در بلوچی و «رَئوْخْشْنَه» (به اوستایی: 𐬭𐬀𐬊𐬑𐬱𐬥𐬀، raoxšna) در اوستایی است. این واژه از ریشه نیا-هندو-اروپایی *lewk- (نور و روشنی) است. واژه «شید» برگرفته از واژه «شید» (به پارسی میانه: šēd) که از ریشه احتمالی نیا-ایرانی *xšaytah (درخشش، روشنی) همریشه با واژگان «خْشَئِتَه» (به اوستایی: 𐬑𐬱𐬀𐬉𐬙𐬀، xšaēta) در اوستایی و «آخْشِت» (به ارمنی: աշխէտ، ašxēt) است. واژه «فروغ» برگرفته از واژه «پیروگ» (به پارسی میانه: payrōg) است.

سرعت نور

سرعت نور در خلاء دقیقاً ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه است. چون هم‌اکنون در دستگاه SI از یکای(به انگلیسی: Units of measurement) متر استفاده می‌شود، سرعت دقیق نور نیز با یکای متر تعریف شده‌است. در گذشته، فیزیک‌دانان بسیاری تلاش کردند تا سرعت نور را بدست آورند که از میان آنان می‌توان به گالیلئو گالیله(به ایتالیایی: Galileo Galilei) اشاره کرد که در قرن ۱۷ میلادی برای بدست آوردن سرعت نور تلاش کرد.
همچنین اوله رومر(به دانمارکی: Ole Rømer)، فیزیکدان دانمارکی در سال ۱۶۷۶ آزمایشی طراحی کرد تا با کمک یک تلسکوپ(به انگلیسی: Telescope) بتواند سرعت نور را اندازه‌گیری کند. وی گردش سیارهٔ مشتری و یکی از ماه‌های آن آیو(به انگلیسی: Io) را زیر نظر گرفت. او محاسبه کرد که ۲۲ دقیقه طول می‌کشد تا نور، قطر مدار زمین را بپیماید. شوربختانه در آن زمان داده‌ها کافی نبود؛ اگر رومه قطر مدار زمین را داشت، سرعتی که برای نور می‌توانست بدست آورد ۲۲۷٬۰۰۰٬۰۰۰ متر بر ثانیه می‌بود.
در سال ۱۸۴۹ از سوی ایپولیت فیزو (به فرانسوی: Hippolyte Fizeau)، اندازه‌گیری دقیق‌تری برای بدست آوردن سرعت نور انجام شد. او پرتوهایی از نور را به سمت آینه‌ای که کیلومترها دورتر بود هدایت کرد. یک چرخ‌دندهٔ در حال گردش نیز در مسیر نور در فاصلهٔ میان منبع تا آینه و مسیر برگشت تا نقطهٔ مبدأ قرار داد. او دریافت که با یک نرخِ مشخصِ گردش، نور می‌تواند در مسیر رفت از میان یکی از فضاهای خالی روی چرخ رد شود و در برگشت از فضای خالی بعدی (سوراخ‌های متوالی) عبور کند. با داشتن فاصلهٔ آینه، تعداد دندانه‌های چرخ و نرخ گردش آن، او توانست سرعت نور را ۳۱۳٬۰۰۰٬۰۰۰ متر بر ثانیه بدست آورد.
لئون فوکو (به فرانسوی: Jean Bernard Léon Foucault) در ۱۸۶۲ با استفاده از آینه‌های در حال چرخش سرعت نور را ۲۹۸٬۰۰۰٬۰۰۰ متر بر ثانیه بدست آورد. آلبرت مایکلسون (به انگلیسی: Albert Abraham Michelson) از ۱۸۷۷ تا زمان مرگش، آزمایش‌های بسیاری را برای بدست آوردن سرعت نور طراحی کرد؛ او بیشتر بر روی آزمایش‌های فوکولت کار کرد و روشِ آینه‌های در گردش را پیش بُرد و تلاش کرد مدتی را که طول می‌کشد تا نور، مسیر رفت و برگشت میان کوه ویلسون تا کوه سن آنتونیو در کالیفرنیا را بپیماید بدست آورَد.
مقدار دقیق سرعت نور ۲۹۹٬۷۹۶٬۰۰۰ متر بر ثانیه است.

گسترهٔ طول‌موجی نور

نور گسترهٔ طول‌موج وسیعی دارد. ناحیهٔ نور مرئی از حدود ۴۰۰ نانومتر(به انگلیسی: Nanometer | nm) و از آبی تا ۷۰۰ نانومتر به قرمز است که در وسط آن طول‌موج ۵۵۵ نانومتر به رنگ زرد، که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیهٔ پیوسته که ناحیهٔ مرئی را در بر می‌گیرد و تا فروسرخِ دور(به انگلیسی: far Infrared) گسترش می‌یابد. خواص نور و نحوه تولید سرعت نور در محیط‌های مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء یا به‌طور تقریبی در هوا است در نانومتر ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته‌است.

در طبیعت طول‌موج‌های مختلفی از نور مشاهده شده امّا مشهورترین آن نور سفید است که یک نور ترکیب شده از سایر طول‌موج هاست. تک طول‌موج‌ها را به‌وسیله لامپ‌های تخلیه الکتریکی که معرفِ طیف‌های اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده، می‌توان تولید کرد.

ماهیت ذره‌ای

ایزاک نیوتن(به انگلیسی: Sir Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای دربارهٔ نور نوشت: پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً نیوتن نور را به این دلیل به صورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند، این امر را قانون می‌نامند و یکی از مانندهای خوب برای توضیح آن، به وجود آمدن سایه است. برخی دیگر از دانشمندان نیز اظهار داشته‌اند که نور از ذرات در ارتعاش شدید تشکیل یافته‌است. نیوتن معتقد بود نور از درون واسطه‌ای به نام اتر(به انگلیسی: Luminiferous aether) گذر می‌کند که غیر مادّی است و دیده نمی‌شود. بر اساس نظریه اتر، فضا(به انگلیسی: Space) آکنده از این واسطه است. هم‌اکنون این نظریه باطل شده‌است و معتبر نیست.

ماهیت موجی

هم‌زمان با نیوتن، کریستیان هویگنس(به هلندی: Christiaan Huygens) (۱۶۹۵–۱۶۲۹ میلادی) طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش می‌شود. هویگنس با به کار بردن امواج اصلی و موجک‌های ثانوی، قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می‌شوند پدیده‌های تداخلی‌اند، مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک یا پراش نور در اطراف مانع، مانند آزمایش دوشکاف.

ماهیت الکترومغناطیس

بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول(به انگلیسی: James Clerk Maxwell) (۱۸۷۹–۱۸۳۱) است که ما امروزه می‌دانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف می‌شود. گستره کامل امواج الکترومغناطیسی شامل: موج رادیویی(به انگلیسی: Radio wave)، تابش فروسرخ(به انگلیسی: Infrared)، نور مرئی(به انگلیسی: Visible light) از قرمز تا بنفش، تابش فرابنفش(به انگلیسی: Ultra Violet)، پرتو ایکس(به انگلیسی: X-ray) و پرتو گاما(به انگلیسی: Gama ray) می‌باشد.

ماهیت کوانتومی نور

طبق نظریه مکانیک کوانتومیِ نور، که در دو دهه اول سده بیستم به وسیله ماکس پلانک(به آلمانی: Max Planck)، آلبرت انیشتین(به آلمانی: Albert Einstein) و نیلز بور(به دانمارکی: Niels Bohr) برای اولین بار پیشنهاد شد. انرژی الکترو مغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترو مغناطیسی به مقدارهای گسسته‌ای به نام فوتون(به انگلیسی: Photon) انجام می‌گیرد. ،  بسامد و  انرژی است.

نظریه مکملی

نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتن و کریستیان هویگنس(به هلندی: Christiaan Huygens) است. بنابرین گفته می‌شود که نور رفتار دوگانه‌ای دارد برخی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش رفتار موجی آن را نشان می‌دهد و برخی دیگر مانند پدیده فتوالکتریک و پدیده کامپتون(به انگلیسی: Compton scattering) با رفتار ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.

فروسرخ

پرتوی فروسرخ یا مادون‌قرمز(به انگلیسی: Infrared) تابشی است الکترومغناطیسی با طول‌موجی طولانی‌تر از نور مرئی اما کوتاه‌تر از تابش ریزموج(به انگلیسی: Microwave). از آنجا که سرخ، رنگِ نور مرئی با درازترین طول‌موج را تشکیل می‌دهد، به این پرتو فروسرخ یعنی پایین‌تر از سرخ می‌گویند. تابش فروسرخ طول‌موجی میان ۷۰۰ نانومتر و ۱ میلی‌متر دارد.

گاما

با توجه به اینکه پرتوی گاما(به انگلیسی: Gamma) دارای تشعشع الکترومغناطیسی است، از این رو فاقد بار و جرم سکون است. پرتوی گاما موجب برهم‌کنش‌های کولنی نمی‌گردد و لذا آن‌ها برخلاف ذرات باردار به‌طور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولاً اشعه گاما تنها یک یا چند برهم‌کنش اتفاقی با الکترون‌ها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب‌کننده احساس می‌کند. در این برهم̊کنش‌ها پرتوی گاما یا به‌طور کامل ناپدید می‌گردد یا انرژی آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن، شدت یک باری که پرتوی گاما به‌طور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد. فروپاشی گاما، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، پرتوی الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما به صورت  است، که در آن  و  به ترتیب نشان دهنده حالت پایهٔ غیر برانگیخته و حالت با انرژی بالاتر است.
قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی  و عدد اتمی  همراه نیست. حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتوی گاما، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه‌گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.

حالت‌های فروپاشی گاما

در این حالت فروپاشی گاما، اشعه گامای منتشر شده به‌وسیله یک هسته از یک فرایند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولاً از ۲ کیلو الکترون ولت تا ۷ میلیون‌الکترون‌ولت است، تک انرژی است. این انرژی‌های گذارها بین حالت‌های کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه است، ولی این انرژی معمولاً نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن صرف‌نظر کرد.

حالت فروپاشی به‌صورت تبدیل داخلی

در این حالت فروپاشی، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته می‌گردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع می‌شود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه، الکترون‌های اوژه، پرتوی ایکس و الکترون‌های تبدیل داخلی است. الکترون‌های تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آن‌ها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی است. با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اوربیتال اتمی می‌شود، در نتیجه فرایندهای نشر پرتوی ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.

حالت فروپاشی به‌صورت جفت

برای گذارهای هسته‌ای با انرژی‌های بزرگ‌تر از ۱٫۰۲ میلیون‌الکترون‌ولت تولید جفت اگر چه غیرمعمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب می‌شود. در این فرایند، انرژی گذرا ابتدا برای به وجود آمدن یک جفت الکترون–پوزیترون و سپس برای دفع آن‌ها از هسته بکار می‌رود. انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و ۱٫۰۲ میلیون‌الکترون‌ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرایند نابود خواهد شد.

رنگ‌های نور

نور در اصل از هزاران رنگ تشکیل شده‌است که هفت رنگ اصلی دارد:قرمز، نارنجی، زرد، سبز، ابی، نیلی، بنفش. رنگ‌های زرد، قرمز، نارنجی حامل انرژی گرمایی هستند. ایزاک نیوتن، این موضوع را با عبور دادن نور از منشور فهمید. او در شیشهٔ پنجره اتاقش سوراخی ایجاد کرد و منشور را با فاصلهٔ یک متری از شیشه قرار داد در نتیجه هفت رنگ نور با فاصلهٔ یک متر از یکدیگر پراکنده شدند و سپس ذره‌بین را در مقابل هر رنگ قرار داد تا متوجه شود که گرمای نور از کجا ایجاد می‌شود.

ماهیت نور سفید

نور سفید آمیزه‌ای از نورهای به رنگ مختلف است. فیلترهای رنگی، به جز یک طول‌موج مخصوص به رنگ خودشان، سایر طول‌موج‌های نور را سد می‌کنند و به این ترتیب از نور سفید، می‌توان نورهای رنگی مختلفی را به‌دست‌آورد.

تولید نور سفید

از ترکیب نورهای اصلی سبز، آبی و قرمز، نور سفید پدید می‌آید که به آن رنگ‌های اصلی گفته می‌شود. از ترکیب دوتایی بعضی نورهای با رنگ فرعی و یکی از نورهای با رنگ اصلی نیز می‌توان نور سفید را تولید کرد. به نور فرعی‌ای که در کنار یکی از نورهای اصلی، نور سفید را بسازد، نور مکمل می‌گویند. برای مثال از آمیختن نورهای آبی و زرد، نور سفید به‌وجود می‌آید، بنابراین، نور زرد مکمل آبی است.

دیدن نور سفید

شبکیه چشم انسان سه گیرنده نوری دارد که هر یک به یکی از نورهای اصلی (سبز، آبی و قرمز) حساس‌تر است. اگر نوری با ترکیبی از این سه رنگ در شدت‌های یکسان وارد چشم انسان شود، گیرنده‌های شبکیه را به یک اندازه تحریک کرده و نور به رنگ سفید دیده می‌شود. اگر یک ناحیه باریک از طول‌موج‌های نور سفید توسط ماده جذب شود، بقیه طول‌موج‌ها از ماده عبور کرده و چشم انسان آن نوری را که دیگر کاملاً سفید نیست، می‌بیند.