موج الکترومغناطیس تک فام

امواج تک فام یا به عبارتی Monochromatic Wave  به امواجی گفته می‌شوند که دارای تک فرکانس و به عبارت دیگر تک طول موج می‌باشند.
امواج تک فام دارای کاربردهای گسترده در عملیات‌‌های مشخصه یابی نظیر پراش پرتو ایکس می‌باشد. نور یکی از انواع امواج الکترومغناطیس می‌باشد که مفهوم تک فام برای آن نیز قابل تعریف می‌باشد که در صفحه نور تک فام به آن پرداخته شده است؛ از مشخصه‌های این موج ثابت بودن فاز و دامنه در فرمول تابع آن می‌باشد که در ادامه بیشتر به آن پرداخته خواهد شد.

مقدمه
امواج تک فام امواجی هستند با یک فرکانس واحد انتشار می‌یابند؛ این امواج می‌توانند در قالب نور، صوت و یا دگر اشکال باشند. امواج تک فام همچنین به امواج خالص نیز معروف می‌باشند که دلیل نداشتن فرکانس و طول موج‌های مختلف در آن می‌باشد همچنین دلیل دیگر آن را می‌توان به دارا بودن نظم بلند دامنه و نداشتن هرگونه اعوجاج در آنها نیز دانست. 

تک فرکانس بودن در این امواج به معنی می‌باشد که تمام نوسانات در یک سرعت ثابت رخ می‌دهد. نام دیگر که برای این امواج در نظر گرفته شده‌است امواج منسجم و همسو یا coherent می‌باشند؛ که این به معنای این است که در نقاط مختلف موج روابط فازی ثابت برقرار می‌باشد.

تاریخچه 
اینگونه پنداشته می‌شود که مطالعه مستقیم بر روی موضوع فوق تاریخچه محدود به یک قرن اخیر دارد اما مطالعاتی که باعث پدید آمدن و برقرار شدن نظریه‌های مربوط به آن می‌باشد بیش از چندین قرن توسط دانشمندان گوناگون مورد بحث و مطالع قرار گرفته است؛ در ادامه بیشتر به این موضوع پرداخته خواهد شد:
آیزاک نیوتون در قرن 17 میلادی درباره نور و منشورها تحقیقاتی را انجام داد و در تحقیقات خود به این نتیجه رسید که رنگ سفید می‌تواند به گستره‌ای از رنگ‌ها تبدیل شود. تحقیقات او موجب شد که این مسئله که نور از گستره‌ای از طول موج‌های متفاوت که هرکدام بیانگر یک رنگ خاص می‌باشند، مطرح گردد.
در اوایل قرن 19 میلادی توماس یانگ بوسیله آزمایش مشهور خود که به آزمایش دوشکاف معروف است؛ موضوع موجی بودن ماهیت نور را اثبات نمود.
جیمز کلرک ماکسول در میانه قرن 19 میلادی یکسری از روابط را بدست آورد که در آن به توصیف قوانین پیرامون الکتریسته و مغناطیس پرداخت و براساس روابطی که اون تعریف کرد شناخت و بررسی امواج الکترومغناطیس چند فام و تک فام سرعت گرفت.
هاینریش هرتز براساس قوانین و نظریات ماکسول آزمایشاتی را طراحی نمود و با انجام آنها موفق شد امواج الکترومغناطیس تک فام را شناسایی کند.
در قرن 20 میلادی دانشمندان متعددی روی مسئله موج متمرکز شدند و با ورود فیزیک کوانتوم و معادلات برقرار در آن شناخت در این حوزه سرعت گرفت و مفهوم امواج تک فام بهتر و کاملتر تعریف شد و کاربردی شدن در آن رخ داد؛ به طوریکه که یکی از پارامترهایی که از آن برای سیستم‌های مختلف بهره گرفته می‌شود، امواج تک فام می‌باشد 
.

روابط و فرمول‌های امواج تک فام
به منظور تعریف معادله موجود در بحث امواج تک فام باید ابتدا به بحث کلی با موضوع معادله موج پرداخته شود:
این معادله که به شکل Ψ=sin⁡(kx-ωt) می‌باشد در آن ω فرکانس زاویه، k عدد موج، Ψ تابع موج می‌باشند. بررسی انتشار امواج هارمونیک پرداخته می‌شود و در آن حالت ذره بیان می‌شود به عبارتی مکان در سه بعد و زمان حضور را بیان می‌کند. قدر مطلق توان دوم این تابع بیان کننده احتمال حضور را بیان خواهد کرد.
تابع موج به طور کلی برای ترکیب چند موج بیان می‌گردد به طوریکه اگر به عنوان مثال Ψ=sin⁡(kx-ωt) معادله 1 و 
Ψ=sin⁡((k+∆k)x-(ω+∆ω)t) معادله 2 نامیده می‌شود معادله نهایی از ترکیب این دو معادله بدست خواهد آمد و به شکل 
Ψ=2 cos⁡(∆ω/2 t-∆k/2 x ).sin⁡((k+∆k/2)x+(ω+∆ω/2)t) خواهد بود.
حال با توجه به معادله‌های مطرح شده اگر دو مقدار ω∆ و k∆ به صفر میل کنند معادله‌ای که حاصل می‌شود معادله برقرار برای امواج تک فام می‌باشد به عبارت دیگر همانطور که در بخش‌های قبل توضیح داده شد در امواج تک فام فقط یک طول موج و یک فرکانس برقرار می‌باشد و این به معنای این است که تغییرات در فرکانس زاویه‌ای و عدد موج برای آن معنایی نخواهد داشت.
معدله برقرار در امواج تک فام به شکل رو‌به‌رو می‌باشد: Ψ=2.sin⁡(kx+ωt)

کاربرد
گستره کاربردی امواج تک فام بسیار بالاست و این به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد این امواج می‌باشد که در ادامه به برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن پرداخته می‌شود:

اپتیک 
امواج تک فام یکی از مورد توجه‌ترین مفاهیم در علم فیزیک و اپتیک می‌باشد که از این امواح در لیزرها برای فرآیند ساخت مواد مختلف، بررسی ساختار مواد یا درمان بیماری‌ها استفاده می‌شود.

ارتباطات
امواج تک فام در اشکال متفاوتی در ارتباطات به کارگرفته‌شده‌اند که از جمله آنها می‌توان به ارتباط بی‌سیماشاره کرد که در آن نیاز به فرکانس‌های مشخصی برای ارسال اطلاعات می‌باشد و امواج تک‌فام این ویژگی را دارا می‌باشند. همینطور می‌توان به فرآیندهای ارتباط از راه دور اشاره کرد؛ کاربردی بودن در دستگاه‌های دیگری نظیر رادار و لیدارها نیز موجود است.

طیف سنجی
در فرآیندهای طیف سنجی نیاز به یک موج با مشخصات مشخص و ثابت می‌باشد که به سمت ماده موردنظر ساطع گردد و با بررسی موج برگشتی درباره ماده اطلاعات بدست آید. امواج تک فام به دلیل داشتن مشخصات واحد و تک فرکانس بودن بررسی ساده‌تری را برای آنالیزها فراهم می‌آورد؛ به همین دلیل امروزه در بسیاری از فرآیندهای طیف‌سنجی از این امواج استفاده می‌گردد.

مکانیک کوانتوم
بررسی خواص موجی-ذره‌ای الکترون‌ها و باقی ذرات زیر اتمی همواره از اهداف این علم می‌باشد، باتوجه به معادله شرودینگر و باقی معادلات برقرار در این علم امواج تک فام یکی از پایه‌ای ترین مفاهیم برای بررسی رفتار موجی-ذره‌ای می‌باشند به همین دلیل در پیشرفت در مکانیک کوانتوم بسیار کمک کننده است.

منابع