طیف از دیدگاه ِ ذره ای (کوانتمی)
از دیدگاه ِ کوانتمی نور از بسته های ِ موجی تشکیل شده که انرژی اش گسسته است.
تصویر ِ یک بسته ی ِ موج:
http://up.avastarco.com/images/lz2g9tmqwc3ophu97y51.gif
این گسستگی رابطه ی ِ جالب و زیبایی با فرکانس ِ بسته ی ِ موج دارد و این رابطه این گونه است:
E=hf
که E انرژی ِ هر بسته ی ِ موج، h یک عدد ِ ثابت (ثابت ِ پلانک: توضیح ِ بیشتر را در ویکی نجوم بخوانید :دی ) و f فرکانس ِ موج ِ مربوط است که در این پست توضیح داده شد.
اگر شما یک پرتو ی ِ تکفام ِ نور با فرکانس ِ f بفرستید این پرتو نمی تواند انرژیی معادل ِ مثلا 14.3hf داشته باشد که h همان ثابت ِ پلانک است. یعنی اگر hf انرژی ِ یک بسته ی ِ موج باشد انرژی ِ کل ِ یک پرتوی ِ نور باید ضریب ِ صحیحی از این عدد (hf ) باشد چون این عدد انرژی ِ یک تک بسته است و دسته پرتوی ِ نور نمی تواند مثلا حاوی ِ 2.3 بسته ی ِ موج باشد!!!
گویی نور واقعا از ذراتی با انرژی ِ ثابت ساخته شده.
به این بسته های ِ موج (یا همان ذرات ِ نور) فوتون می گویند.
حالا یک دسته پرتوی ِ کلی ِ نور را تصور کنید (مثل ِ نور ِ خورشید یا نور ِ ستاره یا نور ِ یک لامپ ِ مهتابی) این پرتو ی ِ نور حاوی ِ تعداد ِ بسیار زیادی از این بسته های ِ انرژی با فرکانسهای ِ مختلف است.
تعبیر ِ طیف در این مورد به مراتب ساده تر و زیبا تر است است:
نموداری را تصور کنید که تعداد ِ هر فوتون را بر حسب ِ انرژی اش به ما بدهد. یعنی بگوید در هر فرکانس ِ خاص چه تعداد فوتون وجود دارد (البته به طور ِ صحیح تر : در هر بازه ی ِ فرکانسی چه تعداد فوتون وجود دارد مثلا از بازه ی ِ فرکانس ِ 5گیگاهرتز تا 5.1 گیگا هرتز 1000 فوتون دریافت می شود). حالا تعداد ِ هر فوتون را ضرب در انرژی اش بکنید. نمودار ِ جدید به ما می گوید که به ازای ِ هر فرکانس ِ خاص چه انرژیی دریافت می شود.
(تعداد ِ فوتون های ِ یک فرکانس ِ خاص ضرب در انرژی ِ یک فوتون در همان فرکانس ِ خاص =کل ِ انرژی در آن فرکانس :دی)
این نمودار، طیف است.
(همان تعریفی که در طیف ِ موجی ارائه شد اما قابل ِ فهم تر)
نتیجه:
در حالت ِ کلی طیف نموداری است که انرژی ِ دریافتی از هر فرکانس را به ما می دهد.
مساحت ِ سطح ِ زیر ِ نمودار ِ طیف، کل ِ انرژی ِ دریافتی را نشان می دهد.
طیف ِ یک لامپ ِ فلوروسنت که به کمک ِ یک لوح ِ فشرده گرفتمش:
http://up.avastarco.com/images/1rx4fbdxde3bq3tctxnk.jpg
طیف ِ لامپ ِ فلورسنت که در در آزمایشگاه اندازه گیری شده:
http://up.avastarco.com/images/70dm0u31nbti0hu5n.png
ــــــــــــــ
پ.ن1: تا اینجا مفهوم ِ طیف باید کاملا جا افتاده باشه اگر نه افتاده بپرسید
پ.ن 2: از پست گذارندگان ِ محترم تقاضا دارم که روند رو رعایت کنید و یک هویی نپرید توی ِ طیف ِ نشری و جذبی و روش های ِ طیف سنجی و کاربرد و ...... می بینید که داریم خیلییییییی آروم پیش میریم. تازه تعریف ِ طیف تموم شده اینا مال ِ آخراست!
پ.ن3:پست ِ بعدی ِ آموزشی (یعنی سوال پرسیدن مجاز و حتی واجبه! و بعد از پرسش و پاسخ و اطمینان از فهم ِ این بخش می ریم سراغ ِ بخش ِ بعدی ) راجع به این خواهد بود که طیف ِ اجسام ِ داغ چه طور شکل می گیرید چون بیشتر ِ سر و کار ِ ما با این طیف خواهد بود (طیف ِ ستارگان و اغلب ِ سحابی ها از این جنس است)
پ.ن4: برای ِ تاکید ِ بیشتر!!!!: سوال بپرسید :پی (اگر جلو رفتیم و سوالی از بخشهای ِ گذشته داشتید باز هم بپرسید! بارها گفته ام و بار ِ دگر می گویم: روح ِ فروم به این پرسش و پاسخ هاست :دی )
طیف ِ اجسام ِ داغ (مقدمه)
بارها و بارها مشاهده شده که اجسام می توانند در طیف ِ الکترومغناطیسی تابش کنند. مثلا آهنی که خیلی داغ است، به رنگ سرخ در می آید. بدن در طیف ِ فروسرخ تابش می کند. ستارگان ِ خیلی خیلی داغ حتی رنگ ِ زرد و سفید دارند و وقتی خیلی داغ می شوند آبی رنگ دیده خواهند شد. به راحتی می توان حدس زد که نوع ِ خاصی از تابش وجود دارد که وابسته به دمای ِ جسم است.
سوال این جاست که چرا جسمی که دما دارد تابش می کند؟
و طیف ِ این تابش چه شکلی است؟
وقتی یک ذره با بار ِ الکتریکی حرکت کند، تابش ِ الکترومغناطیسی ایجاد می شود، کسانی که آنتنهای ِ قدیمی و آنالوگ ِ تلوزیون را دیده باشند می دانند که وقتی در نزدیکی ِ یک آنتن، وسیله ای برقی (مثل ِ سشوار یا مخلوط کن) روشن می کنیم قدری پارازیت روی ِ تصویر دیده خواهد شد. این به خاطر ِ این است که روشن شدن ِ یک وسیله ی ِ برقی یعنی جاری شدن ِ بار درون ِ سیمهای ِ وسیله ی ِ الکتریکی و این یعنی حرکت ِ بار و حرکت ِ بار ِالکتریکی منجر به تابش ِ الکترومغناطیسی خواهد شد که آن تابش هم به نوبه ی ِ خود روی ِ آنتن دریافت و دیده می شود.
اتمها از کنار ِ هم قرار گرفتن ِ بارهای ِ مثبت و منفی ِ الکتریکی تشکیل شده اند. وقتی یک ماده داغ است (دما ی ِ بالایی دارد) به این معنی است که اتمهای ِ این ماده شروع به حرکت کرده اند و دمای ِ بالا هم یعنی حرکت ِ شدید و سریعی دارند و وقتی این اتمها حرکت می کنند یعنی بارهای ِ الکتریکیی که اتمها از آنها تشکیل شده اند حرکت می کنند و این فرایند نهایتا موجب میشود که ماده ی ِ داغ تابش کند. هر چه دما بیشتر باشد چون اتمها حرکت ِ بیشتری دارند، میزان ِ انرژی ِ تابش شده بیشتر است.
تصویر ِ اتم ِ کربن با بارهای ِ مثبت و منفی:
http://up.avastarco.com/images/yterew1yp45ey13k60gr.gif
اما طیف ِ این تابش چگونه است و به چه چیزهایی بستگی دارد؟
یقیناً طیف ِ این تابش به جنس و مشخصات ِ تابشگر بستگی دارد اما می توان مسئله را طوری تغییر داد که طیفی مستقل از مشخصات ِ تابش گر به دست بیاید. راه کار ِ این مرحله جسم ِ سیاه است:
جسم ِ سیاه یک محفظه ی ِ نسبتا بزرگ و تو خالی است و هر نوری که از بیرون به درونش می رسد را جذب می کند.
تصویر ِ شماتیک از جسم ِ سیاه (به نوری که داخل شده توجه کنید، آنقدر به دیواره ها برخورد می کند تا کاملا جذب شود) :
http://up.avastarco.com/images/vj71qzp0jtllt0ue5.gif
وقتی این محفظه در دمای ِ مثلا 1000 درجه باشد دیواره ها به دلایلی که گفتم شروع به تابش ِ الکترومغناطیسی خواهند کرد. تابش ِ الکترومغناطیسی ِ درون ِ محفظه نهایتا با دیواره ها به تعادل می رسد به این معنی که اگر تابش بیش از حد زیاد باشد، دیواره های ِ محفظه شروع به جذب ِ انرژی ِ تابش کرده و دمایشان بالا میرود، اگر تابش ِ درون ِ محفظه کم باشد ، دیواره ها آنقدر تابش می کنند تا نهایتا تابش به میزان ِ تعادل برسد.
وقتی تابش و محفظه به وضعیت ِ تعادل رسیدند می توان با ایجاد ِ یک سوراخ ِ کوچک روی ِ یکی از دیواره ها تابش ِ درون ِ محفظه را مشاهده کرد (کوچک بودن ِ سوراخ به این دلیل است که تابش ِ کمی خارج شود تا تعادل ِ درون ِ محفظه به هم نخورد). حالا طیف ِ این تابش هیچ بستگیی به شکل و جنس ِ محفظه ندارد. (درک ِ چرایی ِ این نکته نیاز به توضیح ِ اضافی دارد و بدیهی نیست! در صورت ِ درخواست، توضیح ارائه می شود!! :دی )
توی ِ پرانتز : می توانید در متن ِ بالا به جای ِ "تابش" ، "فوتون های ِ آزاد شده" قرار دهید و دوباره بخوانید :پی
پرانتز بسته
یک جسم ِ سیاه ِ آزمایشگاهی :
http://up.avastarco.com/images/5rf36q9lvb5kjcfgdxpv.jpg
به این طیف ِ به دست آمده که مستقل از جنس و شکل ِ جسم ِ سیاه است، طیف ِ تابش ِ جسم ِ سیاه یا منحنی ِ پلانک می گویند (به افتخار ِ ماکس پلانک نام گذاری شده که اولین بار این منحنی را محاسبه و به دست آورد) و شکلش شبیه ِ شکل ِ زیر است:
http://up.avastarco.com/images/2qjcgc2ieeetxre0r2zr.jpg
این طیف ِ تابش ِ چهار جسم ِ سیاه در دمای ِ 1500 3000 4000 و 5000 درجه ی ِ کلوین است بر حسب ِ فرکانس (هرتز) (تابش ِ قویتر مربوط به دمای ِ بالاتر است)
نکات ِ مربوط به این طیف (قانون ِ وین، قانون ِ بولتزمان و ...) موضوع ِ پست ِ آموزشی ِ بعد خواهد بود!
ـــــــــــــــــــــــــ ــــــ
خودمونی نوشت: وقتی ظهر در هوای ِ آزاد هستید و از فاصله ی ِ نسبتا خوبی سعی می کنید داخل ِ خانه رو ببینید (از طریق ِ پنجره یا هر سوراخ ِ دیگه ای) به سختی می تونید داخل ِ خانه رو ببینید و در خیلی از موارد اصلا نمی تونید و فقط سیاهی خواهید دید!!! دلیل ِ این امر اینه که خونه تقریبا جسم ِ سیاه حساب می شه و تابشی که درونش میره همون جا جذب می شه و تابشی که از توش بیرون میاد این قدر کمه که می شه ازش صرف ِ نظر کرد و تقریبا جسم ِسیاه فرضش کرد!!!!
پی نوشت ِ تاریخی: طیف ِ جسم ِسیاه رو میشه از طریقِ ریاضی پیش بینی کرد. وقتی دانشمندان با فرض های ِ فیزیک ِ غیر ِ کوانتمی این طیف رو پیش بینی کردند ، اون رو کاملا متفاوت از طیفی دیدند که در آزمایشگاه اندازه گیری می شد. پلانک تونست با فرض ِ این که نوسان گرهای ِ اتمی به صورت ِ کوانتمی و گسسته تابش می کنند، طیف ِ درست رو به صورت ِ ریاضی استخراج کنه. پلانک فرض کرد اگر نوسان گری درون ِ ماده با فرکانس ِ f تابش می کنه انرژی ِ تابشش hf هستش که h یک عدد ِ ثابته که بعدها به افتخار ِ دستاورد ِ بزرگ ِ پلانک این ثابت رو ثابت ِ پلانک نامیدند. اینجا اولین جایی در تاریخ ِ بشریت بود که جرقه های ِ مکانیک ِ کوانتمی به طور ِ جدی زده شد و نیاز به یک فیزیک ِ جدید قویا احساس شد.