تداخل و پراش، رنگ‌های عجیب طبیعت

پر طاووس

تا به حال از نزدیک به بال‌های یک پروانه یا یک پر طاووس دقت کرده‌اید؟ اگر از نزدیک آن‌ها را نگاه کنید و کمی حرکت دهید، متوجه تغییر رنگ در آن‌ها می‌شوید. این رنگ‌های زیبا از کجا آمده؟ یا برای مثال دیسک نوری (CD) به صورت طیفی از همه‌ی رنگ‌ها دیده می‌شود. چرا سی‌دی به این صورت است و نور را تجزیه می‌کند؟ به نظر سطح صافی دارد! پس چرا این اتفاق می‌افتد؟

طرح کلی پراش و آزمایش دو‌شکاف یانگ

با دانشی که هم اکنون داریم، می‌دانیم که نور در بعضی مواقع خاصیت موجی دارد ولی در بعضی جا‌ها خاصیت ذره‌ای از خود نشان می‌دهد. این مسئله به دوگانگی موجی-ذره‌ای معروف است.

یکی از معروف‌ترین آزمایش‌هایی که برای نشان‌دادن خاصیت موجی نور از آن استفاده می‌شود، به این صورت است که اگر شکافی داشته باشیم که به اندازه‌ی کافی باریک باشد و به آن نور بتابانیم، شکاف مانند یک فرستنده‌ی نور عمل می‌کند. این پدیده به پراش (Diffraction) معروف است. این اتفاق نه تنها برای نور، بلکه برای هر موج دیگری نیز اتفاق می‌افتد. برای مثال با پرتاب کردن سنگی درون آب و قرار دادن یک شکاف در مقابل موج تولید شده، به سادگی می‌توان این را مشاهده کرد. این موج پراشیده‌شده، مانند یک منبع نور نقطه‌ای عمل می‌کند.

 با قرار‌دادن «دو شکاف» دیگر در مقابل آن، می‌توان گفت که هر شکاف مانند یک منبع نور نقطه‌ای عمل می‌کند. پس انتظاری که داریم این است که بر روی دیوار، طرح‌های تداخلی ببینیم. البته باید هر یک از شکاف‌ها به اندازه‌ی کافی کوچک باشد (خیلی کوچک‌تر از طول موج پرتو!). در این مورد جلوتر بیشتر توضیح می‌دهیم. این پدیده به آزمایش دو‌شکاف یانگ معروف است.

طرح کلی آزمایش دو شکافی یانگ
طرح کلی آزمایش دو شکافی یانگ

وقتی موج‌های دو منبع نقطه‌ای تولید شده با هم برخورد می‌کنند، در بعضی جاها باعث می‌شوند تا همدیگر را خنثی کنند (تداخل ویرانگر) و در بعضی جا‌ها همدیگر را تشدید کنند (تداخل سازنده). می‌توانید این پدیده را با هر موج دیگری، مانند موج صوتی (با قرار دادن دو بلندگوی هم فرکانس و یا … ) آزمایش کنید.

محاسبات نشان می‌دهند که فاصله‌ی فریز‌ها (طرح‌های تاریک و روشن تداخلی) به فرکانس موج تابیده‌شده ربط دارد.

پراش نور، به ترتیب در یک شکاف و دو شکاف
پراش نور، به ترتیب در یک شکاف و دو شکاف

با انجام این آزمایش انتظار داریم که  اگر از «یک شکاف» استفاده کنیم، طرحی به صورت یک طیف ساده ببینیم؛ یعنی در وسط شدت نور بیشتر باشد و با رفتن به اطراف، شدت کمتر شود.

 

اما اتفاقی که می‌افتد با این متفاوت است. در واقع اگر شکافی که داریم خیلی از طول موج نور کوچک‌تر نباشد، باز هم طرح‌های تداخلی مشاهده می‌کنیم! اما اینبار چه اتفاقی افتاد؟!

پراش تک‌شکافی

پراش نور تک‌شکافی
این تصویر مربوط به پراش نور تک‌شکافی است. در نگاه اول طرحی به صورت یک طیف ساده دیده می‌شود، ولی با دقت بیشتر متوجه می‌شویم که باز هم تداخل رخ داده است و فریز‌ها مشاهده می‌شوند.

در پراش نور تک‌شکافی، اگر اندازه‌ی شکاف در حدود اندازه‌ی طول موج باشد، می‌توان گفت که هر کدام از لبه‌های شکاف مانند یک فرستنده عمل می‌کنند. پس اکنون این دو لبه‌ی شکاف هستند که با هم تداخل می‌کنند و این طرح را پدید می‌آورند! در مواقعی که شکاف به اندازه‌ی قابل قبولی از طول موج نور کوچک‌تر باشد، دو لبه‌ی شکاف خیلی به هم نزدیکند و طرح‌های تداخلی قابل مشاهده با چشم نیستند؛ یعنی همانطور که انتظار داشتیم، به صورت طیف دیده می‌شود (البته همانطور که گفتیم، فقط در شکاف‌های خیلی خیلی کوچک!!). البته که به معنای این نیست باز‌هم فریز‌ها وجود ندارند؛ بلکه آنقدر به هم نزدیک و باریکند که به صورت پیوسته دیده می‌شوند.

 

پراش نور در لبه‌های تیز
پراش نور در لبه‌های تیز

نه تنها لبه‌های یک شکاف، بلکه هر لبه‌ی تیز، خود مانند یک فرستنده‌ی نور عمل می‌کند و نوری که به آن برخورد می‌کند پراشیده می‌شود.

این لبه‌ی تیز هر چیزی می‌تواند باشد؛ برای مثال اگر به یک تیغ معمولی نور بتابانیم، در اطراف آن می‌توان فریز‌ها را مشاهده کرد. پرتو‌های نور با برخورد به این لبه‌ها، پراشیده می‌شوند. همچنین در آزمایش‌های دیگری همانند این هم می‌توان پراش را دید؛ مثلا با تاباندن پرتو‌ی نور لیزر به یک تار مو، یا استفاده از یک سوراخ دایره‌ای شکل در صفحه و یا هر چیز دیگری که دارای لبه‌های به اندازه‌ی کافی تیز و به هم نزدیک باشد.

پراش نور در لبه‌های تیغ
پراش نور در لبه‌های تیغ

البته باید نکاتی را رعایت کنیم؛ مثلا پرتو‌هایی که می‌تابند تقریبا به صورت موازی باشند (از یک منبع نور نقطه‌ای نزدیک تابیده نشده باشند) و اینکه بهتر است نور تکفام باشد (فقط از یک موج با یک فرکانس تشکیل شده باشد و دارای نور با فرکانس‌های متعدد نباشد)

 

خال روشن فرنل

پراش نور در اطراف یک دیسک
پراش نور در اطراف یک دیسک

برای مثال در اینجا تصویری از پراش نور در اطراف یک شئ دایره‌ای (مانند دیسک یا گوی) را مشاهده می‌کنید. چیزی که شاید با کمی دقت توجه شما را جلب کند، این است که چرا در وسط این سایه، یک نقطه‌ی کوچک روشن دیده می‌شود؟

دلیل این پدیده این است که مرکز سایه از لبه‌های دیسک به یک فاصله است، اما چه ربطی دارد؟!

پرتو‌های نوری که از لبه‌ها پراشیده می‌شوند و به وسط سایه می‌رسند، همگی یک مسیر برابر را طی کرده‌اند و بنابراین با هم هم‌فاز هستند. پس در اینجا حتما با هم تداخل سازنده دارند و نقطه‌ای در وسط تصویر به صورت روشن دیده می‌شود. این آزمایش به نام خال روشن فرنل معروف است. (البته نام‌های دیگری هم دارد!)

 

پراش در اطراف ما

تصویری از سطح CD از نزدیک
تصویری از سطح CD از نزدیک

احتمالا اکنون می‌توانید دلیل رنگی دیده‌شدن سطح یک دیسک نوری (CD) را متوجه شوید. سطح سی‌دی آنطور که به نظر می‌رسد صاف نیست و دارای پستی و بلندی‌های ریزی است. در واقع طرز کار سی‌دی همین است. وقتی یک لیزر به سطح سی‌دی تابیده می‌شود، با زاویه‌های مختلف بازتاب می‌شود و اینگونه اطلاعاتی که به این صورت در سی‌دی رمزنگاری و ذخیره‌شده را می‌خوانند. اندازه‌ی این پستی و بلندی‌ها به قدری کوچک است که نور با تابیده شدن به آن پراشیده می‌شود. نور سفید مخلوطی از همه‌ی رنگ‌هاست. این رنگ‌ها با زاویه‌های مختلفی پراشیده می‌شوند و تداخل آن‌ها به صورت طیفی از همه‌ی رنگ‌ها دیده می‌شود.

نکته‌ی جالب دیگری هم وجود دارد و آن‌هم میکروسکوپ الکترونی است! این میکروسکوپ‌ها برخلاف میکروسکوپ‌های نوری، از الکترون استفاده می‌کنند (و ما می‌دانیم که هر چیزی، حتی الکترون خاصیت موجی-ذره‌ای دارد!!!). اگر شیئی که می‌خوهیم با میکروسکوپ ببینیم خیلی کوچک باشد، در میکروسکوپ نوری تصویری که مشاهده می‌شود بسیار ناواضح است؛ چون نور با برخورد به ناصافی‌های سطح جسم پراشیده می‌شود. الکترون به دلیل جرم بیشتر، فرکانس خیلی بالاتری دارد و برای اینکار مناسب‌تر است (همانطور که گفتیم، پراش با فرکانس رابطه دارد.)

پراش در بال‌های یک پروانه
پراش در بال‌های یک پروانه

پدیده‌هایی که در فیزیک می‌شناسیم، به صورت‌های مختلف در طبیعت دیده می‌شوند. اگر یک پروانه دیدید، اینبار با دقت بیشتری به رنگ بال‌هایش نگاه کنید. با حرکت دادن سر خود می‌توانید ببینید که این رنگ‌ها کمی تغییر می‌کنند. این تغییر رنگ در موجودات دیگری هم دیده می‌شود؛ مانند پر‌های بعضی پرندگان مانند طاووس. هر دوی این‌ها از پرز‌های بسیار کوچکی تشکیل شده‌اند. هر کدام از این پرز‌ها به دلیل اندازه‌ی کوچک خود، نور سفید رنگی که به آن‌ها برخورد می‌کند را پراشیده می‌کنند و با تداخل رنگ‌های مختلف به این صورت دیده می‌شوند.

 

 

منابع:

محمد کاظمی

نویسنده: محمد کاظمی

۱۶ ساله، دانش‌آموز دبیرستان علامه حلی. علاقه‌مندی‌هایی که دارم هم فیزیک، الکترونیک، برنامه‌نویسی، ریاضی و ... (و البته خیلی چیز‌های دیگه که جا نمیشه!)

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *