تکفام[1]: راز رنگینکمان سفید
نور چیست و تکفام به چه معناست؟
نور شکلی از انرژی است که میتواند در فضا حرکت کند. ما نور خورشید یا نور یک لامپ را به صورت «سفید» میبینیم. اما آیا تا به حال از خود پرسیدهاید که اگر نور سفید را از یک منشور بگذرانیم، چرا رنگینکمان زیبایی ایجاد میشود؟ پاسخ این است که نور سفید، در واقع ترکیبی از رنگهای مختلف است. هر رنگ، مربوط به یک ویژگی فیزیکی خاص نور به نام طولموج[5] یا بسامد[6] است.
نور تکفام، دقیقاً نقطهٔ مقابل نور سفید است. «تک» به معنای یک و «فام» به معنای رنگ است. بنابراین نور تکفام، نوری است که فقط و فقط یک رنگ دارد. اما در فیزیک، این یکرنگی به این معناست که نور از ذراتی به نام فوتون[7] تشکیل شده که همگی طولموج یکسان دارند. به عبارت دیگر، فقط یک بسامد یا رنگ خاص در آن وجود دارد. برای درک بهتر، تفاوت نور تکفام و نور سفید (چندفام[8]) را در جدول زیر مقایسه کنید:
| ویژگی | نور تکفام (تکرنگ) | نور سفید (چندفام) |
|---|---|---|
| تعداد رنگها/طولموجها | فقط یک طولموج خاص (مثلاً 650 nm برای قرمز) | ترکیب پیوستهای از همهٔ طولموجهای مرئی (از قرمز تا بنفش) |
| نمونهٔ مشابه در طبیعت | نور خالص لیزر نشانهگیر، نور سدیم خیابانها (زرد) | نور خورشید در ظهر، نور لامپ رشتهای معمولی |
| عبور از منشور | همچنان یک پرتو با همان رنگ باقی میماند (تغییر جهت میدهد اما تجزیه نمیشود). | به طیف رنگینکمانی کامل تجزیه میشود. |
| رابطهٔ بسامد و طولموج |
$c = \lambda \times f$
در این نور، چون $\lambda$ (طولموج) ثابت است، $f$ (بسامد) نیز ثابت است. |
مجموعهای از $\lambda$ها و $f$های مختلف داریم. |
چگونه نور تکفام تولید و تشخیص دهیم؟
در طبیعت، منابع نوری کاملاً تکفام و ایدهآل نادر هستند، اما دانشمندان روشهای مختلفی برای تولید و جداسازی نور تکفام ابداع کردهاند.
روشهای تولید:
۱. لیزرها معروفترین منبع نور تکفام هستند. درون یک لیزر، فرآیند خاصی به نام «گسیل القایی»[9] اتفاق میافتد که باعث میشود تمام فوتونهای ساطع شده همفاز و همطولموج باشند. به همین دلیل نور لیزر بسیار خالص و متمرکز است. نور لیزر قرمز نشانهگیر یا لیزرهای سبز مورد استفاده در پزشکی نمونههایی عالی هستند.
۲. الایدیها (LED): دیودهای نورانی معمولی، نور نسبتاً تکفامتری نسبت به لامپهای معمولی تولید میکنند. یک الایدی آبی، طولموجهایی در محدودهٔ باریک آبی ساطع میکند، اگرچه کاملاً تکفام ایدهآل نیست.
۳. تخلیهٔ گازی: اگر از بخار سدیم (مثل لامپهای خیابانی قدیمی) یا بخار جیوه جریان الکتریکی بگذرانیم، اتمهای این گازها نورهایی با طولموجهای بسیار مشخص و ثابت (مثلاً زرد درخشان برای سدیم) گسیل میکنند. این نورها تقریباً تکفام محسوب میشوند.
روشهای جداسازی و تشخیص:
اگر منبع نور تکفام نداشته باشیم، میتوانیم آن را از نور سفید استخراج کنیم. اصلیترین وسیله برای این کار منشور و وسیلهای پیشرفتهتر به نام توری پراش[10] است. وقتی نور سفید به توری پراش برخورد میکند، بر اساس طولموجهای مختلفش، در زوایای مختلفی پراش پیدا میکند. اگر یک شکاف باریک در مسیر یکی از این پرتوهای پراش شده قرار دهیم، میتوانیم فقط یک طولموج خاص (یک نور تکفام) را جدا کنیم. به این دستگاه، تکفامساز[11] میگویند.
کاربردهای شگفتانگیز نور تکفام در زندگی و فناوری
شاید فکر کنید نور تکفام فقط یک مفهوم کتابدرسی است، اما حضور آن در زندگی روزمره و فناوریهای پیشرفته بسیار پررنگ است.
۱. ارتباطات و فناوری اطلاعات: فیبرهای نوری که اینترنت پرسرعت را به خانههای ما میآورند، از نور لیزر (تکفام) استفاده میکنند. تکفام بودن نور باعث میشود سیگنال در مسیرهای طولانی کمتر پخش شود و اطلاعات با دقت و سرعت بیشتری منتقل شوند.
۲. پزشکی و سلامت: بسیاری از عملهای جراحی دقیق، مانند جراحی چشم با لیزر، از خاصیت تکفام بودن نور بهره میبرند. زیرا بافتهای مختلف بدن، نور با طولموج خاصی را جذب میکنند. پزشک میتواند با انتخاب طولموج دقیق لیزر، فقط بافت مورد نظر را بدون آسیب به اطراف، درمان کند.
۳. هنر و سرگرمی: نمایشهای لیزری خیرهکننده در کنسرتها یا نورپردازیهای خاص، از لیزرهای رنگی (تکفام) استفاده میکنند. رنگهای خالص و درخشان لیزر، جلوههای بصری منحصر به فردی ایجاد میکند.
۴. علمی و پژوهشی: قلب بسیاری از آزمایشگاههای شیمی و فیزیک، دستگاهی به نام طیفسنج[12] است. در این دستگاه، از نور تکفام برای بررسی مواد استفاده میشود. هر ماده، نور تکفام با طولموج خاصی را جذب یا گسیل میکند. با تحلیل این طیف، دانشمندان میتوانند عناصر تشکیلدهندهٔ یک ستارهٔ دور یا ترکیب یک مادهٔ شیمیایی ناشناخته را شناسایی کنند. این روش «طیفنمایی» نام دارد.
| حوزه | کاربرد عملی | مزیت استفاده از نور تکفام |
|---|---|---|
| علوم پایه | طیفنمایی برای شناسایی مواد | دقت بسیار بالا در تشخیص خطوط طیفی[13] خاص هر اتم یا مولکول |
| صنعت | برش و جوشکاری دقیق فلزات با لیزر | تمرکز انرژی بالا روی نقطهٔ بسیار کوچک، کاهش اتلاف انرژی |
| مخابرات | انتقال داده در فیبر نوری | کاهش پخش شدگی[14] سیگنال، امکان انتقال در مسافتهای طولانیتر |
| حسگرها | سنسورهای تشخیص گاز یا آلودگی | حساسیت به جذب نور در طولموج بسیار خاص توسط گاز هدف |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، نور تکفام محدود به نور مرئی نیست. «نور» در فیزیک به بخشی از طیف الکترومغناطیس[15] گفته میشود که شامل امواج رادیویی، مایکروویو، فروسرخ[16]، مرئی، فرابنفش[17]، اشعه ایکس و گاما میشود. تکفام بودن یک ویژگی عمومی است. بنابراین میتوان یک موج رادیویی با بسامد بسیار مشخص (تکفام) یا یک پرتو لیزر فروسرخ (که چشم ما آن را نمیبیند اما دوربینهای دید در شب میبینند) داشت. پس تکفام به خلوص طولموج اشاره دارد، نه لزوماً به قابلیت رؤیت.
پاسخ: نور قرمز چراغ راهنمایی یا نور آبی یک صفحهنمایش، معمولاً تکرنگ به نظر میرسند، اما لزوماً تکفام (تکطولموج) نیستند. منبع تولید این نورها (مانند الایدی یا فیلتر رنگی) ممکن است محدودهای باریک اما همچنان شامل چندین طولموج نزدیک به هم از رنگ قرمز یا آبی را ساطع کنند. نور واقعاً تکفام، مانند نور لیزر، دارای باریکترین باند ممکن است. بنابراین «تکرنگبودن» حس بینایی با «تکفام بودن» دقیق فیزیکی تفاوت دارد.
پاسخ: خیر، نور تکفام کاملاً ایدهآل یک مفهوم نظری است. در عمل، حتی پیشرفتهترین لیزرها نیز دارای پهنای طیفی[18] بسیار بسیار کوچک (اما نه صفر) هستند. یعنی طولموج نور لیزر در یک محدودهی فوقالعاده باریک متمرکز است، ولی دقیقاً یک عدد نیست. با این حال، برای بسیاری از کاربردها، این نورها عملاً به عنوان نور تکفام در نظر گرفته میشوند.
پاورقی
[1] تکفام: Monochromatic (از mono به معنای تک و chroma به معنای رنگ).
[2] لیزر: LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) به معنای تقویت نور توسط گسیل القایی تابش.
[3] الایدی: LED (Light Emitting Diode) به معنای دیود نورافشان.
[4] طیفبینی/طیفنمایی: Spectroscopy.
[5] طولموج: Wavelength. فاصله بین دو قله متوالی یک موج.
[6] بسامد: Frequency. تعداد نوسانات موج در یک ثانیه (واحد: هرتز).
[7] فوتون: Photon. ذرهای که انرژی نور را حمل میکند.
[8] چندفام: Polychromatic.
[9] گسیل القایی: Stimulated Emission.
[10] توری پراش: Diffraction Grating.
[11] تکفامساز: Monochromator.
[12] طیفسنج: Spectrometer.
[13] خطوط طیفی: Spectral Lines.
[14] پخش شدگی: Dispersion.
[15] طیف الکترومغناطیس: Electromagnetic Spectrum.
[16] فروسرخ: Infrared.
[17] فرابنفش: Ultraviolet.
[18] پهنای طیفی: Spectral Bandwidth.
