طیف (Spectrum): نقشهٔ رنگینکمان انرژی
نور مرئی: شروع داستان از یک منشور
اگر یک منشور شیشهای را در مسیر نور خورشید قرار دهیم، پرتو نور سفید به نوار رنگینکمانی زیبایی تجزیه میشود. این نوار رنگی، طیف نور مرئی نام دارد. دلیل این پدیده این است که نور سفید، ترکیبی از رنگهای مختلف با طولموج3های متفاوت است. منشور باعث میشود هر رنگ با یک زاویهٔ کمی متفاوت خم شود (شکست پیدا کند). نور بنفش بیشترین خمش و نور قرمز کمترین خمش را تجربه میکند.
طیف الکترومغناطیسی: دنیایی فراتر از رنگینکمان
نور مرئی فقط بخش کوچکی از کل ماجراست. تمام تابشهایی که در جهان وجود دارند – از امواج رادیویی7 که موسیقی پخش میکنند تا پرتوهای ایکس8 که استخوان را نشان میدهند – همگی شکلهای مختلفی از تابش الکترومغناطیسی9 هستند. تفاوت اصلی آنها در طولموج (و در نتیجه فرکانس و انرژی) است. وقتی این تابشها را بر حسب طولموج یا فرکانس مرتب کنیم، به طیف الکترومغناطیسی کامل میرسیم.
| نوع تابش | طولموج تقریبی | انرژی | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| امواج رادیویی7 | 1 m تا > 1 km | خیلی کم | رادیو، ارتباطات ماهوارهای |
| ریزموج10 | 1 mm تا 1 m | کم | اجاق مایکروویو، وایفای |
| فروسرخ (مادون قرمز)11 | 700 nm تا 1 mm | متوسط | سنسور حرکتی، عکسبرداری حرارتی |
| نور مرئی | 400 nm تا 700 nm | متوسط-بالا | بینایی، نورپردازی |
| فرابنفش12 | 10 nm تا 400 nm | بالا | سنتز ویتامین D در پوست، ضدعفونی |
| پرتو ایکس8 | 0.01 nm تا 10 nm | خیلی بالا | عکسبرداری پزشکی، بررسی ساختار مواد |
| پرتو گاما13 | < 0.01 nm | بسیار بسیار بالا | درمان سرطان، مطالعات هستهای |
طیف جسم سیاه: کلید فهم تابش همه اجسام داغ
همهٔ اجسام، به دلیل دمایشان، از خود تابش الکترومغناطیسی گسیل میکنند. یک جسم کاملاً ایدهآل که تمام تابش فرودی را جذب و سپس تابش میکند، جسم سیاه14 نامیده میشود. طیف تابش این جسم، یک منحنی صاف و پیوسته است که شکل آن فقط به دمای جسم بستگی دارد. هرچه جسم داغتر باشد، پیک15 منحنی به سمت طولموجهای کوتاهتر (مثلاً از فروسرخ به نور مرئی) جابهجا میشود و انرژی کل تابشی آن بسیار افزایش مییابد. مثال: یک تکه آهن سرد، فقط امواج فروسرخ نامرئی گسیل میکند. وقتی آن را حرارت دهیم، ابتدا به رنگ قرمز تیره و سپس نارنجی و زرد دیده میشود. این تغییر رنگ، دقیقاً به دلیل جابهجایی پیک طیف جسم سیاه آن به سمت طولموجهای کوتاهتر (رنگ آبی) است.
کاربرد علمی طیف: طیفسنجی و کشف اسرار جهان
طیفسنجی5 علم تجزیه و تحلیل طیف است. این روش قدرتمندترین ابزار دانشمندان برای مطالعهٔ مواد و اجرام دور دست مانند ستارهها است. اگر نور گسیلشده یا جذبشده توسط یک ماده را از درون یک طیفسنج17 عبور دهیم، به جای یک نوار رنگینکمانی پیوسته، ممکن است خطوط تاریک یا روشن مشخصی ببینیم. این خطوط مانند اثر انگشت اتمها و مولکولها هستند.
مثال عینی: با تحلیل طیف نور خورشید، دانشمندان خطوط تاریک متعددی (طیف جذبی18) مشاهده کردند. هر خط تاریک نشاندهندهٔ جذب نور در یک طولموج خاص توسط یک عنصر موجود در جو خورشید است. به این ترتیب، پیش از سفر به خورشید، فهمیدیم که عناصری مانند هیدروژن، هلیوم، سدیم و کلسیم در خورشید وجود دارند. همین روش برای تعیین ترکیب جو سیارات دیگر و حتی سرعت حرکت کهکشانها استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، اصطلاح "طیف" منحصر به نور نیست. هر پدیدهای که بتوان آن را به مؤلفههای فرکانسی یا طولموجی تجزیه کرد، دارای طیف است. برای امواج صوتی نیز "طیف صوتی" داریم که نشان میدهد صوت از چه فرکانسهایی (بم یا زیر) تشکیل شده است. اما باید توجه داشت که امواج صوتی، الکترومغناطیسی نیستند و نیاز به یک واسطه (مثل هوا) برای انتشار دارند.
پاسخ: دلیل این ترتیب ثابت، وابستگی ضریب شکست آب (قطرات باران) به طولموج است. آب برای نور بنفش (طولموج کوتاه) ضریب شکست بزرگتری نسبت به نور قرمز (طولموج بلند) دارد. بنابراین نور بنفش بیشتر منحرف میشود و در لایهٔ داخلیتر رنگینکمان قرار میگیرد. این یک قانون فیزیکی است و همیشه برقرار میماند.
پاسخ: خیر، چشم انسان فقط به بخش بسیار کوچکی از این طیف گسترده، یعنی نور مرئی (400-700 nm)، حساس است. ما نمیتوانیم امواج رادیویی، فروسرخ، فرابنفش و... را مستقیماً ببینیم. اما برای مطالعهٔ آنها از ابزارهای ویژه مانند دوربینهای فروسرخ، آشکارسازهای پرتو ایکس و آنتنهای رادیویی استفاده میکنیم که این تابشها را برای ما قابل درک میکنند.
پاورقی
۱. طیف (Spectrum)
۲. منشور (Prism)
۳. طولموج (Wavelength)
۴. انرژی (Energy)
۵. طیفسنجی (Spectroscopy)
۶. فوتون (Photon): بستهٔ کوانتومی انرژی نور.
۷. امواج رادیویی (Radio Waves)
۸. پرتو ایکس (X-rays)
۹. تابش الکترومغناطیسی (Electromagnetic Radiation)
۱۰. ریزموج (Microwave)
۱۱. فروسرخ / مادون قرمز (Infrared)
۱۲. فرابنفش (Ultraviolet)
۱۳. پرتو گاما (Gamma Rays)
۱۴. جسم سیاه (Black Body): یک جسم فرضی ایدهآل که تمام تابش فرودی را جذب میکند و در یک دمای مشخص، بهترین تابشکننده است.
۱۵. پیک (Peak): نقطهٔ بیشینه در یک منحنی.
۱۶. رابطهٔ وین (Wien's Displacement Law)
۱۷. طیفسنج (Spectrometer): دستگاهی برای اندازهگیری و ثبت طیف.
۱۸. طیف جذبی (Absorption Spectrum): طیفی که در آن خطوط تاریک به دلیل جذب نور توسط ماده ایجاد شدهاند.
