نوار روشن: نوار روشن در الگوی تداخل

نوار روشن (Light Fringe): نقاط اوج نور در الگوی تداخل

نور: یک موج با رفتار شگفت‌انگیز

برای درک نوار روشن، اول باید بدانیم نور چگونه رفتار می‌کند. نور خورشید یا یک لامپ معمولی، نوعی انرژی است که به شکل موج حرکت می‌کند. به امواج آب در یک حوض یا امواج صوتی فکر کنید. نور هم ویژگی‌های مشابهی دارد، اما بسیار سریع‌تر حرکت می‌کند.

هر موج نور را می‌توان با دو ویژگی مهم توصیف کرد: دامنه (که مربوط به روشنایی یا شدت نور است) و طول موج^۴. طول موج فاصله‌ی بین دو قله‌ی پشت‌سرهم موج است و رنگ نور را تعیین می‌کند. برای مثال، نور قرمز طول موج بلندتر و نور بنفش طول موج کوتاه‌تری دارد.

وقتی دو دسته موج نور با هم برخورد کنند، می‌توانند برهم‌کنش جالبی داشته باشند که به آن تداخل می‌گویند. این برهم‌کنش دو نتیجه‌ی اصلی دارد: یا موج‌ها یکدیگر را تقویت می‌کنند و نور قوی‌تری تولید می‌کنند (تداخل سازنده) یا یکدیگر را تضعیف و خنثی می‌کنند (تداخل ویرانگر). نوار روشن، حاصل مستقیم تداخل سازنده^۲ است.

تداخل سازنده: تولد یک نوار روشن

تصور کنید دو سنگ را هم‌زمان در دو نقطه‌ی نزدیک به هم در یک برکه آب آرام می‌اندازید. دو دسته موج دایره‌ای ایجاد می‌شود. در مناطقی که قله‌های این دو موج دقیقاً هم‌زمان به هم می‌رسند، آب با شدت بیشتری بالا و پایین می‌رود (تقویت). در مناطقی که قله‌ی یک موج با فرورفتگی موج دیگر برخورد کند، آب تقریباً ساکن می‌ماند (تضعیف).

در نور هم دقیقاً همین اتفاق می‌افتد. یک نوار روشن زمانی دیده می‌شود که دو پرتو نور، هم‌فاز به یک نقطه برسند. یعنی قله‌های موج آن‌ها دقیقاً بر هم منطبق شود. برای این هم‌فاز رسیدن، شرط خاصی لازم است: اختلاف مسیری که دو پرتو نور طی کرده‌اند باید دقیقاً برابر مضرب صحیحی از طول موج نور باشد.

به ازای هر مقدار $ m $ (صفر، یک، دو و ...) یک نوار روشن در مکان خاصی تشکیل می‌شود. نوار مرتبه‌ی صفر (مرکزی) معمولاً روشن‌ترین است.

آزمایش یانگ: نمایش نوارهای روشن و تاریک

یکی از معروف‌ترین آزمایش‌ها برای مشاهده‌ی مستقیم نوارهای روشن، آزمایش تداخلسنج دو شکاف یانگ است. در این آزمایش، نور تک‌رنگ (مثلاً لیزر قرمز) به صفحه‌ای با دو شکاف باریک و نزدیک به هم می‌تابد. این دو شکاف مانند دو چشمه‌ی نور هم‌فاز عمل می‌کنند. امواج نور پس از گذر از شکاف‌ها، پخش شده و با هم تداخل می‌کنند.

اگر یک صفحه‌ی نمایش در فاصله‌ای قرار دهیم، روی آن الگویی متناوب از نوارهای روشن و تاریک را می‌بینیم. این الگو را الگوی تداخل^۵ می‌نامند. نوارهای روشن در مکان‌هایی ظاهر می‌شوند که شرط $ \Delta d = m \lambda $ برقرار باشد.

فاصله‌ی بین نوارهای روشن مجاور در این آزمایش به عوامل زیر بستگی دارد:
۱. طول موج نور ($ \lambda $): هرچه طول موج بلندتر باشد (مثلاً نور قرمز نسبت به آبی)، فاصله‌ی نوارها بیشتر می‌شود. به همین دلیل وقتی از نور سفید (ترکیب همه رنگ‌ها) استفاده کنیم، الگویی رنگارنگ می‌بینیم که در آن رنگ‌های قرمز در حاشیه‌های بیرونی‌تر قرار می‌گیرند.
۲. فاصله‌ی دو شکاف ($ d $): هرچه شکاف‌ها به هم نزدیک‌تر باشند، فاصله‌ی نوارها بیشتر می‌شود.
۳. فاصله‌ی صفحه‌ی نمایش از شکاف‌ها ($ L $): هرچه صفحه دورتر باشد، فاصله‌ی نوارها بیشتر می‌شود.

طبیعت: گالری هنری از نوارهای روشن

شما هر روز نمونه‌هایی از تشکیل نوارهای روشن را در اطراف خود می‌بینید، بدون آن که نیاز به آزمایشگاه داشته باشید. این پدیده‌های زیبا نتیجه‌ی تداخل نور هستند:

رنگ‌های روی حباب صابون یا لکه‌ی روغن: نور سفید خورشید به یک لایه‌ی نازک (مانند دیواره‌ی حباب یا فیلم نازک روغن روی آب) می‌تابد. بخشی از نور از سطح بالایی لایه منعکس می‌شود و بخشی دیگر وارد لایه شده، از سطح پایینی منعکس شده و دوباره خارج می‌شود. این دو پرتو بازتابیده شده، مسیرهای متفاوتی طی کرده و با هم تداخل می‌کنند. برای هر رنگ (هر طول موج)، در زاویه‌های خاصی شرط نوار روشن برقرار می‌شود و آن رنگ به چشم ما می‌آید. با تغییر ضخامت لایه یا زاویه دید، رنگ‌های درخشان تغییر می‌کنند.

سطح سی‌دی یا دی‌وی‌دی: سطح این دیسک‌ها پر از شیارهای میکروسکوپی منظم است. وقتی نور به آن‌ها می‌تابد، از شیارهای مجاور بازتاب شده و با هم تداخل می‌کنند. در زاویه‌های معین، برای رنگ‌های مختلف نوار روشن تشکیل می‌شود و ما رنگین‌کمانی درخشان می‌بینیم.

پرهای برخی پرندگان و بال‌های پروانه: رنگ‌های درخشان و متغیر بعضی پرندگان نه به دلیل رنگدانه، بلکه به دلیل ساختار میکروسکوپی پر است که باعث تداخل نور و بازتاب انتخابی رنگ‌های خاص (نوارهای روشن) می‌شود. این پدیده را رنگ‌آمیزی ساختاری می‌نامند.

پرسش‌های مهم و اشتباهات رایج

پاورقی

^۱ نوار روشن (Light Fringe / Bright Fringe): ناحیه‌ای در الگوی تداخل که در آن شدت نور به حداکثر می‌رسد.
^۲ تداخل سازنده (Constructive Interference): نوعی تداخل که در آن امواج هم‌فاز، یکدیگر را تقویت می‌کنند.
^۳ اختلاف راه (Path Difference): تفاوت مسافتی که دو موج از منبع تا نقطه‌ی تداخل طی می‌کنند. با $ \Delta d $ نشان داده می‌شود.
^۴ طول موج (Wavelength): فاصله‌ی بین دو نقطه‌ی تکراری متوالی روی یک موج. با نماد $ \lambda $ (لامبدا) نشان داده می‌شود.
^۵ الگوی تداخل (Interference Pattern): الگوی متناوب از نوارها یا مناطق روشن و تاریک که در اثر برهم‌نهی (تداخل) امواج ایجاد می‌شود.