نور مرئی: سفری رنگارنگ در دل امواج الکترومغناطیسی
طیف نور: از قرمز تا بنفش
اگر امواج الکترومغناطیسی را مانند یک پیانو بزرگ در نظر بگیریم، نور مرئی فقط چند کلید میانی آن است. این کلیدها بر اساس طول موج4 و بسامد5 مرتب شدهاند. هر رنگ، طول موج خاص خود را دارد. برای مثال، نور قرمز دارای 700-635 نانومتر6 طول موج است، در حالی که نور بنفش در محدوده 450-380 نانومتر قرار دارد. رابطه بین طول موج ($\lambda$)، بسامد ($f$) و سرعت نور ($c$) با یک فرمول ساده بیان میشود:
در این فرمول، $c$ سرعت نور در خلا (حدود 300,000 کیلومتر بر ثانیه)، $f$ بسامد (بر حسب هرتز7) و $\lambda$ طول موج (بر حسب متر) است.
این بدان معناست که هرچه طول موج بیشتر باشد، بسامد کمتر است. نور قرمز کمبسامدترین و نور بنفش پربسامدترین نور مرئی است. جدول زیر محدوده رنگهای اصلی نور مرئی را نشان میدهد:
| رنگ | طول موج تقریبی (نانومتر) | ویژگی بارز |
|---|---|---|
| بنفش | 380 - 450 | پرانرژیترین نور مرئی |
| آبی | 450 - 495 | - |
| سبز | 495 - 570 | حساسیت بالای چشم انسان |
| زرد | 570 - 590 | - |
| نارنجی | 590 - 620 | - |
| قرمز | 620 - 750 | کمانرژیترین نور مرئی |
چگونه نور را درک میکنیم؟ از چشم تا مغز
نور مرئی پس از برخورد به اجسام، ممکن است بازتاب، جذب یا از آنها عبور کند. رنگ یک جسم به طول موجهایی بستگی دارد که بازتاب میکند. یک برگ سبز به این دلیل سبز دیده میشود که بیشتر نور سبز را بازتاب و بقیه رنگها را جذب میکند. نور سفید، مانند نور خورشید، ترکیبی از همه رنگهای طیف مرئی است. این موضوع را میتوان با تجربه ساده عبور نور از یک منشور8 مشاهده کرد. وقتی نور سفید از منشور میگذرد، به دلیل پدیدهای به نام پاشندگی9، به رنگهای سازنده خود تجزیه میشود و یک رنگینکمان کوچک ایجاد میکند.
چشم انسان گیرندههای خاصی به نام سلولهای مخروطی10 و سلولهای استوانهای11 دارد. سلولهای مخروطی مسئول دیدن رنگها در نور کافی هستند و به سه نوع تقسیم میشوند: حساس به نور قرمز، سبز و آبی. مغز با ترکیب سیگنالهای این سه نوع سلول، میلیونها رنگ مختلف را برای ما میسازد. این دقیقاً همان اصل کار نمایشگرهای تلویزیون و تلفن همراه است که با ترکیب نورهای قرمز، سبز و آبی (RGB12) تصاویر رنگی تولید میکنند.
نور: موج است یا ذره؟ دوگانگی شگفتانگیز
یکی از جذابترین مفاهیم در فیزیک نور، دوگانگی موج-ذره13 است. در برخی پدیدهها مانند تداخل14 و پراش15، نور مانند یک موج رفتار میکند. مثلاً وقتی نور از دو شکاف باریک عبور کند، الگوی روشن و تاریک روی صفحه ایجاد میکند که فقط با رفتار موجی قابل توضیح است. اما در پدیدههایی مانند اثر فوتوالکتریک16، نور مانند ذرههایی به نام فوتون17 عمل میکند. در این اثر، نور میتواند الکترونها را از سطح یک فلز جدا کند، گویی که با آنها برخورد کرده است. انرژی هر فوتون با فرمول زیر به بسامد نور وابسته است:
در این فرمول، $E$ انرژی فوتون، $h$ ثابت پلانک18 ($6.626 \times 10^{-34}$ ژول-ثانیه) و $f$ بسامد نور است. این فرمول توضیح میدهد که چرا نور بنفش (با بسامد بالا) در اثر فوتوالکتریک قویتر از نور قرمز (با بسامد پایین) عمل میکند.
نور مرئی در خدمت فناوری و زندگی روزمره
کاربردهای نور مرئی فراتر از دیدن است. فیبر نوری19 که ستون فقرات اینترنت پرسرعت است، از پدیده بازتاب کلی داخلی20 نور برای انتقال دادهها با سرعت نور استفاده میکند. لیزرها که نور همدوس21 و تکرنگ تولید میکنند، در جراحیهای دقیق، خواندن بارکدها، چاپگرها و پخش DVD کاربرد دارند. در صنعت چاپ، از ترکیب رنگهای فیروزهای، سرخابی، زرد و سیاه (CMYK22) برای ایجاد طیف وسیعی از رنگها استفاده میشود.
یک مثال ساده و روزمره، چراغهای راهنمایی است. رنگ قرمز با طول موج بلند، بهتر در شرایط مه و از فاصله دور دیده میشود، بنابراین برای علامت «توقف» انتخاب شده است. حتی در طبیعت، زنبورها میتوانند نور فرابنفش23 (که برای ما نامرئی است) را ببینند و از الگوهای این نور روی گلها برای یافتن شهد استفاده کنند.
سوالات پرتکرار و باورهای نادرست
پاسخ: به طور کلی، نور مرئی در محدوده طبیعی خود بیخطر است. اما نور بسیار شدید (مانند خیره شدن مستقیم به خورشید یا برخی لیزرهای قوی) میتواند به شبکیه چشم آسیب جدی وارد کند. نور آبی ساطع شده از صفحات نمایش در حد معمول خطرناک نیست، اما ممکن است در خواب اختلال ایجاد کند.
پاسخ: این پدیده زیبا به دلیل پرتویش رایلی24 رخ میدهد. مولکولهای هوا نور با طول موج کوتاه (آبی و بنفش) را بیشتر از نور با طول موج بلند (قرمز و نارنجی) پراکنده میکنند. هنگام ظهر، این پراکندگی باعث میشود آسمان آبی به نظر برسد. در غروب، نور مسیر طولانیتری در جو را طی میکند و نور آبی بیشتر پراکنده میشود، در نتیجه نور قرمز و نارنجی مستقیمتر به چشم ما میرسد.
پاسخ: خیر. بسیاری از حیوانات طیف بینایی متفاوتی دارند. برای مثال، سگها بیشتر دنیا را به رنگهای زرد، آبی و خاکستری میبینند (دو رنگبینی). در مقابل، برخی پرندگان و حشرات میتوانند نور فرابنفش را نیز ببینند و دنیای رنگهای بسیار غنیتری نسبت به ما تجربه میکنند.
پاورقی
1 نور مرئی (Visible Light)
2 امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Waves)
3 طیف مرئی (Visible Spectrum)
4 طول موج (Wavelength)
5 بسامد یا فرکانس (Frequency)
6 نانومتر (nm): یک میلیاردم متر ($10^{-9}$ m).
7 هرتز (Hz): واحد بسامد، برابر با یک نوسان در ثانیه.
8 منشور (Prism)
9 پاشندگی (Dispersion)
10 سلولهای مخروطی (Cone Cells)
11 سلولهای استوانهای (Rod Cells)
12 RGB: مدل رنگی قرمز (Red)، سبز (Green)، آبی (Blue).
13 دوگانگی موج-ذره (Wave-Particle Duality)
14 تداخل (Interference)
15 پراش (Diffraction)
16 اثر فوتوالکتریک (Photoelectric Effect)
17 فوتون (Photon)
18 ثابت پلانک (Planck's Constant)
19 فیبر نوری (Optical Fiber)
20 بازتاب کلی داخلی (Total Internal Reflection)
21 همدوس (Coherent)
22 CMYK: مدل رنگی فیروزهای (Cyan)، سرخابی (Magenta)، زرد (Yellow)، کلیدی یا سیاه (Key/Black).
23 نور فرابنفش (Ultraviolet Light)
24 پرتویش رایلی (Rayleigh Scattering)
