فیزیک - نور چیست نیوتن فکر می کرد ....
اما خوشبختانه الکترون درست مثل نور رفتا رمی کند. رفتار کوانتومی اجزای اتم (الکترون، پروتون، نوترون و ...) یکسان است. آنها جملگی ذره ـ موج اند. با هرچه که می خواهید آنه را بنامید.
مطلب مهم این واقعیت است که نور نه موج است و نه ذره. نظریه کوانتومی جدید آن را با یک روش تجرید توصیف می کند که نمی توان آن را با تجربه های روزمره ارتباط داد. در این فصل به بررسی بعضی آزمایش های مهم که به مدل های درباره ماهیت نور انجامید می پردازیم.
1-2 مدل ذره ای
شاید مهمترین واقعیت تجربی که در ابتدا منجر به قبول مدل ذره ای شد انتشار نور در خلا باشد تصور می شد که هر پدیده موجی به محیط عادی که عهده هر انتشار موج است نیاز دارد. همچنین معتقد بودند که نور امتداد خط مستقیم حرکت می کند که می توان آن را به طور رضایت بخشی بر مبنای مدل ذره ای توضیح داد. از این گذشته قوانین بازتاب و شکست را نیز می توان براساس مدل ذره ای نور توضیح داد. باید بگوئیم که برخلاف تصور عموم مدل ذره ای نور از دکارت است نه از نیوتن. در این جا استنتاج قانون اسفل را براساس مدل ذره ای بیان می کنیم.
در شکل (1) شکست ذره در یک سطح تحت نشان داده شده است. فرض می کنیم که حرکت به صفه x-y محدود است. مسیر ذره با بهره گیری از قوانین بقای انرژی E، و مولفه x اندازه حرکت که در آن زاویه جهت انتشار با محور y است، تبیین می شود. شرط پابستگی به معادله زیر می رسد:
(1)
(2)
از معادله (1) داریم:
حال اگر نقطه سیستم هایی از ذره ـ محط را که در آن جرم مقدار ثابتی است در نظر بگیریم معادله به صورت زیر در می آید:
(3) به ازای
از سوی دیگر اگر نقطه سیستم های ناپاشنده یعنی سیستم هایی را که در آن سرعت گروه یا ذره برابر سرعت فاز است در نظر بگیریم در این صورت معادله (3) به صورت زیر تبدیل می شود.
به ازای
که این معادله عکس مقداری است که در معادله (3) به دست آمد. در واقع می توانیم شکل های مختلف قانون شکست را بسته به رابطه ای که میان p و V برمی گزینیم بدست آوریم.
1-3 مدل موجی
هرچند که نظریه ذره ای انتشار نور را در معنای تهی توضیح می دهد و به کمک آن شکل های صحیح قانون های بازتاب وشکست را پیشگیری می کند لیکن مشاهدات تجربی بسیار زیادی وجود دارد که بر مبنای این فرض که نور را می توان ذره ای کلاسیک توصیف کرد آنها را نمی توان توضیح داد.
از لحاظ تاریخی حلقه های نیوتن را که جلوه زیبایی از سرشت موجی نور است بویل و کلوب مشاهده کرده بودند اما حلقه ها را به نام نویتن نامیدند زیرا نیوتن تشکیل این حلقه ها را به کمک مدل ذره ای توضیح داد که بعدها معلوم شد توضیحی قانع کننده نیست.
گریلمادی احتمالا نخستین کسی بد که پراش نر یعنی وجود نور در سایه هندسی را مشاهده کرد بعدا هوک نیز این پدیده را مشاهده کرد. درباره حلقه های نیوتن و پدیده پراش تنها در صورتی می توان توصیحی قابل قبول داد که برای نور مدلی موجی در نظر گرفته شود مدل موجی را نخستین بار هویگنس در اواخر قرن هفدهم مطرح کرد. هویگنس با بهره گیری از مدل موجی توانست قانون های بازتاب و شکست را توضیح دهد همچنین او توانست پدیده شکست دوگانه را که توسط بارتولینس کشف شده بود توجیه کند. اما اقتدار و مرجعیت نیوتن چندان بود که افراد دور و برش ناگزیر به نظریه ای ذره ای از بیش از خودش اعتقاد داشتند و تا آغاز قرن نوزدهم هیچ کس واقعا نظریه موجی هویگنس را باور نداشت تا اینکه در این زمان (1829-1773) آزمایش مصروف تداخل را که فقط با فرض مدل موجی نور بیان می شد انجام داد. در سال 1802 او از تشکیل حلقه های نیوتن توضیحی قابل قبول داد.
در سال 1808 مالوس پلاریزاسیون نور را مشاهده کرد. ولی برای تفسیر و تعبیر این پدیده تلاشی به عمل نیاورد. در حدود سال 1816 فرنل از پدیده پراش به کمک نظریه موجحی توضیحی قابل قبول داد و نقش های پراش حاصل از روزنه ها و لبه های مختلف را محاسبه کرد. در سال 1816 فرنل به اتفاق آراگو آزمایش معروف بر هم نهی موج های نوری را پلاریزاسیون خطی را که توسط یانگ بیان شده بود با این فرض که سرشت موج های نوری عرضی است انجام داد.
در حدود ربع دوم قرن نودزهم به نظر می رسید که نظریه موجی جا افتاده است و چون تصور می شد که موج نیازمند طبیعی است تا انتشار یابد نظریه اترالاستیک پرداخته شد. در واقع در سال 1823 فرنل با استفاده از مدل های برای ارتعاش های اتر عبارت هایی برای ضریب بازتاب و عبور بدست آورد. پواسون و ناویه و کوشی و تنی چند از فیزیک دانان در پیشبرد نظریه اتر که مستلزم پیشرفت در نظریه الاستیکی بود سهم داشتند. دشواری های زیادی در بیان این نظریه ها وجود داشت و از آن جا که اکنون می دانیم که اتر وجود ندارد در جزئیات نظریه های مختلف وارد نمی شویم.
قرن نوزدهم شاهد توسعه الکتریسته و مغناطیس نیز بود. در سال 1820 ارشد کشف کرد که جریان های الکتریکی آثار مغناطیسی پدید می آورد. کمی بعد آمپر دریافت که دو سیم متوازی حامل جریان الکتریسیته یکدیگر را جذب می کنند. در حدود سال 1830 فارادی آزمایش هایی انجام داد که نشان می داد میدان مغناطیسی متغیر نیروی الکتروموتوری القا می کند کمی بعد ماکسلبا بیان این نکته که میدان الکتریکی متغیر نیز می توان میدان مغناطیسی ایجاد کند، قانون آمپر را تعمیم داد. او همه قوانین الکتریسیته و مغناطیس را به شکل معادله هایی که اکنون معادلات ماکسون نامیده می شوند جمع بندی کرد او به کمک این معادله ها، معادلات موج را استنتاج کرد و امکان وچود موج های الکترومغناطیسی را نشان داد. کالسون از معادله موجی که به این طریق به دست آمده است نشان داد که می توان سرعت موج های الکترومغناطیسی را با آزمایش هایی که در آنها مقدار معینی بار الکتریکی با دو روش متفاوت اندازه گیری شده است محاسبه کرد.
1-4 ماهیت ذره ای تابش
هرتز در سال 1887 شکف کرد که وقتی باریکه نوری بر سطح فلزی تختی می تابد، اگر فرکانس تابش بالاتر از یک مقدار بحرانی معینی باشد، الکترون های را از آن سطح گسیل خواهد گرد این پدیده اثر موتوالکتریک نامیده می شود و نمی توان آن را براساس مدل موجی نور توجیه کرد. در سال 1905 انیشتن با بیان نظریه فوتونی مشهور خود که بنابر آن انرژی باریکه نوری با فرکانس در ذره هایی به انرژی hv متمرکز می شودند. H نمایانگر ثابت پلانک است. این پدیده را توجیه کرد این ذرات فوتون نامیده می شوند.
نظریه فوتونی انیشتین پیشگویی کرد که اگر فرکانس تابش v فرودی بزرگتر از فرکانس بحرانی vc باشد انرژی جنبشی الکترون گسیل شده برابر است که بعدا میلیکان برای نور مرئی روبروی برای پرتوهای ایکس و تیباد و الیس برای پرتوهای گاما آن را تایید کردند.
انیشتین نشان داد که فوتون ها، علاوه بر داشتن انرزی برابر hv، باید دارای اندازه حرکت برابر با باشند که در سال 1923 توسط گامیتون از راه آزمایش تایید شد.
1-5 پلاریزاسیون فوتون
اکنون فرود یک موج الکترومغعنایطیسی تخت را روی پلاریدی در نظر بگیرید که مجوز عبور آن با محور y موازی است. واضح است که بردار الکتریکی موج عمودی در امتداد محور y واقع خواهد بود. بنابراین هرگاه بردار الکتریکی مربو به موج فرودی در امتداد محور x نوسان کند پلاروید این موج را خوب خواهد کرد. از سوی دیگر اگر بردار الکتریکی در امتداد محور y نوسان کند تماما از پلاروید عبور خواهد کرد. از این گذشته، اگر بردار الکتریکی با محور عبور زاویه تشکیل دهد شدت باریکه عبوری عبارت است از که در آن نسبت باریکه فرودی است.
در نظریه فوتون، به هر فوتونی یک حالت معین پلاریزاسیون می تواند وابسته باشد.
می توان استدلال کرد که اگر بردار الکترییک وابسته به فوتون در امتداد محور y واقع باشد، فوتون توسط پلاروید عبور داده می شود یا جذب م شود. اکنون این پرسش پیش می آید که آیا برای یک تک فوتون E که با محور عبور زاویه بسازد چه اتفاقی می افتد؟ پاسخ این است که احتمال اینکه فوتون از پلاروید عبور کند است و اگر آزمایش با N فوتون صورت گیرد تقریبا فوتون عبور خواهد کرد و نمی توان سرشت یک فوتون منفرد را پیشگویی کرد.
بدین سان نظریه جدید نور شامل اصولی از تعریف های نیوتن و هویگلس است. گفته می شود نور خاصیت دو گانگی دارد. برخی پدیده ها مانند تداخل، خاصیت موجی آن را نشان می دهد و برخی دیگر مانند پدیده فوتوالکتریکی با ویژگی ذره ای نور قابل توجیه اند.
در کل اگر از کسی سوال شود: نور حقیقتا چیست؟ جواب ساده ای نمی تواند دشته باشد. جسم شناخته شده یا مدل مشخصی که شبیه آن باشد وجود ندارد ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی با هم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می کنند که تمام پدیده های نوری را توصیف نمی کند. نظریه ماکسون در مورد انتشار نور بحث می کند در حالی که نظیه کوانتومی بر هم کنش نور و ماده را جذب و نشر آن را شرح می دهد.
نظریه ای که از آمیزش این دو ایجاد می شود به نام کوانتوم الکترودینامیک شناخته شده است.
چون ظنظریه های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده های مربو به تابش بسیاری از پدیده های فیزیکی دیگر را نیز تشریح می کند منصفانه می توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است.