دانلود مقاله و پروژه های دانشجویی علمی و تخصصی

نور و امواج الكترومغناطيس
مقدمه
خواص نور
پيروزي نظريه موجي نور
محاسبه سرعت نور
نور و الكترومغناطيس
نيروي الكتريكي
الكترومغناطيس
طبيعت نور
معادلات الكترومغناطيس ماكسول و آغاز بحران فيزيك نيوتني
معادلات نيوتن
نسبيت گاليله اي
معادلات ماكسول
آزمايش مايكلسون
بحران فيزيك كلاسيك

يكي از نتايج بسيار مهم معادلات ماكسول ، مفهوم طيف الكترومغناطيسي است كه حاصل كشف تجربي موج راديويي است. قسمت عمده فيزيك امواج الكترومغناطيسي را از چشمه‌هاي ماوراي زمين دريافت مي‌كنيم و در واقع همه آگاهي هايي كه درباره جهان داريم از اين طريق به ما مي‌رسد. بديهي است كه فيزيك امواج الكترو مغناطيسي خارج از زمين در گسترده نور مرئي از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند.
فيزيك امواج الكترو مغناطيسي يك رده از فيزيك امواج است كه داراي مشخصات زير است.
امواج الكترو مغتاطيسي داراي ماهيت و سرعت يكسان هستند و فقط از لحاظ فركانس ، يا طول موج با هم تفاوت دارند .
در طيف فيزيك امواج الكترو مغناطيس هيچ شكافي وجود ندارد. يعني هر فركانس دلخواه را مي‌توانيم توليد كنيم.
براي مقياس‌هاي بسامد يا طول موج ، هيچ حد بالا يا پائين تعيين شده اي وجود ندارد.
قسمت عمده اين فيزيك امواج داراي منبع فرازميني هستند.
فيزيك امواج الكترومغناطيسي جزو امواج عرضي هستند.
فيزيك امواج الكترومغناطيسي از طولاني‌ترين موج راديويي ، با طول موج‌هاي معادل چندين كيلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج راديويي متوسط و كوتاه تا نواحي كهموج ، فروسرخ و مرئي امتداد مي‌يابد. بعد از ناحيه مرئي فرابنفش قرار دارد كه خود منتهي به نواحي اشعه ايكس ، اشعه گاما و پرتوي كيهاني مي‌شود. نموداري از اين طيف كه در آن نواحي قراردادي طيفي نشان داده مي‌شوند در شكل آمده است كه اين تقسيم بندي‌ها جز براي ناحيه دقيقا تعريف شده مرئي لزوما اختياري‌اند.
يكاهاي معروف فيزيك امواج الكترومغناطيسي
طول موج لاندا بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنين ميكرون يا ميكرومتر ، واحد آنگستروم نشان داده مي‌شود. اين واحد اكنون دقيقا معادل 10- ^ 10 متر تعريف شده است.
ناحيه مرئي يا نور مرئي ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحي فروسرخ از طرف طول موج‌هاي بلند ، فرابنفش از طرف طول موج‌هاي كوتاه ، محصور شده است. معمولا اين نواحي به قسمت هاي فروسرخ و فرابنفش دور و نزديك ، با محدوده‌هايي به ترتيب در حدود 30 ميكرومتر و 2000 آنگستروم تقسيم مي‌شوند كه نواحي مزبور داراي شفافيت نوري براي موادي شفاف از جمله منشورها و عدسي‌ها مي‌باشند .
طبيعت نور
حساسيت اندام هاي ديداري به نور بسيار زياد است. بنابر تازه‌ترين اندازه گيريها ، براي ‏احساس نور كافي است كه حدود انرژي تابشي در هر ثانيه و تحت شرايط مناسب بر ‏چشم بتابد. به عبارت ديگر ، توان كافي براي تحريك نوري قابل احساس مساوي ‏است.
چشم انسان از جمله حساسترين وسايلي است كه مي تواند وجود نور را درك كند. اثر ‏نور بر چشم در فرايند شيميايي معيني خلاصه مي شود. كه در لايه حساس چشم پديد ‏مي آيد و باعث تحريك عصب بينايي و مركزهاي مربوط در مغز قدامي مي شود. اثر ‏شيميايي نور مشابه با كش روي اي حساس چشم انسان را مي توان در محور ‏تدريجي رنگها در نور مشاهده كرد .
با استفاده از اين وسايل خاص مي توان پديد آمدن جريان الكتريكي بر اثر نور را به ‏سهولت آشكار كرد. اگر بام يك خانه كوچك را بتوان با ماده اي كه در فتوسلها بكار مي ‏رود پوشاند، مي توان در يك روز آفتابي به كمك انرژي نوري جريان الكتريكي با توان چند ‏كيلووات بهت آورد. سرانجام بايد متمركز شد كه اثر مكانيك نور را نيز مي توان ‏مشاهده كرد. اين اثر در فشار نور بر سطح بازتاب دهنده يا جذب كننده نور آشكار مي ‏شود.
اگر جسم را به شكل پره‌هاي متحركي بسازيم، چرخش چنين پره‌هايي بر اثر نور تابشي ‏را مي توان ديد. اين آزمايش جالب توجه اولين بار در 1900 توسط بروف در مسكو انجام ‏شده است. محاسبه‌ها نشان مي دهد كه تابش پرتوهاي خورشيدي بر آينه‌‌ها اثر مي كند.
معادلات الكترومغناطيس ماكسول و آغاز بحران فيزيك نيوتني
ماكسول تمام دانش تجربي آن روزگار را در مجموعه واحدي از معادلات رياضي به طور بارزي خلاصه كرد و جهان علم را شديداً تحت تاثير قرار داد. چنانكه همگان به تحسين وي پرداختند. لودويك بولتزمن از قول گوته مي نويسد كه آيا خدا بود كه اين سطور را نوشت.
وي به شيوه اي صرفاً نظري نشان داد كه ميدان مغناطيسي مي تواند همانند موجي عرضي در اتر نور رسان انتشار يابد. پذيرش موجي نور به همان اندازه پذيرش يك زمينه ي فراگير يعني اتر نور رسان را ايجاب مي كرد. ماكسول در اين مورد مي گويد.
اترها را ابداع كردند تا سيارات در آنها شناور باشند، جوهاي الكتريكي و شارهاي مغناطيسي را تشكيل دهند، احساس ها را از يك پاره ي پيكر ما به پاره ي ديگر منتقل كنند. ولي آخر، تا آنجا كه تمامي فضا سه يا چهار بار از اترها پر شده است... تنها اتري كه باقيمانده است، همان است كه توسط هويگنس براي توضيح انتشار نور ابداع شده است.
بنابراين سرعت ثابت امواج الكترمغناطيسي بايستي نسبت به يك دستگاه مقايسه مي شد، و اين دستگاه همان دستگاه اتر بود. يعني اتر ساكن مطلق فرض مي شد و تمام اجسام نسبت به آن در حركت بودند و سرعت امواج الكترومغناطيسي و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. اين نظريه در حالي شكل گرفت كه نسبيت گاليله اي نيز معتبر و بي نقص تصور مي شد. بنابراين اگر سرعت نور نسبت به يك دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حركت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با w=c+v چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حركت كند، آنگاه خواهيم داشت w=c-v نتيجه اينكه در اواخر قرن نوزدهم ميلادي فيزيك نظري بر سه بنياد زير مبتني بود.
معادلات نيوتن
نسبيت گاليله اي
معادلات ماكسول
بر اين اساس ماكسول به فكر محاسبه سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر افتاد. وي در سال 1879 طي نامه اي كه براي تاد در آمريكا نوشت، طرحي را براي اندازه گيري سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر پيشنهاد كرد. يك آمريكايي به نام مايكلسون اين طرح را دنبال كرد و براي انجام آزمايش تداخل سنجي نيز ساخت و در سال 1880 آزمايش كرد.
آزمايش مايكلسون
آزمايش مايلكسون بر اساس نسبيت گاليله شكل گرفت. در نسبيت گاليله اي همه ي اجسام نسبت به اتر كه ساكن فرض شده بود حركت مي كردند. بنابراين اگر جسمي مثلاً زمين نسبت به اتر با سرعت V1 در حركت بود و جسم ديگري مثلاً يك راكت نسبت به زمين با سرعت V2 حركت مي كرد، انگاه سرعت راكت نسبت به اتر از رابطه ي زير به دست مي آمد:
V=v1+V2
سئوال مايكلسون اين بود كه اگر دو شعاع نوراني يكي عمود بر جهت حركت زمين و ديگري همجهت با آن به دو آينه كه در فاصله مساوي از منبع نور قرار دارند بفرستيم، كداميك زودتر بر مي گردد؟ طبق محاسبات مايكلسون كه در ادامه خواهد آمد و با استفاده از نسبيت گاليله اي و مطلق بودن زمان و با توجه به جمع برداري سرعت ها، زمان رفت و برگشت دو شعاع نوراني قابل محاسبه و با توجه به آن مي توان سرعت مطلق زمين را نسبت به اتر محاسبه كرد.
با توجه به شكل آزمايش مايكلسون، يك پرتو نوري (مايكلسون از نور خورسيد استفاده كرد) به آينه مياني دستگاه برخورد مي كند. آينه نيمه اندود است قسمتي از نور را عبور مي دهد و بخشي از آن را با توجه به زاويه اي كه با نور ورودي تشكيل داده تحت زاويه 45 درجه منعكس مي كند.
پرتو عبوري در رفت و بازگست بازوي تداخل سنج را طي مي كند كه با توجه به اينكه در رفت و بازگشت به ترتيب سرعت هاي زير خواهد داشت.