چرا این خط کش، رنگی دیده می شود؟

مشاهده اثر تنش در اجسام شفاف با استفاده از قطبشگر

 

 مقدمه:

هنگامی که ماده‌­ای شفاف (مثل پلاستیک و شیشه) را تحت فشار قرار می­‌دهیم، دربرخی ویژگی‌های اپتیکی آن مثل ضخامت (Thickness) و ضریب شکست (Refractive index) ، تنش (Stress) و تغییر ایجاد می‌شود و راستایی که نیرو (Force) به آن اعمال شده از سایر جهات متمایز می‌گردد. ضریب شکست آن در جهت نیرو، نسبت به جهات دیگر فرق می‌کند. ممکن است این قطعه شفاف هنگام ساخت دارای تنش‌هایی باشد که بدون ایجاد فشار، دارای ناهمسانگردی  (Anisotropy) باشد، مانند خط کش پلاستیکی که در شکل مشاهده می‌کنید. وقتی که در یک محیط شفاف، یک جهت با یک جهت دیگر متفاوت باشد، رفتار نور در آن به نحوی است که نور قطبیده (Polarized light) در آن می‌تواند تغییر قطبش (Polarization) دهد. در اصل این قطعه مثل یک تیغه موج عمل می‌کند که با افزایش فشار تغییر بیشتری ایجاد می‌کند. بنابراین اگر یک ماده شفاف را بین دو قطبشگر (Polarizer) عمود بر هم قرار دهیم و در آن تنشی ایجاد کنیم، نتیجه قابل بررسی خواهد بود. این تنش می‌تواند در اثر فشار، کشیدگی و حرارت یا هر چیز دیگری باشد. اگر هر جسم شفافی مثل شیشه بین این دو قطبشگر عمود بر هم قرار بگیرد و نوری خارج نشود، به این معناست که آن جسم، تغییری در قطبش نور ایجاد نمی‌کند. ولی اگر با قرار دادن این جسم میان آن دو قطبشگر، نوری از سمت دیگر خارج شود، نشانه آن است که جسم شفاف توانایی تغییر محور قطبشگر اول را به میزانی که نزدیک محور قطبشگر دوم باشد، داشته و در نتیجه بخشی از نور از سمت دیگر خارج شده است.

اجسام مختلفی مانند سلفون، انواع خط‌کش‌ها یا طلق‌های پلاستیکی، کیسه‌های پلاستیکی فریزر و یا پلاستیک‌های شفاف دارای این اثر هستند. این ویژگی به دلیل تفاوت ضریب شکست در دو امتداد عمود بر هم ایجاد می‌شود که این خود به دلیل چگونگی ساخت چنین قطعات شفاف پلاستیکی و پلیمرهای سازنده آن است. البته ناگفته نماند که با چرخاندن چنین قطعاتی، وضعیت بین دو قطبشگر و مقدار نور عبوری نیز تغییر می‌کند. هم چنین اگر چنین قطعه‌ای هم‌جهت با محور یکی از قطبشگرها قرار بگیرد، تاثیری روی قطبش نور نخواهد داشت ولی در صورتیکه با آن زاویه پیدا کند، می تواند قطبش نور را تغییر دهد. چگونگی تغییر قطبش کمی پیچیده است که در کتاب‌های اپتیک قابل مطالعه است و جداگانه بررسی می‌شود. اگر خط‌کش پلاستیکی را بین دو قطبشگر قرار دهیم، با چرخاندن آن شاهد تغییراتی در نور عبوری خواهیم بود. خط‌کش پلاستیکی ضخامت یکنواختی دارد ولی به دلیل نوع ساختار آن و پرس گرمی که روی آن انجام گرفته، بعضی قسمت‌ها دارای تنش و فشردگی بیشتر یا کمتر شده و ضریب شکست تمام قسمت‌ها یکسان نیست و در نتیجه به دلیل تغییر ضریب شکست در قسمت‌های مختلف، تغییر قطبش را نیز خواهیم داشت. در کیسه فریزر یا کیسه­ شفاف نیز همین طور است. نکته جالب در مورد این ماده این است که با کشیدن آن میزان تنش آن بیشتر شده و در جهت کشیدن و نازک شدن آن، تغییراتی در ضریب شکست و ضخامت ایجاد می‌شود. باید توجه کرد که تغییرات در یک جهت خاص انجام شده باشد که تنها در این صورت شاهد عبور نور یعنی تغییر قطبش هستیم.

جزئیات مربوط به چگونگی ایجاد رنگ در این ساختارها پیچیده است و باید در بحث دیگر بررسی شود.

هدف:

در این آزمایش قصد داریم اثر ایجاد تنش در اجسام شفاف را بر قطبش نور عبوری از آن‌ها بررسی کنیم. برای این کار نمونه‌ها را میان دو قطبشگر عمود بر هم قرار می‌دهیم. وقتی یک جسم شفاف مثل شیشه را بین دو قطبشگر عمود بر هم قرار می‌دهیم در حالتی که دو قطبشگر عمود بر هم باشند، شدت نور خروجی صفر می‌شود و چرخاندن شیشه هم تاثیری در آن ندارد ولی حضور برخی از اجسام مانند چسب نواری و سلیفون میان دو قطبشگر عمود بر هم، قطبش نور را تغییر داده و موجب می‌شود که نور از دو قطبشگر عبور کند چون در این مواد، سرعت نور در دو جهت مختلف، متفاوت است. در موادی که سرعت نور در دو مسیر یکسان باشد قطعه مثل شیشه عمل کرده و تاثیری بر قطبش نخواهد داشت.

علاوه بر تنش در اجسام شفاف، ساختار محیط شفاف نیز ممکن است ناهمسانگرد باشند. به عبارتی ساختاری داشته باشند که در دو جهت مختلف ضریب شکست فرق کند. اغلب بلورها چنین ویژگی دارند. در این صورت این ویژگی با این روش قابل بررسی است. از طرف دیگر با مطالعه محیط در زیر میکروسکوپ می‌توان اطلاعات خوبی از اجزای نمونه بدست آورد. این میکروسکوپ قطبشی (Polarizing microscope) نام دارد. در زمین‌شناسی از این میکروسکوپ استفاده زیادی برای شناسایی کانی‌ها می‌شود.

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

با قرار دادن نمونه‌های مختلف شفاف در میان دو قطبشگر عمود برهم، می‌توانیم تاثیر تنش و ویژگی‌های ناهمسانگردی آن را بررسی کنیم. این کار اطلاعات خوبی از وضعیت نمونه شفاف مورد مطالعه، می‌دهد. به این منظور به اقلام زیر نیاز داریم:

منبع نور سفید

دو قطبشگر با پایه مناسب

– نمونه‌های شفاف مختلف

آزمایش:

منبع نور سفید را روی میز قرار داده و روشن کنید. یکی از قطبشگرها را مقابل منبع نور قرار دهید. قطبشگر دوم را هم در امتداد آن‌ها گذاشته و آن را حول محورش بچرخانید تا حالتی را پیدا کنید که قطبشگر اول از پشت آن در تاریک‌ترین حالت دیده شود.

حال نمونه شفاف مورد نظر را بین دو قطبشگر قرار داده و وضعیت نور عبوری را بررسی کنید. اگر نمونه را به نحوی تحت فشار بگذارید، مثلاً آن را خم کنید یا اگر از نایلون استفاده کرده‌اید، آن را بکشید، قسمت‌هایی که تحت فشار قرار گرفته‌اند را روشن‌تر و یا رنگی خواهید دید. ظروف شیشه‌ای، ظروف پلاستیکی و طلقی و دیگر محیط‌های شفاف برای این بررسی مناسب هستند.

این آزمایش را می‌توانید با اجسام شفاف دیگر انجام دهید. فقط مراقب باشید که هنگام اعمال فشار آن را نشکنید!

کاربرد:

  • از این روش برای آزمایش کیفیت ظروف شیشه‌ای و محیط‌های شفاف دیگر و میزان تنش در آن استفاده می‌شود.
  • هم چنین در مطالعه تنش‌ها در مهندسی مکانیک نیز کاربرد دارد.

نکته:

  • شیشه ناهمسانگردی ندارد و این ویژگی را نشان نمی‌دهد ولی بعضی شیشه‌ها این مشخصه را دارند و بین دو قطبشگر تغییر شدیدی را نشان می‌دهند و در نتیجه نور از بعضی قسمت‌ها عبور می‌کند. از این امکان برای مطالعه تنش در شیشه‌ها و در خط تولید کارخانجات شیشه استفاده می‌شود. دقت کنید بعضی شیشه‌ها که به نام شیشه نشکن معروف هستند بطور مصنوعی بین آن‌ها تنش ایجاد شده و بین دو قطبشگر عمود بر هم باعث عبور نور می‌شوند، ولی شیشه‌های اپتیکی و بعضی شیشه‌های دیگر که تنشی در آن‌ها ایجاد نشده است، نوری را عبور نمی‌دهند و کاملاً همسانگرد هستند.

سؤال و پیشنهاد:

  • مشاهده رنگ‌های مختلف در هنگام اعمال فشار به چه معناست؟
  • قطعات مختلف شفاف از قبیل لیوان، ظروف شیشه‌ای، پلاستیک‌ها و امثال این‌ها را بین دو قطبشگر قرار دهید و با چرخاندن آن ببینید که آیا قطعه­ شفاف از نوع شیشه‌ای یا اصطلاحاً آمورف (Amorphous) است یا نوعی ناهمسانگردی دارد؟
  • می‌توانید اجسام مختلف را به روش‌های مختلف تحت تنش قرار دهید و اثر آن را بین دو قطبشگر مشاهده کنید.
  • اگر یک لیوان شیشه‌ای را بین دو قطبشگر عمود برهم نگاه کنید در بعضی از لیوان‌ها که اصطلاحا لیوان نشکن می‌گویند تنش‌های زیادی را می‌بینید. علت آن را بررسی کنید؟
  • ظرف‌های شیشه‌ای و نشکن و قطعه‌های پلاستیکی که در دسترس دارید بین دو قطبشگر عمود بر هم بررسی کنید.

ایده‌پردازی:

  • می‌توانید ابزاری برای ارزیابی و بررسی هر قطعه بین دو قطبشگر بسازید و ناهمسانگردی محیط‌های شفاف را بین آن مطالعه کنید.
  • طرحی برای مطالعه ناهمسانگردی محیط‌های غیرشفاف بدهید.
  • سعی کنید یک فرایند طبیعی که به مرور زمان تغییر وضعیت همسانگردی می‌دهد را به طور زنده ارزیابی کنید. این پدیده می‌تواند خودبخود اتفاق بیافتد یا با تغییر پارامترهایی مثل دما یا فشار و … ایجاد شود. بررسی این ویژگی‌ها می‌تواند ایده ساخت یک حسگر را بدهد. در این باره فکر کنید. در واقع هر عاملی که بتواند همسانگردی یا ناهمسانگردی محیطی را اثر بگذارد می‌تواند بررسی و حسگری شود.

آزمایش‌های مرتبط:

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با