چرا آسمان آبی و ابرها سفید هستند؟

بررسی پراکندگی و مشاهده مسیر انتشار نور لیزر در آکواریوم

 

مقدمه:

پراکندگی نور از جمله پدیده‌هایی است که به طور روزمره با آن سر و کار داریم و باعث دیده‌ شدن اجسام پیرامون ما می‌شود. هنگامی که یک دسته پرتو موازی به ‏سطحی غیر صیقلی می‌تابند، بازتاب آن‌ها به ‏صورت پرتوهایی است که در جهات مختلف ‏پراکنده شده و به چشم ما می‌رسند و به این ترتیب ما اجسام را در نتیجه پراکنده شدن نور از سطح آن‌ها، می‌بینیم. در صورتیکه سطح تمام اجسام کاملاً صیقلی بود، بازتاب‌های بسیار زیاد، ناشی از آن سطوح مانع می‌شد که آن‌ها را به صورت کنونیشان ببینیم.

رنگ آبی آسمان، رنگ سفید ابر و فواره و همینطور خط ناشی از عبور پرتو لیزر از درون مایع نیز نمونه‌های به نسبت پیچیده‌تری از پدیده پراکندگی می‌باشند. تنوع شرایطی که پدیده پراکندگی در آنها اهمیت می‌یابد موجب می‌شود که از زوایای گوناگون به این پدیده نگاه کنیم. بدین منظور می‌توان تمام پدیده‌های پراکندگی را در قالب دو گروه اصلی دسته‌بندی کرد: پراکندگی از ذرات معلق در هوا و مایعات و همچنین پراکندگی از سطوح غیر صیقلی. در هر دو حالت، چه داخل محیط و چه روی سطح ذرات، ساختار پراکننده‌ای وجود دارد که پراکندگی نور را باعث می‌شود. مسئله پراکندگی گاهی با جذب همراه است ولی این دو را فعلا جداگانه در نظر می‌گیریم و برای محیط جذبی در نظر نمی‌گیریم و فقط به مسئله پراکندگی می‌پردازیم. مثلا یک شیشه شفاف با سطحی صیقلی دارید. در شرایط ایده‌آل که سطح کاملا صیقلی است و ذرات گرد و غبار هم روی آن نیست، نور کاملا متناظر با وضع اولش در جهت آینه‌ای بازتاب می‌‌شود. در صورتیکه همین سطح شیشه با پودر سمباده یا با روش موسوم به سند بلاست، مات شود، می‌بینیم که لکه نور لیزر روی سطح به صورت یک نقطه نورانی که در تمام جهات پراکنده شده است و غیر از زاویه بازتاب آینه‌ای، جهات دیگر را نیز روشن کرده است، دیده می‌شود. این همان اثر غیر صیقلی بودن سطح و پراکندگی از خلل و فرج سطح شیشه است. در این مثال، جذبی در نظر گرفته نشده و فقط سطح، ناصاف شده است.

فعلا به پراکندگی در محیط، مثلا از ذرات معلق در هوا یا آب یا هر محیط دیگر می‌پردازیم. پراکندگی از ذرات معلق به نوع و ابعاد ذرات بستگی دارد. اگر ذرات خیلی ریز باشند، پراکندگی وابستگی طول موجی نیز خواهد داشت. به همین دلیل است که با پراکندگی نور از جو زمین، آسمان در روز به رنگ آبی و هنگام غروب به رنگ قرمز دیده میشود. برای ذرات بزرگتر و کروی، پراکندگی وابستگی کمتری به طول موج دارد مثلاً در مورد ذرات آب معلق در ابر، پراکندگی وابستگی چندانی به طول موج ندارد بنابراین تمام طول موج‌ها به یک میزان پراکنده گشته و در نهایت ابر به رنگ سفید دیده می‌شود.

پراکندگی پدیده جالبی است که می‌توان به کمک آن، به اطلاعات بیشتر و دقیق‌تری در رابطه با نور و محیط پراکننده، دست یافت. زمانی که جذب نور در محیط ناچیز باشد، با برخورد نور به عامل پراکننده، بارهای مثبت و منفی محیط به ارتعاش در آمده و در نتیجه آن، تابش می‌کنند. یکی از ویژگی‌های این نوع تابش آن است که می‌تواند قطبیده باشد. قطبش نور پراکنده شده، در راستای عمود بر امتداد انتشار قابل ثبت و بررسی است. در واقع نوری که از آسمان به ما می‌رسد نیز به همین علت قطبیده می‌باشد و مشاهده  آن، به جهت تابش و موقعیت ما بستگی دارد که می‌توان به کمک یک قطبشگر آن را بررسی کرد.

 

هدف:

پراکندگی نور از جو موجب می‌شود که ما آسمان را آبی ببینیم.  تغییرات رنگی آن هنگام طلوع و غروب خورشید نیز بخاطر وابستگی پراکندگی به طول موج نور و اندازه ذرات پراکننده است. بنابراین اگر از جو زمین خارج شویم، آسمان را به رنگ سیاه خواهیم دید. چون در فضا ذرات پراکننده نور وجود ندارند و بنابراین نور خورشید و ستارگان در محیط پراکنده نمی‌شود. به همین دلیل است که خط نور لیزر نیز در اتاق دیده نمی‌شود و برای مشاهده آن باید اطاق را تاریک کرده و مسیر را با ذراتی از قبیل گرد و خاک، اسپری، دود یا ذرات ریز دیگر پر کنیم تا نور لیزر در مسیر پراکنده شود. در این آزمایش قصد داریم با افزودن مواد مختلف به آب آکواریوم، پراکندگی پرتو لیزر از ذرات معلق در آب را بررسی نماییم.

 

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

می‌خواهیم نور لیزر را از ظرف حاوی آب عبور دهیم و با افزودن مواد پراکننده، پراکندگی نور از آن‌ها و قطبش نور پراکنده شده را بررسی کنیم. برای بررسی پراکندگی نور لیزر در اثر مواد متفاوت، به اقلام زیر نیاز داریم:

 

آزمایش:

  • لیزر را روی پایه نصب کنید و آن را مقابل ظرف آب قرار دهید.
  • لیزر را به ظرف بتابانید. هرچه آب صاف‌تر و املاح آن کمتر باشد خط نور سخت‌تر دیده خواهد شد، بطوریکه استفاده از آب مقطر، مشاهده این خط را به حداقل می‌رساند و ممکن است فقط در اتاق تاریک بتوانید خط کمرنگی را ببینید. البته خط نور در راستای عمود بر آن سخت‌تر دیده می‌شود و در راستای خود نور، احتمال دیده شدن بیشتر می‌شود. همچنین خط نور را وقتی که از سمتی که لیزر تابیده می‌شود، نگاه کنیم پرنورتر از زمانی که از روبرو به سمت لیزر به آن نگاه کنیم، دیده می‌شود.
  • کمی چای به آب آکواریوم اضافه کنید. خط نور را مشاهده خواهید کرد. البته پراکندگی در تمام راستاهای عمود بر انتشار نور لیزر تقریبا دیده می‌شود و تغییرات کمتری دارد. ذرات پراکننده برگ چای، جاذب نور لیزر هستند. در واقع در این حالت ذرات چای موانع ریز و نامنظمی هستند که نور را در جهات مختلفی بازتاب می‌کنند.
  • حالا چند قطره شیر کم چرب اضافه کنید. باز هم شاهد خط نور خواهید بود. شیر، نور لیزر را جذب نمی‌کند ولی ملکول‌های چربی در شیر، به صورت معلق و کلوییدی در می‌آیند و می‌توانند نور را پراکنده کنند. به ملکول‌های چربی شیر، ذرات پراکننده می‌گوییم. جالب است که در این حالت پراکندگی در قطبش نور اثر دارد و چون نور لیزر استفاده شده (لیزر دیودی)، تقریبا قطبیده خطی است. در برخی راستاهای عمود بر راستای انتشار نور لیزر، پراکندگی پرنور و در راستای عمود بر آن پراکندگی حذف می‌شود. این نکته مهمی است که نشان‌دهنده چگونگی برهمکنش غیر جذبی نور با ملکول‌های شیر است.
  • وسط عدسی را با یک تکه کاغذ سیاه بپوشانید تا نور عبوری از آن قسمت، از تصویر حذف شود. حال عدسی را طوری مقابل لیزر قرار دهید که باریکه لیزر به مرکز عدسی تابانده شود. به تصویر باریکه بر روی پرده دقت کنید.

  • حال بدون تغییر در چیدمان آزمایش، آکواریوم حاوی آب و شیر را بین لیزر و عدسی قرار دهید. چه تغییری در تصویر باریکه لیزر بر روی پرده می‌بینید؟

 

کاربرد:

  • پراکندگی کاربردهای متنوعی دارد. برای مثال اگر آب خالص املاحی برای پراکنده کردن نور نداشته باشد از شدت نور لیزر عبوری در راستای تابش کم نمی‌کند، در حالیکه املاح موجود در آب، نور را پراکنده می‌کنند و در نتیجه از شدت نور در راستای مستقیم کم شده و نور زمینه و اطراف افزایش پیدا می‌کند. از همین پدیده و این ایده برای ارزیابی میزان غبار و همینطور سطح آرد در سیلوها و کاربردهای مشابه استفاده می‌شود.

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • مسئله رنگ آسمان در روز و هنگام غروب و شرایط آلودگی جزو سؤال‌های مهم بشر از قدیم بوده است. می‌توانید در این‌باره اطلاعات بیشتری از اینترنت یا دیگر مراجع بدست آورید و با آن اطلاعات، طرح آزمایش کنید.
  • آزمایش تیندل با نور سفید از جمله آزمایش‌های مهم در شناخت پراکندگی بود که می‌توانید اجرا کنید. برای این کار به ظرف حاوی آب و مقداری شیر کم چرب، نور سفید بتابانید و رنگ نور را در عبور از مایع و عمود بر آن مقایسه کنید. این تفاوت با آنچه در آسمان می‌بینید شباهت دارد.
  • پراکندگی نور از آب حاوی شیر یا آب حاوی چای را تجربه کنید و تفاوت آن‌ها را بررسی و درباره علت آن فکر کنید. لازم به ذکر است که تفاوت اصلی قابل مشاهده آن‌ها، در قطبیده کردن نور است.
  • با یک قطبشگر میزان قطبیدگی قسمت‌های مختلف آسمان را بررسی کنید و آن را تحلیل کنید.

 

ایده‌پردازی:

  • دستگاهی طراحی کنید که با استفاده از پراکندگی، میزان آلایندگی موجود در آب ارزیابی شود. این طرح را می‌توانید برای بررسی میزان عوامل پراکننده در هر محیطی اجرا کنید.

 

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