فیزیک

«فیزیک»

مقدمه

فیزیک از واژه یونانی physikos به معنی طبیعی گرفته شده و physics به معنی طبیعت است. پس، علم طبیعت را فیزیک نامیدند. در آغاز، فیزیک همه پدیده های طبیعی را بررسی می­کرد، اما با پیشرفت علوم به تدریج برخی از شاخه های علوم طبیعی از فیزیک جدا شدند. در قرون اخیر تعاریف متفاوت و زیادی از فیزیک داده شده است، زمانی فیزیک را علمی می دانستند که درباره انرژی و تبدیل انواع انرژی به یکدیگر گفتگو می کند. اما با پیشرفت مکانیک کوانتومی، امروزه علم فیزیک را دانشی می دانند که تنها رفتار و اثر متقابل ماده و نیرو را مطالعه می کند.

فیزیک ماقبل تاریخ

از روزگاران باستان مردمی سعی می کردند رفتار ماده را بفهمند و بدانند که چرا مواد مختلف خواص متفاوتی دارند؟ چرا برخی مواد سنگین تر از برخی مواد دیگر هستند؟ هر چند زمین و رفتار اجرام آسمانی مانند ماه و خورشید برای همه معما بود، اما احتمالاً مهمترین معمای فیزیک انسان چگونگی پیدایش خود جهان، وسعت و عمر آن بوده است. پیش از آنکه یونیان نظریه کروی بودن زمین را مطرح کنند، اکثر مردم معتقد بودند که زمین مسطح است.

هندوها معتقد بودند که زمین مسطح بر شانه 4 فیل قرار گرفته است، فیل نیز بر پشت چهار لاک پشت ایستاده اند و لاک پشت ها در اقیانوس پهناور شناورند. مصریان زمین را رب النوع کب می پنداشتند که به پهلو دراز کشیه و اله نات، تجسم خورشید، بر روی آن خمیده است.

الکتریسیته و مغناطیس

در حدود 600 سال قبل از میلاد، تالس متوجه شد هر گاه صمغ فسیل شده ای که در سواحل بالتیک یافته بود که در آن زمان الکترون نامیده می شد و امروزه کهربا نامیده می شود، با یک قطعه پوست مالش داده شود، می تواند پر، نخ یا کرک را به خود جذب کند. همچنین کلمه ماگنت به معنی آهنربا از یک شهر قدیمی یونان به نام ماگنیا که در نزدیکی آن نخستین سنگ آهنربا کشف شد، گرفته شده است. آهنربا، اکسیدی از آهن است که خواص مغناطیسی یعنی آهنربایی دارد.

گفته شده است که تالس نخستین کسی بود که خواص آنرا تشریح کرده است. گفته اند وی در سال 585 قبل از میلاد وقوع کسوفی را پیش پیش گویی کرد و کسوف به وقوع پیوست.

معادلات ماکسول و بحران فیزیک کلاسیک

علم مغناطیس از مشاهده برخی سنگها که تکه های آهن را جذب می کردند، سرچشمه گرفته است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می تواند سمت گیری عقربه های قطب نما را تغییر دهد و اثرهای مغناطیسی تولید کند. فاراده تولید جریان الکتریکی را بر اثر تغییر شار مغناطیسی کشف کرد و بدین وسیله اتحاد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی اثبات گردید. سرانجام ماکسول این کشفیات را به صورت معادلات ریاضی عرضه کرد.

یکی از نتایج مهم معادلات ماکسول ثابت بودن سرعت نور بود که موجب شد مایکلسون با استفاده از آن و نسبیت گالیله اقدام به اندازه گیری سرعت زمین نسبت به اتر کند.

اثر مغناطیسی جریان الکتریکی

پس از کشف جریان الکتریکی توسط ولتا، فیزیک دانان علاقه زیادی به آزمایش روی جریان الکتریکی پیدا کردند. مهمترین نتیجه این بررسی ها کشف اثر مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی بود. خواص مغناطیسی جریان الکتریکی در سال 1820 توسط اورستد فیزیک دان دانمارکی کشف شد. وی بر اثر تصادف مشاهده کرد که در اطراف سیم حامل جریان الکتریکی، آثار مغناطیسی وجود دارد و جریان الکتریکی، عقربه قطب نما را منحرف می کند.

همان طور که نیروی موثر بر بارهای الکتریکی نیروی الکتریکی نام دارد، نیروهای موثر بر آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را نیروی مغناطیسی می گویند. بنابراین اورستد نشان داد که جریان الکتریکی، نیروی مغناطیسی تولید می کند. در سال 1878 رولاند در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (در آزمایش وی، قرص باردار در حال دوران) نیز منشأ اثرهای مغناطیسی است.

جریان الکتریکی

جریان الکتریکی در الکتریسیته، جریان سرعت عبور الکترونها در یک سیم مسی یا جسم رسانا است. جریان قراردادی در تاریخ علم الکتریسیته ابتدا به صورت عبور بارهای مثبت تعریف شد. اما امروزه می دانیم که در صورت داشتن رسانای فلزی، جریان الکتریسیته ناشی از عبور بارهای منفی یعنی الکترون ها و در جهت مخالف است. به رغم درک این اشتباه، کماکان تعریف قراردادی جریان تغییری نکرده است.

نمادی که عموماً برای نشان دادن جریان الکتریکی یعنی میزان باری که در ثانیه از مقطع هادی عبور می کند، I است که واحد آن آمپر می باشد. در یک هادی عایق شده مانند یک قطعه سیم مسی، الکترون های آزاد شبیه مولکول های گازی که در ظرفی محبوس شده اند، حرکات کاتوره ای انجام می دهند و مجموعه حرکات آنها در طول سیم هیچ گونه جهت مشخصی ندارد.

سرعت رانش: میدان الکتریکی که بر روی الکترون های هادی اثر می کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی کند. چون الکترون ها پیوسته با یون های هادی برخورد می کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترون ها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می شود و الکترون های جریان، سرعت متوسط ثابتی که سرعت رانش نامیده می شود، به دست می آورند.

میدان الکتریکی: در اطراف هر ذره باردار، نیروی الکتریکی و در نتیجه میدان الکتریکی وجود دارد. برای تعریف میدان الکتریکی در یک نطقه معین از فضا، یک بار الکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرار داده، سپس مقدار نیروی الکتریکی وارد بر این واحد بار را به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف می کنند.

بار مثبت را نیز به عنوان بار آزمون تعریف می کنند. به بیان دقیق تر می توان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بر یک بار آزمون بر اندازه بار آزمون، زمانی که مقدار آن به سمت صفر میل می کند، تعریف کرد.

نحوه تولید امواج الکترومغناطیسی

بار الکتریکی ساکن، میدان الکتریکی می آفریند. اما بار الکتریکی متحرک علاوه بر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی نیز ایجاد می کند که در قانون آمپر به خوبی نشان داده شده است. بنابراین در اطراف یک بار الکتریکی متحرک دو میدان الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد. یعنی با تغییر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می شود. همچنین میدان مغناطیسی متغیر نیز به نوبه خود، یک میدان الکتریکی می آفریند که با قانون فاراده نشان داده می شود.

بنابراین یک بار الکتریکی در حال نوسان (شتابدار) در فضا امواج الکتریکی و مغناطیسی تولید می کند. بسامد این امواج با بسامد بار الکتریکی تولید کننده امواج برابر است.

طیف امواج الکترومغناطیسی

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل از کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه های ماورای زمین دریافت می کنیم. در واقع همه آگاهی هایی که درباره جهان داریم، توسط امواج الکترومغناطیسی به ما می رسد. بدیهی است که امواج الکترومغناطیسی خارج از زمین در گستره نور مرئی از آغاز آفرینش بشر مشاهده شده اند.

امواج رادیویی نوعی از تشعشعات الکترومغناطیسی است و هنگامی به وجود می آید که یک شیء باردار شده با بسامدی که در بخش بسامد رادیویی RF طیف الکترومغناطیسی قرار دارد نوسان کند. این محدوده بسامد از ده ها هرتز تا چند گیگا هرتز تغییر می کند.

نور

امروزه می دانیم که نور یک موج الکترومغناطیسی است و بخش بسیار کوچکی از طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الکترومغناطیسی پرداخت. چون مکانیک کلاسیک قادر به توضیح کامل امواج الکترومغناطیسی نیست، الزاماٌ بایستی به مکانیک کوانتوم مراجعه کرد. قبل از وارد شدن به مکانیک کوانتوم لازم است با برخی خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مکانیک کلاسیک را دانست.

لذا نخست با بررسی روند تکامل دانش نور، دلایل پیدایش مکانیک کوانتوم و نسبیت مشخص خواهد شد. آنگاه خواهیم دید که مکانیک کوانتوم و نسبیت چگونه مشکلات دانش نور را برطرف کردند.

نور چیست؟

از آنجایی که نور عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمی شد، سوال این بود که نور چیست؟ چرا می بینیم و نور چگونه و توسط چه چیزی تولید می شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می شود.

بعد از آن مسئله انعکاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینکه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را بازتابش می کنند؟ چرا از برخی اجسام نور عبور می کند و از برخی دیگر عبور نمی کند؟ چرا نور علاوه بر آنکه موجب دیدن است، موجب گرم شدن نیز می شود؟ نور چگونه منتقل می شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور چیست و نحوه انتقال آن چگونه است؟

اتاق تاریک

قانون انعکاس نور از دوران یونانیان شناخته شده بود. کتاب «علم نور» اثر اقلیدس حدود سیصد سال قبل از میلاد نوشته شد و سالیان سال مرجع علم نور نزد فیزیکدانان کشورهای اسلامی از جمله ابن هیثم بود. ابن هیثم کتابهای متعددی درباره نور نوشت. اولین کتاب او در سال 1270 میلادی به زبان لاتین برگردانده شد و تا سالهای متمادی مورد مطالعه اهل فن، از جمله روگر بیکن قرار گرفت. ابن هیثم در کتابهای خود تاکید کرده است که نقطه نظرهای او بر محور تحقیقات و آزمایشات پی ریزی شده است، نه بر اساس نظریه ها.

روگر بیکن سردمدار علوم طبیعی اروپا نیز به نوبه خود در تحقیقاتش از ریاضی و مشاهدات خود بهره جسته است. سال ها قبل از اینکه عکاسی اختراع شود، اساس کار دوربین عکاسی وجود داشت. این هیثم در قرن پنجم هجری/ یازدهم میلادی از وسیله ای به نام جعبه تاریک برای مشاهده کسوف استفاده کرده بود. اتاقک تاریک، جعبه یا اتاقکی است که فقط بر روی یکی از سطوح آن روزنه ای ریز، وجود دارد. عبور نور از این روزنه باعث می شود که تصویری نسبتاً واضح اما وارونه در سطح مقابل آن تشکیل شود.

محاسبه سرعت نور

اولین کسی که برای محاسبه سرعت نور اقدام کرد، گالیله بود. وی به اتفاق همکارش برای اندزه گیری سرعت نور دست به آزمایش زدند. روش کار به این طریق بود که همکار گالیله بالای تپه ای ایستاده بود و گالیله بالای تپه ای دیگر. هر دو با خود فانوسی داشتند که روی آنرا پوشانده بودند.

گالیله با برداشتن پرده از روی فانوس خود، به دستیارش علامت می داد. دستیار وی نیز به مجرد آن که نور فانوس گالیله را می دید، با برداشتن پرده از روی فانوس خود، به گالیله پاسخ می­داد. گالیله این آزمایش را با فواصل بیشتر و بیشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زمانی بین برداشتن پرده از روی فانوس خود و دستیارش به دست آورد. سرانجام گفت: «سرعت نور خیلی زیاد است».

نخستین بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر با استفاده از ماه گرفتگی محاسبه شد و معلوم شد که سرعت نور نیز محدود است. عددی که رومر بدست آورد 215 هزار کیلومتر در ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آنرا باور نمی کردند.

در سال 1726 برادلی با استفاده از تغییر وضعیت ستارگان نسبت به زمین، سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد. نخستین بار فیزیو با استفاده از روش غیر نجومی و اصلاح روش گالیله، سرعت نور را اندازه گیری کرد و مقدار آنرا سیصد و سیزده هزار کیلومتر بر ثانیه به دست آورد.

نور هندسی

تشکیل سایه و عبور نور از میان شکاف های بزرگ، نشان می دهد که نور حرکتی راست خط دارد. بنابراین نخستین باورها در مور مسیر حرکت پرتوای نوری این بود که مسیر نور خط راست است. اما با پیشرفتهای دستگاه های نوری و دقت بیشتر، مشخص شد که اگر طول موج تابش نور خیلی کوچکتر از روزنه ها و گذرگاههای محدود کننده مسیر نور باشد، می توان مسیر نور را خط راست در نظر گرفت.

اما اگر قطر روزنه قابل مقایسه با طول موج نور باشد، جدار روزنه روی پرتوی نوری اثر می گذارد و پدیده های تداخل و پراش نور رخ می دهد. ولی اگر طول موج نور خیلی کوچکتر از روزنه باشد، می توان پراش را نادیده گرفت و مسیر نور را از میان دستگاه نوری، حرکتی راست خط در نظر گرفت که در حوزه نور هندسی قرار می گیرد.

عدسی

عدسی ها مانند آینه ها دارای تصاویر حقیقی و مجازی هستند، هنگامی که پرتوهای نوری از عدسی عبور می کنند، تصاویر آنها را می توان روی پرده مشاهده کرد. این تصاویر از پرتوهای همگرا شده و واگرا شده بازتابی ایجاد می شود. اگر قطر قسمت میانی عدسی ضخیم تر از کناره عدسی باشد، عدسی را همگرا می گویند. عدسی همگرا دارای فاصله کانونی مثبت است و پرتوهای موازی را همگرا می کند. بر خلاف آینه ها که دارای یک کانون هستند، عدسی ها دارای دو کانون در فضای جلو و پشت عدسی می باشند.

نوع دیگر عدسی واگرا نامیده می شود که در آنها ضخامت کنار عدسی بزرگتر از قطر میانی عدسی می باشد و پرتوهای موازی را از هم باز می کند و دارای فاصله کانونی منفی است و دارای دو کانون در فضای جسم و تصویر می باشد.

پراش نور

وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه ای نور قرار گیرد، سایه ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد می شود که آنرا پراش نور می نامند. این اثر به آسانی قابل دیدن است، اما یک چشمه نسبتاً قوی ضروری است. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم، تحت روشنایی یک چشمه نقطه ای نگاه کنید، یک ناحیه روشن غیرمعمولی در کناره آن خواهید دید. حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل می شود.

اولین مطالعه تفصیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسیسکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.

پرتوهای موازی نور هنگام عبور از یک روزنه کوچک با یکدیگر تداخل می کنند. هر چقدر اندازه روزنه در مقایسه با طول موج نور کوچکتر باشد، این پدیده شدیدتر می شود. در روزنه های بزرگ نیز پراش نور وجود دارد، اما عملا قابل اغماض است. در پراش نخستین دایره سیاه رنگ را دیسک هوایی می نامند. از اندازه قطر دیسک هوایی به عنوان معیاری برای تعیین دقت یک ابزار نوری استفاده می شود.

اندازه دیسک هوایی فقط به اندازه روزنه و طول موج نور بستگی دارد. پدیده پراش انواع مختلفی دارد که مهمترین آنها پراش فرانهوفر، پراش فرنل، پراش جو، پراش الکترون، پراش نوترون و پراش اشعه ایکس می باشد.

ابیراهی

در دستگاه های نوری مرکز دار و عدسی ها، چنین فرض می شود که در تمام حالات از طرف جسم، دسته باریکی اشعه که شعاع اصلی آن عمود بر سطح عدسی باشد، می تابد. همچنین جسم کوچک عمود بر محور اصلی و نور تابشی تک رنگ فرض می شود، ولی در عمل شرایط فوق برقرار نیست. در نتیجه تصویری که توسط دستگاه از یک جسم حاصل می شود، با تصویر نظری یکسان نیست.

هر انحرافی از تصویر کامل، ابیراهی نامیده می شود که این انحراف برای نور تکرنگ شامل ابیراهی کروی، ابیراهی کما، انحنای میدان، اعوجاج و آستیگماتیسم می باشد. نور مرکب علاوه بر ابیراهی های مذکور، ابیراهی رنگی نیز خواهد داشت.

فیزیک لیزر

کلمه لیزر به معنی تقویت نور بوسیله گسیل القای تابش است که معمولاً در طول موج های مادون قرمز، مرئی و ماورای بنفش طیف الکترومغناطیس می باشد. به گسیل های لیزر گونه با طول موج های بلندتر در نایحه میکروویو، میزر گفته می شود. اصولاً لیزر به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می شود. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد استفاده از میزر در بسامدههای نوری، در مقاله ای توسط اسکاولو و تاونز دیده شد.

نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سراسر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکترومغناطیسی می شود، تایید کردند. اما این که چگونه پالس ها را مخابره کنند، مشکلات زیادی را به وجود می آورد. اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک ساخته شدند.

فهرست مطالب

مقدمه 1
فیزیک ماقبل تاریخ 2
الکتریسیته و مغناطیس 2
اثر مغناطیسی جریان الکتریکی 5
جریان الکتریکی 6
قانون القای فاراده 7
نحوه تولید امواج الکترومغناطیسی 9
دستگاه مقایسه ای اتر و معادلات ماکسول 11
نور 12
فیزیک لیزر 21
آزمایش مایکلسون و آغاز بحران فیزیک کلاسیک 24
نسبیت و مکانیک کوانتوم 28
جرم 30

مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، فهرست مطالب  و 31 صفحه متن (در قالب و ) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله  B Nazanin(15) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.

قیمت این مقاله 3900 تومان می باشد، جهت دریافت کامل متن مقاله (قابل ویرایش) بالای صفحه روی پرداخت و دریافت کلیک کنید

مشاهده فهرست مقالات علمی

نوشته شده در 30 شهریور ۱۴۰۱ توسط بهنام پروندی

لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂