Photonics reviewed by Ashkan Pashamehr, MScOE, SBUM-NC. By Shokofe Ashrafi. Updated on March 02, 2024.
خلاصه مطلب
با مطالعه این مقاله خواهید فهمید:
♦ چرا آسمان به رنگ آبی دیده می شود.
♦ چرا در غروب و طلوع آفتاب، آسمان به رنگ قرمز و نارنجی دیده می شود.
♦ چرا سطح دریاها آبی دیده می شود.
♦ چرا در بخش های عمیق دریاها و اقیانوس ها همه چیز آبی و سبز بنظر می آید.
♦ چرا نفوذ نور قرمز در خاک بیشتر از نور آبی است.
♦ چرا برای رشد بذر به نور آبی نیاز داریم.
♦ چرا تصویربرداری باکیفیت از بدن انسان، توسط نور با طول موج کمتر صورت می گیرد.
♦ نور UVC چگونه باعث ضدعفونی می شود.
طیف فرکانسی نور آبی و قرمز
امواج الکترومغناطیس رنج طول موج وسیعی را از امواج گاما (پایین ترین طول موج) تا امواج رادیویی (بالاترین طول موج) شامل می شوند که نور مرئی در محدوده 400 نانومتر تا 700 نانومتر قرار دارد.
شکل1- رنج وسیع طول موجی امواج الکترومغناطیس
نور قرمز و نور آبی هر دو اشکال نور مرئی هستند که نوعی تابش الکترومغناطیسی محسوب می شوند. آن ها بخشی از طیف الکترومغناطیسی هستند که در محدوده نزدیک، دارای انواع دیگری از نور مانند نور ماوراء بنفش (UV)، نور مادون قرمز (IR) و غیره هستند.
بررسی انرژی نور آبی و قرمز
از نظر انرژی، نور آبی انرژی بیشتری نسبت به نور قرمز دارد. انرژی فوتون نور با فرکانس آن نسبت مستقیم و با طول موج آن نسبت معکوس دارد. نور آبی فرکانس بالاتر و طول موج کوتاه تری نسبت به نور قرمز دارد، به این معنی که انرژی بیشتری به ازای هر فوتون حمل می کند.
طول موج کمتر ................. انرژی بیشتر ↑λ↓ ................. E
+ برای روشن شدن نور آبی نیاز به انرژی بیشتری نسبت به نور قرمز وجود دارد.
+ نور آبی طول موج کوتاه تر و فرکانس بالاتری نسبت به نور قرمز دارد.
+ نور آبی انرژی بیشتری نسبت به نور قرمز دارد، به این معنی که می تواند به طور موثرتری نسبت به نور قرمز به مواد خاصی نفوذ کند. این ویژگی اغلب در کاربردهای مختلف علمی و فناوری مورد استفاده قرار می گیرد.
به عنوان مثال، در تصویربرداری پزشکی و میکروسکوپ، از نور آبی می توان برای نفوذ و روشن کردن بافت ها یا نمونه های خاصی استفاده کرد که ممکن است به طور موثر نور قرمز به آن ها نفوذ نکند. نور آبی همچنین در برخی از انواع بازرسی های صنعتی و فرآیندهای کنترل کیفیت استفاده می شود. جایی که انرژی بالاتر امکان تفکیک بهتر و تشخیص جزئیات دقیق را فراهم می کند.
نور آبی و قرمز در تصویربرداری
در تصویربرداری پزشکی، از نور با طول موج های مختلف برای اهداف مختلف استفاده می شود. انتخاب رنگ نور و طول موج به نوع مورد نظر تصویربرداری و اهداف مطلوب بستگی دارد. این تصاویر می توانند با استفاده از انواع مختلف تجهیزات تصویربرداری پزشکی به دست آیند. در ادامه تعدادی از نمونه های شایع رنگ ها و طول موج های مورد استفاده در تصویربرداری پزشکی آورده شده است:
- اشعه X: این اشعه ها با طول موج کوتاه تر از نور مرئی (کمتر از 0.01 نانومتر) استفاده می شوند. آن ها به عنوان یکی از ابزارهای مهم در تصویربرداری پزشکی برای تشخیص بیماری ها و مشاهده ساختارهای داخلی بدن مانند استخوان ها و دندان ها به کار می روند. امواج نوری می توانند تصاویری با وضوح بالا ایجاد کنند. طول موج اشعه X کمتر از نور فرابنفش است، لذا انرژی بیشتری دارد پرتوهای ایکس پرانرژی با نفوذ به اعماق بافت و ایجاد تصاویری با وضوح بالا، حالت خاصی را تشکیل می دهند.
- اشعه ماورای بنفش (UV): این نوع نور دارای طول موج کوتاه تر از نور مرئی است و معمولا در تصویربرداری دندان پزشکی برای تشخیص مشکلات دندانی استفاده می شود.
- نور مرئی: در بسیاری از تصویربرداری های پزشکی، نور مرئی با انواع مختلف رنگ ها به کار می رود. به عنوان مثال در اسکوپی گوارشی، نور سفید یا نور مونوکروم رنگی مختلف استفاده می شود تا بازتاب از بافت های داخلی بدن را نمایان کند.
نور مادون قرمز (IR): این نوع نور با طول موج بلندتر از نور مرئی (بین 700 تا 1000 نانومتر) به کار می رود و معمولا در تصویربرداری ترموگرافی برای اندازه گیری دما و تغییرات گرمایی در بدن انسان استفاده می شود.
انتخاب رنگ و طول موج نور در تصویربرداری پزشکی به اهداف خاصی که می خواهید، بستگی دارد. هر نوع نور می تواند اطلاعات مختلفی را از بدن انسان یا نمونه های دیگر نشان دهد و در تشخیص بیماری ها و مشکلات بهداشتی مفید باشد.
شکل4- امواج ایکس و فرابنفش در تصویربرداری استفاده می شوند
نکته مهم- با این حال، توجه به این نکته مهم است که توانایی نور برای نفوذ به یک ماده نه تنها به انرژی (طول موج) آن، بلکه به عوامل دیگری مانند ترکیبات، ضخامت و خواص نوری ماده نیز بستگی دارد. در برخی موارد، بسته به این عوامل، نور قرمز حتی ممکن است در نفوذ به مواد خاص در مقایسه با نور آبی موثرتر باشد (در شرایط معمولی نور آبی انرژی بیشتر و نفوذ بیشتری دارد).
پراکندگی نور چیست؟
در سناریوهای روزمره، مانند عبور نور از آب، خاک یا هوا، نور قرمز و نور آبی هر دو می توانند به درجات مختلفی نفوذ کنند. توجه به این نکته بسیار مهم است که نور آبی به دلیل طول موج کوتاه تر، عموما بیشتر پراکنده می شود. به همین دلیل است که آسمان در طول روز آبی به نظر می رسد، زیرا طول موج های کوتاه تر نور (نور آبی) بیشتر توسط جو پراکنده می شود. منحنی زیر درصد پراکندگی نورهای مختلف را نشان می دهد.
شکل5- درصد پراکندگی طول موج های مختلف نور
بنابراین، درحالی که نور آبی انرژی بالاتری دارد و می تواند به طور موثرتری نسبت به نور قرمز به مواد خاصی نفوذ کند، ویژگی های نفوذ خاص می تواند تحت تاثیر ترکیبی از عواملی فراتر از طول موج نور باشد.
پراکندگی نور در طول موج آبی به پدیده ای اشاره دارد که نور با طول موج کوتاه تر (معمولا در محدوده طیفی آبی) توسط مواد مختلفی پراکنده می شود. این پراکندگی نور آبی به علت اختلاف سرعت نور در محیط های مختلف و انکسار نور در مواد مختلف ایجاد می شود.
در پراکندگی نور، نور وارد یک ماده می شود و به سطوح و ذرات مختلف در محیط برخورد می کند. این برخوردها باعث تغییر جهت نور می شود. بیشتر مواد در مقابل نور آبی بیشتر از نور قرمز و سایر طول موج ها پراکنده می شوند، این به این دلیل است که نور آبی دارای طول موج کوتاه تری است و انرژی بیشتری دارد.
یکی از نمونه های روزمره پدیده پراکندگی نور آبی می تواند آسمان آبی در روزهای آفتابی باشد. ذرات کوچک در جو زمین، مانند ذرات گردوغبار یا مولکول های هوا، نور آبی را بیشتر پراکنده می کنند که به ایجاد آسمان آبی و رنگ آسمان در طول روز کمک می کند.
در فیزیک، این پدیده به نام پراکندگی رایلی (Rayleigh Scattering) نیز شناخته می شود و به عنوان یکی از پدیده های مهم در علم نورپردازی و فیزیک مطالعه می شود.
اثر تیندال: پدیده پراکندگی نور توسط گردوغبار، ذرات، دود و قطرات آب معلق در هوا به صورت کلوئیدی به عنوان "اثر Tyndall" یا " Tyndall Scattering" شناخته می شود که اولین بار توسط جان تیندال در سال 1859 توضیح داده شد. شرایط اثر Tyndall، زمانی که قطر ذرات پراکنده کمی کوچکتر از طول موج نور استفاده شده باشد، نور با طول موج بلندتر بیشتر منتقل می شود در حالیکه نور با طول موج کوتاه تر پراکنده تر است.
توضیح مختصری درمورد اینکه چرا در یک روز آفتابی، آسمان به رنگ آبی دیده می شود را مشاهده کردید.
تعامل نور با آب
رنگ دریا عمدتا به دلیل پراکندگی نور خورشید توسط مولکول ها و ذرات آب، آبی به نظر می رسد. در حالی که رنگ آب تحت تاثیر ترکیبی از عوامل از جمله جذب و پراکندگی نور است، رنگ آبی دریا در واقع با طول موج و انرژی نور آبی مرتبط است.
نور در آب به طور selective پراکنده می شود و طول موج های خاصی از نور مرئی را جذب می کند. طول موج های بلند طیف نوری مانند قرمز، زرد و نارنجی می توانند به ترتیب تا 15، 30 و 50 متر(49،98 و 164 فوت) نفوذ کنند، در حالی که طول موج های کوتاه طیف نوری مانند بنفش، آبی و سبز می تواند بیشتر نفوذ کنند و تا مرزهای پایینی زون افوتیک بروند. نور آبی در عمیق ترین قسمت های دریاها نفوذ می کند، به همین دلیل است که آب های عمیق و شفاف اقیانوس و برخی از آب های گرمسیری در بیشتر مواقع آبی به نظر می رسند. علاوه براین، آب های شفاف تر ذرات کمتری برای تاثیرگذاری بر انتقال نور دارند و پراکندگی توسط آب خود رنگ را کنترل می کند. آب در مناطق کم عمق ساحلی دارای مقدار بیشتری از ذرات است که طول موج ها نور را به طور متفاوتی پراکنده یا جذب می کنند، به همین دلیل است که آب دریا در نزدیکی ساحل ممکن است رنگ سبز یا قهوه ای بیشتری داشته باشد.
منحنی زیر میزان نفوذ نورهای مختلف را در دریاها و آب های عمیق را نشان می دهد.
شکل6- میزان نفوذ انواع نور در دریا
در اینجا نحوه تعامل نور با آب دریا آمده است:
1- پراکندگی نور: هنگامی که نور خورشید وارد آب می شود، طیفی از رنگ ها (طول موج ها) از نور UV تا قرمز- دور را در بر می گیرد. با این حال، مولکول ها و ذرات آب، نور را پراکنده می کنند و این پراکندگی برای طول موج های کوتاه تر (آبی و سبز) در مقايسه با طول موج های بلندتر (قرمز و زرد) بیشتر است و لذا سطح دریاها آبی بنظر می آید.
2- انعکاس نور آبی: طول موج های آبی و سبز به احتمال زیاد پراکنده می شوند و به چشمان ما منعکس می شوند و هنگامی که از بالا مشاهده می شود، ظاهر آبی به آب می دهند. به همین دلیل است که ما رنگ دریا را آبی می بینیم.
3- عمق آب: رنگ آب بسته به عواملی مانند عمق آب، شفافیت و وجود ذرات می تواند متفاوت باشد. در آب هاى كم عمق، جایی که بستر دریا می تواند نور را بازتاب دهد، ممکن است رنگ بیشتر فیروزه ای یا آبی مایل به سبز به نظر برسد. در آب های عمیق تر و شفاف تر، رنگ آبی میتواند بارزتر باشد.به علاوه، عواملی مثل پلانكتون و آلگاها نيز می توانند به تغيير رنگ درياها کمک کنند. برای مثال، وجود جلبکها و پلانکتون ها می تواند در تغيیر رنگ دریا تأثير داشته باشند.
4- انرژی و طول موج: نور آبی در مقایسه با طول موج های بلندتر مانند قرمز و زرد دارای طول موج نسبتا کوتاه و انرژی بالاتری است. در حالی که این در فرآیند پراکندگی نقش دارد، رنگی که ما درک می کنیم نتیجه فعل و انفعالات پیچیدە ای است که هم پراکندگی و هم جذب نور را شامل می شود.
به طور خلاصه، رنگ آبی دریا تحت تأثیر موضوع پراکندگی نور خورشید است، با طول موجهای کوتاه تر مانند آبی که بيشتر پراکنده می شوند و به چشمان ما منعکس می شوند و ظاهر آبی خود را به آب می دهند. در حالی که انرژی و طول موج نور آبی به این پدیده کمک می کند، ترکیبی از عوامل است که در نهایت رنگ دریا را تعیین می کند.
اگر در عمق دریا یا اقیانوس دچار خونریزی شوید چون نور قرمز به داخل اعماق دریا نفوذ نمی کند لذا نور قرمزی وجود ندارد که از خون به چشم انسان منعکس شود و در نتیجه به رنگ سبز دیده می شود.
شکل7- عدم وجود نور قرمز در اعماق دریا
پس:
ا- سطح دریاها بدلیل پراکندگی نورهای با طول موج پایین توسط ذرات و مولکول ها، آبی دیده می شوند .
٢- نور آبی همچنین به دلیل طول موج پایین تر، انرژی بیشتری داشته و بیشتر در اعماق نفوذ می کند و به همین دلیل اجسام در عمق بالا نزدیک رنگ آبی و سبز دیده می شوند.
توضیح مختصری درمورد اینکه چرا سطح دریاها آبی دیده می شوند و چرا در اعماق اقیانوس ها همه چیز،حتی خون، سبز دیده می شود، ارائه شد.
تعامل نور با خاک
وقتی صحبت از نفوذ خاک به میان می آید، برهمکنش بین نور و خاک پیچیدە است و به عوامل متعددی از جملە ترکیب خاک، رطوبت، اندازه ذرات و محتوای مواد آلی شدت و طیف نور و سایر شرایط محیطی بستگی دارد. به طور کلی، رنگ های مختلف نور به دلیل سطوح مختلف انرژی و نحوه تعامل آنها با ذرات خاک، به اعماق مختلف نفوذ می کند. نور آبی انرژی بالاتر و طول موج کوتاه تری دارد که می تواند در مقایسه با نور قرمز منجر به نفوذ بهتر در خاک شود. با این حال، توجه به این نکته مهم حائز اهمیت است که حتی نور آبی نیز ممکن است به عمق خاک نفوذ نکند، به خصوص در مواردی که خاک متراکم تر یا فشرده تر است..
شکل8- میزان نفوذ انواع نور در خاک
به طور کلی مطابق شکل فوق، طول موج های بلند (Far-Red) طیف نوری مرئی، عمیق تر به خاک نفوذ می کنند، طول موج های کوتاه (آبی)در سطوح کم عمق تر از بین می روند. فوتون های نوری با طول موج های قرمز و Far-Red می توانند عمیق تر از فوتون های نور آبی نفوذ کنند. دلایل این امر به شرح زیر است:
جهت مطالعه ادامه مقاله، اینجا کلیک کنید و فایل PDF را دریافت نمایید.
