چگونه می‌توان نور تولید کرد؟

چگونه می‌توان نور تولید کرد؟ منابع طبیعی نور شامل خورشید، ستارگان (منبع انرژی هسته‌ای)، رعد‌وبرق (منبع الکتریکی) و آتش (منبع انرژی شیمیایی) است. تا قرن‌ها اینها تنها منابع نوری بودند که بشر از آن استفاده می‌کرد و هیچ روش و ابزار دیگری برای استفاده و تولید نور نداشت. این حقیقت مدت‌ها وجود داشت تا زمانی که انسان توانست با سوزاندن روغن‌های طبیعی شمع ایجاد کند و یک نور مصنوعی بسازد. اما روند تولید این نور چگونه پیش رفت؟ امروز ماهیت و واقعیت نور چیست؟ در این مقاله، نگاهی داریم به این موضوع که چگونه می‌توان نور تولید کرد و یک نور تولید شده چه مشخصاتی دارد. تا پایان همراه ما باشید.

منابع نوری مصنوعی

اگر بخواهیم بحث در مورد نور و منابع نوری مصنوعی را آغاز کنیم، نیاز است کمی پیش‌زمینه درباره این موضوع داشته باشیم. اینکه تاریخچه روشنایی قبل از الکتریسته به چه صورت بوده است و نور چیست؟ صحبت از این دو مبحث مهم را با یک اشاره مختصر آغاز می‌کنیم، اما اگر تمایل دارید اطلاعات بیشتری درباره تعریف نور و مشخصات نور بدانید، توصیه می‌کنیم تعریف نور را بخوانید.

هزاران سال پیش، زمانی که بشر با کشف آتش روبه‌رو می‌شود، یکی از منابع مهم طبیعی نور را پیدا می‌کند. منبعی که در آن روزها علاوه بر ایجاد نور می‌توانست عاملی برای محافظت از سرما و تهیه غذا باشد. کشف آتش و آشنایی با روش سوزاندن روغن‌های گیاهی باعث شد بشر به سمت ساخت شمع و بعد ساخت چراغ‌های شیشه‌ای و سفالی قدم بردارد. به‌این‌ترتیب اولین تجهیزات نورپردازی و ساخت نور متولد شد. همان‌طور که همه چیز در تمام این سال‌ها و قرن‌ها پیشرفت کرده است، نور هم از قافله عقب نماند و امروز به یکی از پیشرفته‌ترین امکانات زندگی انسان‌ها تبدیل شده است. با این مقدمه سراغ انواع منابع نوری مدرن ساخته بشر می‌رویم.

منابع نوری مدرن ساخته دست بشر عمدتاً سه نوع هستند:

• لامپ‌های رشته‌ای
• لامپ‌های فلورسنت
• لوله‌های تخلیه (مثل لوله‌های نئونی معروف که در تابلو فروشگاه‌ها استفاده می‌شود.)

مراحل تولید نور از طریق لامپ‌های رشته‌ای

یک لامپ شامل بدنه یا حباب شیشه‌ای است که رشته‌ای از سیم تنگستن را درون خود دارد. این مجموعه اتصال الکتریکی را با پایه فلزی که به پریز برق متصل می‌شود، ایجاد می‌کند. تنگستن را به این دلیل در لامپ به کار می‌برند که فلزی رسانا برای جریان الکتریسیته است و دارای نقطه ذوب بالا (۶۵۸۰ درجه فارنهایت) است. هنگامی‌که لامپ روشن می‌شود، به این معنی است که یک جریان الکتریکی الکترون از سیم تنگستن عبور می‌کند و سیم از برخورد الکترون‌ها با اتم‌های تنگستن گرم می‌شود. الکترون‌ها به طور پیوسته تحت تأثیر انرژی خارج شده از خروجی برق قرار می‌گیرند و این برخورد، انرژی را به اتم‌های تنگستن منتقل می‌کند.

نور مرئی و نامرئی

اجسام داغ می‌درخشند و نور می‌دهند، همان‌طور که سیم‌پیچ‌های یک توستر داغ قرمز می‌شوند و می‌تابند یا چوب و زغال‌های در حال سوختن نور تولید می‌کنند. رنگ‌های شعله در واقع دمای محلی گازها را نشان می‌دهد. در دمای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه فارنهایت، اجسام می‌درخشند و نور مرئی از خود نشان می‌دهند. این تشعشع حرارتی تنها قسمتی از نور مرئی است و بخش اعظمی از آن اشعه مادون‌قرمز است. تابش مدون قرمز را به‌عنوان گرمای ناشی از آتش می‌توانیم حس کنیم.

با این تفاسیر، نور مرئی یا همان نور که از آن صحبت می‌کنیم، تابش الکترومغناطیسی است که به چشم انسان و دیگر موجودات می‌رسد. طول موج نور مرئی از ۳۸- تا حدود ۷۴۰ نانومتر است.

نور نامرئی همان نور مادون قرمز است که توسط چشم انسان قابل رویت نیست.

برای یادگیری نحوه عملکرد یک نور فلورسنت یا یک لوله تخلیه، ابتدا باید اطلاعات بیشتری در مورد ساختار اتمی ماده داشته باشیم. در ادامه نگاهی به اجزای اتمی خواهیم انداخت تا درک بهتری از نور و فرایند ساخت آن کسب کنیم.

اجزای اتم

هر اتم سه جزء یا ذرات بنیادی دارد که یک اتم معمولی را تشکیل می‌دهد:

• الکترون
• پروتون
• نوترون

پروتون‌ها و نوترون‌ها ساختار بسیار محکمی را در داخل اتم تشکیل می‌دهند که به آن هسته اتمی می‌گویند. الکترون‌ها به نوبه خود به این هسته متصل هستند، اما نه آن‌قدر که توانایی جداشدن از هسته را نداشته باشند و نه آن‌قدر که به‌راحتی جدا شوند. پروتون‌ها و نوترون‌ها از نظر خواص تقریباً یکسان هستند. تفاوت عمده بین این دو در این است که پروتون‌ها دارای بار الکتریکی مثبت هستند، درحالی‌که نوترون‌ها هیچ بار الکتریکی ندارند و همان‌طور که از نام آنها مشخص است، خنثی هستند. الکترون‌ها هم دارای بار هستند. بار آنها دقیقاً همان پروتون است، اما از نظر ارزش، منفی است.

یکی دیگر از ویژگی‌های قابل‌اندازه‌گیری این اجزا، جرم آنها است. پروتون‌ها و نوترون‌ها تقریباً جرم یکسانی دارند. هرکدام حدود ۲۰۰۰ بار جرم بیشتری از یک الکترون دارند؛ بنابراین، در بیشتر موارد، این هسته اتم است که جرم اتم را تعیین می‌کند و نه الکترون‌های اطراف آن.
اما اندازه اتم با گسترش الکترون‌ها در اطراف هسته تعیین می‌شود و یک اتم معمولی حدود ۱۰۰هزار برابر اندازه هسته آن است.

الکترون، کوچک‌تر از اندازه‌ای است که بتوان یک اندازه مشخص برای آن تعیین کرد. با این ‌وجود، دارای ویژگی‌های قابل تشخیصی است که به ما اجازه می‌دهد آنها را طبقه‌بندی کنیم. همچنین، اگرچه ما از پروتون و نوترون به‌عنوان اجزای اتم صحبت می‌‌کنیم اما آنها به نوبه خود از ذرات دیگر ساخته شده‌اند که کوارک نامیده می‌شود.

پس وقتی جزو کوچک‌تری مثل کوارک برای آنها وجود دارد به این معنی است که می‌تواند به ذرات دیگری هم تبدیل شوند. به‌عنوان‌ مثال، نوترون می‌تواند خودبه‌خود به یک پروتون به‌علاوه یک الکترون و سومین ذره بنیادی خنثی، موسوم به نوترینو (به معنی نوترون کوچک‌تر) تبدیل شود.

رفتار نیروها و انرژی‌های اتم

چهار نوع نیروی اساسی در طبیعت وجود دارد. این نیروها را می‌توانیم بر اساس نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی گرانشی و نیروی مغناطیسی گروه‌بندی کنیم. این نیروها همه چیزهایی هستند که برای توضیح فعل‌وانفعالات فیزیکی در طبیعت و جهان به آن نیاز داریم. همه چیز ریشه گرفته از این چهار نیروی بنیادی طبیعت است.

هر یک از این نیروها رفتار خاص خود را دارند. به‌عنوان‌مثال، نیروی گرانش همیشه جاذب است. برای تعامل دو جسم از طریق این نیرو، هر یک باید جرم داشته باشند.

نیروی الکتریکی سه رفتار متفاوت از خود نشان می‌دهد: الکتریکی، مغناطیسی و نیرو الکتروضعیف. نیروهای الکتریکی و مغناطیسی اغلب نیروی الکترومغناطیسی نامیده می‌شود.

بار الکتریکی

ویژگی موردنیازی که دو جسم باید داشته باشند تا بتوانند از طریق نیروی الکترومغناطیسی برهم‌کنش کنند، جرم نیست، بلکه بار الکتریکی است که می‌تواند مثبت یا منفی باشد. بار الکتریکی در کوچک‌ترین واحد (یعنی بار الکترون یا پروتون) وارد می‌شود و گفته می‌شود که کوانتیزه شده است. بنابراین کل بار الکتریکی روی یک جسم باید چندبرابر واحد بنیادی بار باشد. برخلاف گرانش که همیشه جاذب است، این تعامل می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد.

هنگامی که اجسام دارای بارهای علامت مخالف (- و +) باشند، جاذبه و وقتی دارای بارهای یک علامت هستند (+ و+)، (- و -)، دافعه ایجاد می‌شود. دومین تفاوت مهم این است که این نیرو بسیار قوی‌تر از نیروی گرانشی است. به‌عنوان ‌مثال، اگر دو پروتون را در نظر بگیریم، نیروی جاذبه آنها بسیار ضعیف‌تر از دافعه الکتریکی آنهاست. به همین دلیل است که برای همه اهداف عملی، می‌توانیم اثرات گرانشی آنها را به‌طورکلی نادیده بگیریم.

وقتی بارهای الکتریکی برای تولید جریان الکتریکی حرکت می‌کنند، برهم‌کنش مغناطیسی متوقف می‌شود. این جریان الکتریکی است که نیروی مغناطیسی را تولید می‌کند. سایر نیروهای غیر از گرانش که ما مستقیماً آنها را تجربه می‌کنیم، منشأ الکترومغناطیسی دارند. همه نیروهای شیمی (به جز شیمی هسته‌ای)، فشارها، کشش‌ها، نیروهای کششی، نیروهای حرکتی و غیره، همه الکترومغناطیس هستند.

نیروی هادرون بین پروتون‌ها و نوترون‌ها، تمایل دارد تا در فاصله‌های بسیار کوچک کاملاً دفع‌کننده باشد. اما برخلاف نیروهای گرانشی یا الکتریکی، بافاصله‌های بزرگ‌تر خارج از هسته به‌سرعت تأثیر خود را از دست می‌دهد. به این دلایل، از این نیرو به‌عنوان نیرویی با «هسته سخت» و «برد کوتاه» یاد می‌شود. در مقابل، هر دو نیروی گرانشی و الکترومغناطیسی «برد بلند» هستند.

تولید نور در لامپ‌های فلورسنت و لوله‌های تخلیه

تا اینجا درباره نور‌های طبیعی و نور لامپ‌های رشته‌ای (تولید شده توسط تنگستن) صحبت کردیم. اکنون که اطلاعات زمینه‌ای درباره اتم‌ها دارید و می‌دانید سازوکار آنها و خصوصیات ابتدایی آن چگونه است، می‌توانیم درباره دو نوع دیگر از منابع نور مصنوعی صحبت کنیم. لوله‌های تخلیه لوله‌هایی شیشه‌ای حاوی گاز در فشار کم هستند، به‌طوری‌که اتم‌های لوله نسبتاً از هم فاصله دارند و برهم‌کنش شدیدی ندارند. ولتاژ بالا روی لوله و بین الکترودهای فلزی در هر دو طرف اعمال می‌شود. جریان یون‌ها از طریق لوله، اتم‌های گاز را تحریک می‌کند و برانگیختگی تابشی نوری به‌وجود می‌آورند.

گاهی اوقات لوله‌ها از شیشه‌های رنگی ساخته می‌شوند به‌طوری‌که تنها یکی از رنگ‌های مشخص ظاهر می‌شود. متداول‌ترین مثال، استفاده از لوله‌های تخلیه در تابلوهای فروشگاه با استفاده از چراغ‌های نئون است. مثال دوم لامپ فلورسنت است.

ساختار لامپ

لامپ‌های فلورسنت حاوی ترکیبی از گازهای بی‌اثر (معمولاً آرگون و نئون) همراه با قطره جیوه در فشار کم هستند. اگر یک لامپ فلورسنت را بررسی کنید، گاهی اوقات می‌توانید پوشش نقره‌ای جیوه‌ای مشخص را در قسمت‌هایی از شیشه در نزدیکی هر دو انتهای آن مشاهده کنید.
لامپ‌های فلورسنت به پریزهای مخصوصی متصل می‌شوند که از ترانسفورماتور برای تولید ولتاژ بالا در لوله استفاده می‌کنند. بخار جیوه مشخصه خود را تولید می‌کند درست مانند لوله تخلیه جیوه که دارای یک جزء ماوراءبنفش قوی در طول موج ۲۵۰ نانومتر است.

داخل لوله شیشه‌ای با یک پوشش فسفری پوشیده شده است که برای جذب نور (UV جذب تابشی) طراحی شده و طیف وسیعی از نور مرئی را با طول موج‌های بلندتر (یا فرکانس‌های کمتر یا کاهش انرژی) مجدداً منتشر می‌کند این فرایند جذب نور در طول موج‌های کوتاه‌تر، فلورسانس نامیده می‌شود.

در مورد نور، منابع نوری طبیعی، منابع نوری مصنوعی و مراحل تولید نور از طریق لامپ‌های رشته‌ای، فلورسنت و لوله‌های تخلیه صحبت کردیم. اکنون می‌دانید اتم از چه اجزایی تشکیل شده و رفتار و انرژی‌هایی که به هر یک از این اجزا وارد می‌شوند، چه نقشی در تولید نور دارند و چگونه می توان نور تولید کرد. اگر دوست داشتید اطلاعات بیشتری درباره نور و سایه کسب کنید، مقاله چرا نور سایه ندارد؟ را بخوانید.

کلام آخر

در این مقاله سعی کردیم علمی‌ترین و ثابت‌شده‌ترین تعریف‌هایی که برای رفتار و تولید نور منتشر شده است را با شما در میان بگذاریم تا با اصول واقعی تولید نور در لامپ‌ها و منابع مصنوعی مختلف آشنا شوید. شما اگر بخواهید مراحل تولید نور را توضیح دهید چه می‌گویید؟ نظرها و دیدگاه‌‌های خود را با ما به اشتراک بگذارید.

سؤالات متداول

منابع نوری چه هستند؟

منبع نوری هر چیزی است که از آن نور ساطع شده و به چشم ما می‌رسد. منابع نوری طبیعی شامل خورشید، ستارگان، رعدوبرق و آتش است. منابع نوری مصنوعی هم شامل مواردی چون لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های تنگستن و لوله‌های تخلیه است.

نور مرئی و نامرئی چیست؟

نور مرئی، تابش الکترومغناطیسی است که به چشم انسان و دیگر موجودات می‌رسد. طول موج نور مرئی از ۳۸- تا حدود ۷۴۰ نانومتر است. نور نامرئی همان نور مادون قرمز است که توسط چشم انسان قابل رویت نیست.

دو جسم چگونه از طریق نیروی الکترومغناطیسی نور تولید می‌کنند؟

ویژگی موردنیاز که دو جسم باید داشته باشند تا بتوانند از طریق نیروی الکترومغناطیسی برهم‌کنش و نور تولید کنند، بار الکتریکی آنها است. این بار الکتریکی می‌تواند مثبت یا منفی باشد.