جذب نور چیست؟

جذب یک تابش الکترومغناطیسی، فرایندی است که در آن انرژی یک فوتون توسط ماده (معمولاً الکترون‌های یک اتم) گرفته می‌شود. طی این فرایند انرژی الکترومغناطیسی به سایر اشکال انرژی، مانند انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. فرایند جذب نور را در هنگام انتشار امواج، تضعیف می‌گویند. در اغلب موارد، جذب امواج به‌شدت آن‌ها بستگی ندارد، بااین‌حال در شرایطی خاص، ممکن است محیط انتقال با توجه‌ به شدت موجی که از آن می‌گذرد شفافیت خود را از دست بدهد و پدیده جذب اشباع‌پذیر رخ دهد. با توجه ‌به مقدمه‌ای که بیان شد، در این مقاله قصد داریم به بررسی پدیده و فرایند جذب نور بپردازیم. با ما همراه باشید.

جذب نور مرئی

اتم‌ها و مولکول‌ها، حاوی الکترون هستند. برای سادگی بحث، بهتر است که فرض کنیم این الکترون‌ها به‌وسیله تعدادی فنر به اتم‌ها متصل شده‌اند. این الکترون‌ها و اتم‌های متصل به آنها، تمایل به ارتعاش در فرکانس‌های خاص دارند. الکترون‌های اتم مانند یک چنگال کوک (Tuning fork)  یا حتی یک آلت موسیقی که دارای فرکانس طبیعی هستند، تمایل به ارتعاش دارند. هنگامی که یک موج نور با همان فرکانس طبیعی به یک اتم برخورد می‌کند، آنگاه الکترون‌های آن اتم در حالت حرکت ارتعاشی قرار می‌گیرند که می‌توان آن را نمونه‌ای از اصل تشدید دانست.

اگر یک موج نوری با فرکانس معین با الکترون‌هایی که فرکانس‌های ارتعاشی یکسانی دارند، برخورد کند، آن الکترون‌ها انرژی موج نور را جذب کرده و آن را به حرکت ارتعاشی مبدل می‌کنند. در طی این ارتعاش، الکترون‌ها با اتم‌های همسایه به‌گونه‌ای برهم‌کنش می‌کنند که انرژی ارتعاشی آن را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند. متعاقباً موج نور با آن فرکانس‌های داده شده، توسط جسم جذب می‌شود و پس از آن هرگز به شکل نور آزاد نخواهد شد. بنابراین جذب انتخابی نور توسط یک ماده خاص، به این دلیل اتفاق می‌افتد که فرکانس انتخابی موج نور، با فرکانس ارتعاش الکترون‌های اتم‌های آن ماده سازگار است. در نتیجه از آن جایی که اتم‌ها و مولکول‌های مختلف دارای فرکانس‌های طبیعی ارتعاش متفاوتی هستند، به‌طور گزینشی فرکانس‌های متفاوتی از نور مرئی را جذب می‌کنند.

بنابراین جذب نور با فرکانس نسبت مستقیمی دارد. اگر جذب نور و فرکانس، مکمل یکدیگر باشند، نور جذب می‌شود و اگر مکمل نباشند، نور از جسم عبور می‌کند یا انعکاس می‌یابد. این فرایندها معمولاً هم‌زمان اتفاق می‌افتند، چرا که نور معمولاً در فرکانس‌های مختلف منتقل می‌شود. به‌عنوان‌مثال، نور خورشید همچنین شامل نورهایی با فرکانس‌های مختلف است؛ از حدود ۴۰۰ نانومتر گرفته تا ۸۰۰ نانومتر. بنابراین، اکثر اجسام به‌طور گزینشی نور را جذب، انتقال یا منعکس می‌کنند. هنگامی که نور جذب می‌شود، گرما تولید می‌شود. به‌این ترتیب همان‌طور که در بالا ذکر کردیم، جذب گزینشی نور توسط یک ماده خاص زمانی رخ می‌دهد که فرکانس موج نور با فرکانس ارتعاش الکترون‌های اتم‌های آن ماده مطابقت داشته باشد.

مقاله نور مرئی و نامرئی چیست؟ به شما کمک می‌کند تا تعریف جامع و کامل نور مرئی و نور نامرئی را بدانید.

انواع جذب نور

همان‌طور که در بخش قبل ذکر شد، هر چیزی قادر به جذب نور است. به‌عنوان‌مثال، مولکول‌های آلی، فرایند جذب نور را به‌خوبی انجام می‌دهند. اگر یک مولکول آلی دارای الکترون‌هایی باشد که فرکانس طبیعی بالایی دارند، نوری که فرکانس بالایی دارد را نیز جذب می‌کنند. هرچه سیستم مزدوج طولانی‌تر باشد (سیستم مزدوج، سیستمی از ‌اوربیتال‌های پی است که با الکترون‌های غیرمحلی شده متصل شده‌اند)، طول موج نور جذب شده نیز بیشتر است.

یک مثال دیگر: بیایید تصور کنیم که در حال قدم‌زدن در پارکی با علف‌های فراوان و گل‌های زیبا هستیم. همان‌طور که مطلع هستید، همه موجودات زنده رنگ مخصوص به خود را دارند. ما می‌توانیم از این امر نتیجه بگیریم که همه موجودات زنده یا غیرآلی، نور را به‌طور هم‌زمان منعکس، جذب و انتقال می‌دهند. هر ماده‌ای، فرکانس خاص خود را دارد که الکترون‌هایش در آن ارتعاش می‌کنند، بنابراین اگر فرکانس‌ها مکمل یکدیگر باشند، فرایند جذب نور رخ می‌دهد، اما از طرف دیگر، اگر فرکانس‌های مکمل نباشند، نور انعکاس پیدا کرده یا منتقل می‌شود. رنگ‌هایی که در اطراف خود مشاهده می‎کنیم، نتیجه انتقال، جذب و بازتاب نور ناشی از فرکانس‌های غیرمکمل هستند.

گروه گیاهان (به‌علاوه جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها) نور را برای تولید قند جذب می‌کنند. نور، انرژی و برخی دیگر از محصولات بیوشیمیایی مفیدی را که گیاه برای رشد پیوسته و موفقیت‌آمیز به آن‌ها نیاز دارد، به گیاه می‌رساند.

کاربرد جذب نور

با اتکا بر این روش، فیزیک‌دان‌ها قادر هستند که خواص و ترکیب مواد یک جسم را از طریق مشاهده فرکانس‌های نوری که جذب می‌کند، تعیین و شناسایی کنند. درحالی‌که برخی از مواد برای برخی از طول‌ موج‌ها، شفافیت خود را از دست می‌دهند و حالت مات‌گونه به خود می‌گیرند، ممکن است برای برخی دیگر از موج‌ها شفاف بودن خود را حفظ کنند. برای مثال، چوب نسبت به تمام اشکال نور مرئی مات است. از طرف دیگر، شیشه و آب نسبت به نور فرابنفش مات هستند، اما در برابر نور مرئی شفاف هستند.

جذب نور و رنگ‌ها

جذب تابش الکترومغناطیسی، به میدان مخالف نیاز دارد، یعنی همان میدانی که در همان حالت دارای ضریب مخالف است. یک مثال خوب در این مورد، رنگ است. اگر یک ماده نوری با طول موج یا رنگ‌های خاصی از طیف را جذب کرد، ناظر این رنگ‌ها را در نور بازتابی نمی‌بیند. از طرف دیگر، اگر طول موج‌های خاصی از رنگ‌ها از مواد منعکس شوند، این‌ها همان رنگ‌هایی هستند که ناظر می‌تواند ببیند. به‌عنوان‌مثال، برگ‌ها حاوی رنگ‌دانه کلروفیل هستند که رنگ‌های آبی و قرمز طیف مرئی را جذب می‌کند و رنگ سبز را انعکاس می‌دهد، به همین خاطر برگ‌ها، سبزرنگ به نظر می‎رسند. با چشم غیرمسلح، اغلب به‌نظر می‌رسد که نور منعکس‌شده، به چندین رنگ از طیف مرئی منکسر می‌شود. در نتیجه، جذب نور با فرکانس ماده (و فرکانس نور نیز) و طول موج، مرتبط است.

یکی از نورهای نامرئی، نور مادون قرمز است. برای آشنایی و کسب اطلاعات بیشتر درمورد نور مادون قرمز، مقاله مادون قرمز چیست؟ را مطالعه کنید.

جذب نور و ماده

الکترون‌ها تنها می‌توانند در سطوح انرژی گسسته وجود داشته باشند (که می‌توان این‎ها را پوسته‌های الکترونی نیز نامید)، اما نمی‌توانند در نیمه راه وجود داشته باشند. پایین‌ترین سطح انرژی که یک الکترون می‌تواند در آن قرار گیرد، حالت پایه نامیده می‎شود. برای این که یک الکترون از سطح انرژی پایین‌تر به سطح انرژی بالاتر حرکت کند، بایستی مقداری انرژی جذب کند، چرا که سطوح انرژی کوانتیزه می‌شوند. این بدان معناست که انرژی جذب‌شده توسط الکترون، باید دقیقاً برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح انرژی (بالا و پایین) باشد. زمانی که یک الکترون انرژی جذب می‌کند، به سطح انرژی بالاتر و دورتری نسبت به هسته ارتقا پیدا می‌کند و تحت عنوان «برانگیخته» توصیف می‌شود.

الکترون‌ها دوست ندارند که در وضعیت برانگیخته باقی بمانند. این بدان معناست که پس از برانگیختگی و حرکت به سطح انرژی بالاتر، به‌زودی به سطح انرژی اولیه خود بازمی‌گردند. بااین‌حال آن‌ها برای انجام این کار، باید یک بسته انرژی آزاد کنند که آن را فوتون می‌نامند. اندازه فوتون آزاد شده دقیقاً برابر است با اندازه جهشی که الکترون بایستی در وهله اول انجام دهد.

فوتون‌ها کاربردهای پزشکی و درمانی نیز دارند. فوتون‌تراپی یکی از این کاربردها است که برای پوست و زیبایی کاربرد دارد. برای آشنایی بیشتر با فوتون تراپی، می‌توانید مقاله فوتون‎تراپی چیست؟ را مطالعه کنید.

طیف‌سنجی جذبی

طیف‌سنجی جذبی تکنیکی است که برای اندازه‌گیری میزان جذب انرژی به کار برده می‌شود. طیف جذب یک ماده خاص، با یک نوار رنگی پیوسته و خطوط سیاه بین آن‌ها نشان داده می‌شود. قسمت‌های رنگی نشان‌دهنده کل نوری است که روی این ماده متمرکز شده است. خطوط سیاه، فقدان این نور را نشان می‌دهند و بیانگر بخش‌هایی هستند که الکترون‌ها، فوتون‌های نور را جذب کرده‌اند.

در این جا دو نوع طیف‌سنجی جذبی وجود دارد: اتمی و مولکولی. طیف‌سنجی اتمی روشی است برای تولید طیفی که اتم‌های آزاد طول موج‌های مختلف نور را جذب می‎کنند. این فرایند معمولاً برای گازها به کار برده می‌شود. طیف‌سنجی جذبی مولکولی روشی است برای تولید طیفی که مولکول‌های کامل طول موج‌های مختلف نور (معمولاً فرابنفش یا مرئی) را جذب می‌کنند.

کلام آخر

در این مقاله به بررسی چگونگی جذب نور و مراحل آن پرداختیم. در ابتدا پدیده جذب نور و نور مرئی را به‌تفصیل شرح دادیم و چگونگی فرایند جذب را به زبان علمی و ساده بیان کردیم. پس از آن مثال‌هایی از حالت‌های مختلف جذب نور آوردیم و در ادامه کاربرد آن را ذکر کردیم. سپس در جایگاه یک ناظر بیرونی، رنگ نور را در فرایندهای مختلف جذب نور بررسی کردیم و دیدیم که در هر حالت نور ممکن است چه رنگی به نظر برسد. پس از آن شفافیت و مات بودن اجسام و توانایی جذب نور آن‌ها را بیان کردیم و در آخر نیز تکنیک طیف‌سنجی جذبی را با استفاده از یک شکل رنگی شرح دادیم.

سؤالات متداول:

 آیا آب، نور را جذب می‌کند؟

خیر، آب خالص بی‌رنگ است؛ چه در حالت بخار، چه مایع و چه جامد و مولکول‌های آب نمی‌توانند نور مرئی را جذب کنند. بنابراین نمی‌توانند رنگ‌هایی مانند مولکول‎های رنگ یا رنگ‌دانه تولید کنند.

تفاوت بین انتقال و جذب نور چیست؟

تفاوت اصلی بین جذب و انتقال نور در این است که فرایند جذب نور، مقدار نور ورودی را که در هنگام حرکت در یک ماده جذب می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند و در فرایند انتقال، میزان انتقال نور را اندازه‌گیری می‌کند.

چرا فرایند جذب نور برای گیاهان مفید است؟

گروه گیاهان (به‌علاوه جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها) نور را برای تولید قند جذب می‌کنند. نور، انرژی و برخی دیگر از محصولات بیوشیمیایی مفیدی را که گیاه برای رشد پیوسته و موفقیت‌آمیز به آن‌ها نیاز دارد، به گیاه می‌رساند.