دانلود مقاله نسبیت خاص

اختصاصی از فایلکو دانلود مقاله نسبیت خاص دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

ترسیمی از یک مخروط نوری
نسبیت خاص نظریه‌ای درباره ی اصول نسبیت و حرکت در چهارچوب های لخت می باشد. این نظریه در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین فیزیکدان آلمانی الاصلی که تابعیت امریکایی داشت مطرح شد. نسبیت خاص درک فیزیکی ما را از شماری از پدیده های اطراف خود که پیش از آن توسط نسبیت نیوتن و معادلات گالیله بررسی می شدند تغییر می دهد.
تاثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت‌های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور) قابل ملاحظه می شود. بنابر این نظریه ی نسبیت همانطور که اصل همخوانی فیزیک ایجاب می کند باید نتایج مشاهدات قبلی را به شکل کامل تری بیان کند. در ادامه همانطور که خواهید دید داریم :
‎ (تبدیلات لورنتس) = (تبدیلات گالیله) ‎
البته در نظر داشته باشید که هنگامی که c به سمت بی نهایت می رود ( همانطور که پیش از اثبات متناهی بودن سرعت نور فرض می شد ) کسر v/c به سمت صفر می رود. این بدان معناست که تبدیلات لورنتس که اساس نظریه ی نسبیت خاص هستند در سرعت های بسیار کم نسبت به نور، نتایج یکسانی را با معادلات گالیله که اساس نسبیت نیوتونی هستند به دست می دهند

اصول موضوعهٔ نسبیت خاص

آزمایش مایکلسون-مورلی
نسبیت خاص مانند هر فرضیه ی دیگری بر اساس دو پنداشت پایه ریزی شده است. بر اساس این فرض ها و با استفاده از تبدیلات لورنتس نسبیت خاص شکل می گیرد.
اصل موضوع اول: اصل نسبیت
قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌های لَخت یکسان هستند و هیچ چهارچوب لخت مرجعی وجود ندارد.
این اصل که پیش از نسبیت خاص در نسبیت نیوتونی نیز بوده است بیان می کند که تمامی چهارچوپ هایی که با سرعتی ثابت ( بدون شتاب ) حرکت می کنند هم ارز و یکسان هستند ، بدین ترتیب هیچ چهارچوب لختی بر چهارچوب دیگر برتری یا با دیگری تفاوت ندارد.
به سخنی دیگر اصل نسبیت (با در نظر گرفتن یک شرایط ایده آل) می‌گوید که اگر شما در آزمایشگاه سربسته ای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با سرعت ثابتی نسبت به زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمی‌توانید تعیین کنید که سرعت‌تان نسبت به زمین چقدر است. در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک چارچوب لخت است (این موضوع درباره ی زمین به تقریب صادق است)، همچنین فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت می‌کنید و آزمایشگاه هیچ لرزش و تکانی ندارد.
اصل موضوع دوم: ثابت جهانی سرعت نور
سرعت نور در خلاء برای تمام ناظران لَخت ثابت و برابر c است و به حرکت چشمه ی نور یا حرکت ناظر بستگی ندارد.
به سخنی دیگر اگر شما سوار اتومبیلی باشید که با سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند و اتومبیل دیگری با سرعت ۲۰ کیلومتر بر ساعت به شما نزدیک شود، سرعت نسبی اتومبیل شما و اتومبیل مقابل تقریباً برابر با ۷۰ کیلومتر بر ساعت خواهد بود، اما بر طبق این اصل اگر چشمهٔ نوری با سرعت دلخواهی به شما نزدیک شود و شما هم با سرعت متفاوتی به سمت آن چشمه حرکت کنید باز هم سرعت نور نسبت به شما همان c خواهد بود. چنین چیزی کاملاً مخالف شهود روزمرهٔ ی ماست.
تبدیلات لورنتس
تصور کنید که شما در یک آزمایشگاه شیشه ای مکعب شکل با نام S قرار دارید که دیوارهای آن مدرج شده است و شخص دیگری در آزمایشگاه شیشه ای مکعب شکل دیگری با نام 'S قرار دارد بطوریکه با سرعت V نسبت به شما در حرکت است (یا شما با سرعت V- نسبت به او در حال حرکت هستید)
فرض کنید که دو ساعت دقیق را که با هم همزمان شده اند برای هر آزمایشگاه داریم و در یک لحظه هر دو را به کار می اندازیم. حال اگر یک رویداد در یکی از آزمایشگاه ها مانند S رخ دهد ما می توانیم آن رویداد را با یک مختصات چهار بعدی به شکل نشان دهیم. یعنی مثلاً می توانیم بگوییم که این رویداد در فاصله ی 2 متری از طول کف اتاق ، 3 متری از عرض کف اتاق و در ارتفاع 5 متری و در ثانیه ی 10 رخ داده است. حال اگر ناظری که در دستگاه 'S می باشد و همانطور که گفتیم با سرعت V نسبت به ما در حال حرکت است این رویداد را ببیند و مختصات را اندازه بگیرد تبدیلات لورنتس رابطه ای به ما می دهد که با استفاده از آن می توانیم این مختصات اندازه گیری شده در این دو آزماشگاه را به یکدیگر تبدیل کنیم.
تبدیلات لورنتس که توسط ریاضیدان و فیزیکدان آلمانی هندریک لورنتس با استفاده از روابط هندسی و دو فرض همسانگرد و همگن بودن فضا برای توجیه نظریه ی اتر به دست آمد اساس نظریه ی نسبیت خاص می باشد. همسانگرد بودن فضا بدین معناست که خواص آن در تمامی جهات یکسان است. همگن بودن فضا بدین معناست که خواص فضا به نقطه ای که شما در آن قرار دارید بستگی ندارد. فرض همسانگرد بودن فضا به ما اجازه می دهد که بتوانیم حرکت ذره را در راستای محور x ها بررسی کنیم( یعنی از راستاهای y و z برای خلاصه سازی چشم پوشی کنیم ) ، فرض همگن بودن فضا تضمین می کند که این معادلات حتماً درجه اول هستند ، یعنی تنها توان اول متغیرهای ما می توانند دخالت داشته باشند.( چون اگر به توان دوم یا درجات بالاتر بستگی داشته باشند اثبات می شود که آنگاه طول یک میله بستگی به نقطه ای از فضا که میله در آن قرار گرفته است دارد ، یعنی مثلاً یک میله که بدون حرکت در ارتفاع 5 متری قرار دارد با هنگامی که همان میله بدون حرکت در ارتفاع 3 متری قرار دارد طول متفاوتی دارد و این خلاف شهود ماست)
نکته جالب توجه این است که این معادلات پیش از چاپ مقاله ی آلبرت انیشتین در رابطه با الکترودینامیک دراجسام متحرک به دست آمده بود اما فرض وجود اتر و فضایی برای انتشار امواج الکترومغناطیس به قدری قوی بود که این تبدیلات به عنوان تلاشی برای اصلاح آن فرضیه عنوان شد. چند سال بعد انیشتین به گونه ی دیگری با استفاده از دو پنداشتی که در پیش گفته شد به تبدیلات لورنتس رسید ! همانگونه که خود انیشتین نیز گفته است : " تمامی نتایج نسبیت خاص می توانند از تبدیلات لورنتس به دست آیند."
تبدیلات لورنتس بدین گونه اند :

که در آن و نام گذاری می شوند.
پیامدهای نسبیت خاص
دو اصل موضوع نسبیت خاص به همراه فرض‌های دیگری، مانند همگن و همسانگرد بودن فضا، منجر به نتایجی می‌شوند که همانند خودِ این اصل موضوع‌ها خلاف شهود و تجربه‌های روزمرهٔ ما هستند. با وجود این، این پیامدها بارها در آزمایش‌های گوناگون آزموده شده و مورد تأیید قرار گرفته‌اند. امروزه نسبیت خاص کاملاً پذیرفته شده است و جزئی از دانش عملی هر فیزیکدانی به شمار می‌آید. این پدیده‌ها به طور ریاضی از تبدیلات لورنتس نتیجه می‌شوند.
نسبی بودن هم‌زمانی
اگر یک ناظر لَخت دو پدیدهٔ آ و ب را هم‌زمان ببیند، ناظر لخت دیگری که با سرعت نسبت به ناظر اول حرکت می‌کند، بسته به شرایط ممکن است پدیدهٔ آ را زودتر، هم‌زمان، یا دیرتر از پدیدهٔ ب ببیند. هم‌زمانی در نسبیت خاص معنای مطلق و نیوتنی خود را از دست می‌دهد و پدیده‌ای نسبی می‌شود.
انقباض طول
یک میله که در راستای طول خود در حرکت است، به چشم یک ناظر ساکن، کوتاه‌تر به نظر می‌رسد. به زبان ریاضی:

'l طول میله از دید ناظر 'S است که با سرعت v نسبت به چارچوب S که میله در آن ساکن است، حرکت می‌کند. l طول میله در چارچوب سکون S است.
اتّساع زمان
یک ساعت متحرک، به چشم یک ناظر ساکن، کندتر از ساعت مشابهی که ساکن است کار می‌کند. به زبان دیگر، زمان در چارچوب متحرک، به چشم ناظر ساکن، کندتر می‌گذرد. این پدیده ربطی به ساختار فیزیکی ساعتها ندارد.
اگر ناظر S یک بازهٔ زمانی را τ اندازه بگیرد، ناظر 'S همان بازهٔ زمانی را 'τ اندازه می‌گیرد:

یعنی ناظر متحرک آن بازه را طولانی‌تر می‌بیند.
تعریف جدید تکانه
وقتی به جسمی نیرو وارد می‌شود، آن جسم شتاب می‌گیرد. در تصویر نیوتنی این شتاب از روابط و p = mv به دست می‌آید. در تصویر نسبیتی، تکانه به صورتی تعریف می‌شود تا با اصول نسبیت سازگار باشد. به زبان ریاضی:

در این رابطه m0 جرم سکون ذره است، یعنی جرم ذره در چارچوبی که نسبت به ذره ساکن است. برخی از مردم ضریب γ را به جرم ذره نسبت می‌دهند و برخی آن را به خود تکانه. از دیدگاه دستهٔ دوم جرم ذره کمیتی ناورداست و تکانه یک کمیت فیزیکی همورداست.
هم‌ارزی جرم و انرژی
انرژی کل یک ذره در نسبیت خاص برابر است با E = mc2 که در آن m جرم ذره و c سرعت نور است. انرژی در حال سکون ذره برابر است با E = m0c2 که در آن m0 جرم سکون ذره است.
برخی از کاربردهای نسبیت خاص
• انرژی اتمی، چه نوع انفجاری‌اش (در بمب اتمی) و چه نوع کنترل‌شده‌اش (در نیروگاه هسته‌ای) از رابطهٔ معروف E = mc2 پیروی می‌کند.
• جهش گونه‌های زیستی: یکی از منشاءهای احتمالی برای جهش‌های ژنتیکی، پرتوهای کیهانی است. جزء اصلی پرتوهای کیهانی که به سطح دریا می‌رسند، ذره‌ای به نام میوئون است. این ذره در لایه‌های بالایی جو از برخورد اتمها با پروتونهای پرتوهای کیهانی ساخته می‌شود و بسیار ناپایدار است. میوئون‌ها سرعت بسیار زیادی دارند و اگر به خاطر اتساع زمان نسبیتی، طول عمرشان زیاد نمی‌شد، این ذره‌ها خیلی پیش از آن که به سطح دریا برسند، نابود می‌شدند.
• سامانه موقعیت‌یاب جهانی (جی‌پی‌اس) متشکل از ماهواره‌هایی است که در مدار زمین قرار دارند. گیرنده‌های ویژه‌ای موسوم به گیرنده‌های جی‌پی‌اس به کمک این ماهواره‌ها می‌توانند طول و عرض جغرافیایی و زمان را با دقت زیادی اندازه بگیرند. در طراحی این ماهواره‌ها و گیرنده‌ها، اثرات نسبیت خاص (و نیز اثرات نسبیت عام) به دقت در نظر گرفته شده‌اند و بدون آن‌ها این سیستم کاملاً بی‌فایده می‌شد.

آزمایش مایکسون - مورلی
نگاه اجمالی
آزمایش مایکسون - مورلی را آلبرت مایکلسون که در آن هنگام در مدرسه علوم کاربردی کیس بود و ادوارد مورلی از دانشگاه وسترن رزرو در همسایگی کیس ، هر دو در کلیولند اوهایو ، انجام دادند. این آزمایش نشان داد که سرعت نور در جهات مختلف ، تحت تأثیر حرکت زمین نیست. این نتیجه ، از نظر تجربی ، دلیل قاطعی بود علیه موجودیت اثیر (یا اتر) که وجودش برای انتشار امواج الکترومغناطیسی لازم شمرده می‌شد.

آلبرت انیشتین ، چندی بعد (1905) بطور نظری نشان داد که (فرضیه) اثیر با نظریه نسبیت خاص او سازگار نیست. در این نظریه ، انیشتین بنا را بر این گذاشت که سرعت نور ، ثابتی عام است و به حرکت ناظر یا حرکت چشمه نور بستگی ندارد. این واقعیت با این برداشت که امواج الکترومغناطیسی آشفتگیهایی هستند که در محیط زمینه‌ای مانند اثیر انتشار می‌یابند، سازگاری ندارد.
سیر تحولی و رشد
آزمایش مایکلسون - مورلی دنباله مطالعات اولیه مایکلسون در زمان دانشجویی‌اش در برلین زیر نظر هرمان فون هلمر و ولتز بود. او در سال 1880 در آنجا تداخل سنج مایکلسون را ساخت و در همان زمان به کمک آن آزمایش اولیه‌ای را که برای آشکارسازی اثرات حرکت زمین در اثیر طراحی شده بود، پتسدام انجام داد. این آزمایش اساس آزمایشی را که هفت سال بعد انجام شد، تشکیل داد. مایکلسون پس از انتقال به کیس با مورلی آشنا شد و در سال 1884 آنها با همکاری یکدیگر آزمایش آرمان فیزو را با موفقیت تکرار کردند. مایکلسون - مورلی به درخواست لرد ریلی که انجام دوباره آزمایش پتسدام مایکلسون را ضروری می‌دانست، آزمایش هر دو آنها را در آوریل 1887 آغاز کردند.
اساس آزمایش مایکلسون - مورلی
اساس آزمایش ساده بود. اگر دو باریکه نور ، یکی به موازات حرکت زمین و دیگری در راستای عمود بر آن مسافتهای یکسانی را در اثیر طی کنند، زمانهای یکسانی برای پیمودن مسیر رفت و برگشت سپری نخواهد شد. اگر سرعت نور را C ، طول مسیر رفت و برگشت را 2L و سرعت فرضی زمین نسبت به اثیر را V << C بگیریم. تفاوت زمان بین دو مسیر رفت و برگشت در حدود L (V²/C³ خواهد بود.

اگر از یک باریکه نور آغاز کنیم و بعد آن را به دو قسمت کنیم، بطوری که دو قسمت یکی از دو مسیر مورد نظر را بپیماید و هنگام بازگشت آن دو را با هم ترکیب کنیم، اثر این تفاوت زمانی آن است که یکی از این دو باریکه با اندکی اختلاف فاز نسبت به دیگری به مقصد خواهد رسید. در نتیجه ، فریزهای تداخلی که در وضعیت هم فاز بودن باریکه‌ها قابل مشاهده است اندکی جابجا شوند. اگر دستگاه چرخانده شود تا باریکه‌ای که در ابتدا به موازات حرکت زمین حرکت می‌کرد در راستای عمود بر آن حرکت کند، جابجایی فریز باید بیشینه باشد. در این حالت جابجایی مورد انتظار برابر 0.04 فاصله بین دو فریز متوالی محاسبه شد. و این اثری قابل اندازه گیری بود.
اهمیت آزمایش مایکلسون - مورلی
• تخته سنگ سنگینی که تجهیزات اپتیکی روی آن قرار داشت در حوضی از جیوه غوطه ور شده بود. بدین ترتیب ، نه تنها امکان چرخاندن دستگاه به نرمی فراهم شده بود، بلکه آنرا از لرزشهای بیرونی نیز منزوی ساخت. و این چیزی بود که مشکل اساسی آزمایش پتسدام به شمار می‌آمد.
• با استفاده از شانزده آینه بجای دو آینه ، طول سیر نور به 36 فوت افزایش پیدا کرده بود. با چنین مسیری که تقریبا 10 برابر مسیر قبلی بود جابجایی مورد انتظار ناشی از حرکت زمین در اثیر در حدود 0.4 فاصله فریزهای متوالی پیش بینی می‌شد.
نتایج آزمایش مایکلسون - مورلی
این آزمایش بین 8 تا 12 ژوئیه 1887 انجام شد. و مایکلسون در نامه‌ای که اندکی بعد به ریلی نوشت با اکراه نتیجه را چنین گزارش داد:

آزمایشهای مربوط به حرکت نسبی زمین و اثیر به پایان رسیده‌اند و نتیجه قاطعانه منفی است. انحراف مورد انتظار فریزهای تداخل از صفر که باید 0.4 فریز بوده است، حداکثر 0.02 فریز بطور میانگین بسیار کمتر از 0.01 فریز و آن هم در جای درست خود نبود، چون جابجایی متناسب با مجذور سرعتهای نسبی است. نتیجه این است که اگر اثیر از کنار (زمین) نلغزد، سرعت نسبی کمتر از یک ششم سرعت زمین است.

اثر فتوالکتریک
اثر فتوالکتریک که برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین شرح داده شد. بر اساس این پدیده وقتی که یک کوانتوم انرژی نوری یعنی یک فوتون در یک ماده نفوذ می کند، این احتمال وجود دارد که بوسیله الکترون جذب شود. و الکترون انتقال پیدامی کند.
پدیده فتوولتائیک
اثر فتوالکتریک که برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین شرح داده شد. بر اساس این پدیده وقتی که یک کوانتوم انرژی نوری یعنی یک فوتون در یک ماده نفوذ می کند، این احتمال وجود دارد که بوسیله الکترون جذب شود. و الکترون انتقال پیدامی کند.

اخیراً دانشمندان آمده اند سلولهای خورشیدی ساخته اند. وقتی که امواج الکترو مغناطیسی خورشید برروی آن می تابد، جفت ماده ها ( الکترون و پوزیترون ) یعنی در نوار گاف نیم رسانا به تعداد زیاد تولید می شود «تولید زوج). در نتیجه برهم کنشهای فیزیکی بین ذرات صورت می گیرد که نهایتاً منجر به یک پیل خورشیدی می شود.

مواد سازنده سلول های خورشیدی

ماده ای که سلولهای خورشیدی از آنها ساخته می شود سیلیکون و آرسینورگالیم هستند. سلولهایی که از سیلیکون ساخته می شوند از لحاظ تئوری بازده ماکزیمم حدود 22 درصد دارند. ولی بازده عملی آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتی که بازده سلولها یی که از آرسینورگالیم ساخته می شود بازده عملی آنها بیشتر از 20 درصد است.

ماهواره های دریافت کننده انرژی خورشیدی

یک ایستگاه فضایی در مداری که هم زمان با زمین در حرکت باشد دایماً با تابش خورشید روشن می شود. برقراری ماهواره های خورشیدی در مدار زمین بطور جدی در سال 1968 پیشنهاد شد. در این ماهواره ها پانل هایی ساخته اند از جنس آرسینوگالیم که انرژی خورشید را دریافت و تبدیل به جفت الکترون می کند، در داخل ماده الکترون ها شروع به حرکت می کنند که نهایتاً منجر به تولید الکتریسته می شود. ضریب توان سلولها 18% ولتاژ بالای آن 40 کیلو وات با 5% اتلاف توان محاسبه شده است

تاریخچه
در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.
ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.
مشخصات اثر فوتوالکتریک
• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.
اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v0 نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv0 به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:
mv2/2 = hv - w
رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.
اثر کامپتون
اطلاعات اولیه
زمانی که یک پرتو نور بر روی ماده‌ای می‌تابد، انواع برهمکنشهای مختلف بین فوتون و ماده متصور است (اثر تابش بر ماده). از جمله این برهمکنشها ، می‌توان به اثر کامپتون اشاره کرد. می‌توان گفت که این اثر مستقیم‌ترین گواه بر خاصیت ذره‌ای نور می‌باشد. در زندگی روزمره خود بارها این اثر را مشاهده می‌کنیم. به عنوان مثال ، نور خورشید بعد از تابش با عناصر موجود در جو زمین اندرکنش انجام می‌دهد.
تاریخچه
پایه محکم دیگر برای فرضیه کوانتومی ‌نور ، توسط فیزیکدان آمریکایی ، آرتور کامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. کامپتون نوازنده گیتار ، قهرمان تنیس و محقق نامداری در بررسی پرتو کیهانی بود. کامپتون دانشمند تجربی‌کار متعصبی بود که میل داشت برخورد کوانتومهای نور و الکترونها را ، عینا مانند برخورد گلوله‌های عاج بر روی میز بیلیارد ، تصور و تجسم کند. اثر کامپتون مستقیم‌ترین گواه بر طبیعت ذره‌ای تابش است.

نظریه کلاسیک پراکندگی امواج الکترومغناطیسی
وقتی امواج الکترومغناطیسی تکفام به ذره بارداری که اندازه آن از طول موج تابش خیلی کمتر است برخورد کند، اصولا میدان الکتریکی متغیر سینوسی موج ، بر روی این ذره باردار اثر می‌گذارد. این ذره تحت تاثیر نیروی الکتریکی متغیر ، با همان فرکانس تابشی ، حرکت نوسانی هماهنگ انجام می‌دهد و چون بطور پیوسته شتاب می‌گیرد، در تمام جهات با همان فرکانس تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کند.

بنابراین نظریه کلاسیک پیشگویی می‌کند که تابش پراکنده دارای همان فرکانس تابش فرودی خواهد بود. ذره باردار نقش یک عامل انتقال را بازی می‌کند، زیرا انرژی را از پرتو فرودی می‌گیرد و مجددا آن را با همان فرکانس ، ولی در تمام جهات پراکنده می‌کند. نظریه کلاسیک پراکندگی برای تابش با طول موجهای مرئی و همه طول موجهای بلندتر با تجربه توافق دارد.
نظریه کوانتومی ‌پراکندگی امواج الکترومغناطیسی
در نظریه کوانتومی ، تابش الکترومغناطیسی شامل فوتونهایی است که انرژی هر یک با E = hv بیان می‌شود. چون یک فوتون را می‌توان به عنوان یک ذره با جرم سکون صفر ، که با سرعت نور حرکت می‌کند، در نظر گرفت. بزرگی اندازه حرکت خطی متناظر با این فوتون بر اساس رابطه دوبروی برابر E/c است، که با نتیجه نظریه کلاسیک توافق دارد.

هر فوتون در باریکه‌ای از تابش الکترومغناطیسی تکفام با طول موج λ دارای اندازه حرکتی برابر با h/λ می‌باشد که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتی که یک باریکه الکترومغناطیسی تکفام را به عنوان مجموعه‌ای متشکل از فوتونهای ذره‌گونه ، که هر یک دارای انرژی و اندازه حرکت دقیقا معلوم هستند، در نظر بگیریم عملا پراکندگی تابش الکترومغناطیسی به صورت برخورد فوتون با یک ذره باردار درمی‌آید.

این مسئله صرفا با بکار بردن قوانین بقای اندازه حرکت و انرژی حل می‌شود. البته لازم به ذکر است که در کاربرد قوانین بقا ، به جزئیات برهمکنش توجه نمی‌شود، بلکه فقط به انرژی کل و اندازه حرکت کل قبل و بعد از برخورد پرداخته می‌شود.
مشخصات اثر کامپتون
• بررسی برخورد کامپتون بین یک فوتون و یک الکترون مبتنی بر این فرض است که الکترون پراکنده باید تقریبا آزاد و ساکن باشد. البته ، هر الکترون موجود در ماده در حرکت است و تا حدی به اتم مادر خویش مقید است، ولی الکترونهای لایه‌های بیرونی اتم را می‌توان عملا آزاد در نظر گرفت (الکترون آزاد) ، چون انرژی بستگی آنها خیلی کمتر از انرژی یک فوتون اشعه ایکس است.
• طول موج فوتونها باید در حد و اندازه ذره پراکننده باشد. بنابراین اثر کامپتونی که در آن فوتون توسط الکترونهای نسبتا آزاد اتم پراکنده می‌شود، توسط پرتوهای ایکس امکان پذیر است.
• در اثر کامپتون ، برخلاف اثر فوتوالکتریک ، فوتون نابود نمی‌شود، بلکه فوتون بوسیله الکترون پراکنده می‌شود. در اینصورت مقداری از اندازه حرکت فوتون به الکترونی که در ابتدا ساکن است، منتقل می‌شود. بنابراین اندازه حرکت و در نتیجه انرژی فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی بوده و الکترون نیز دیگر ساکن نخواهد بود.
• تغییر در طول موج فوتونهای پراکنده شده به وسیله الکترونها از رابطه زیر تبعیت می‌کند:
(Δλ = λَ - λ = hm0 (1 - CosӨ

در رابطه فوق m0 جرم سکون الکترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانک ، θ زاویه پراکندگی ، λ طول موج فوتون تابشی و λَ طول موج فوتون پراکنده است.
بر اساس رابطه فوق ، فوتونهایی که تحت زاویه 180 درجه پراکنده می‌شوند، تغییر طول موجی پیدا نمی‌کنند. (برخورد شاخ به شاخ)
• رابطه فوق زمانی‌که ثابت پلانک به سمت صفر و جرم سکون الکترون به سمت بینهایت میل می‌کند، به نظریه کلاسیک پراکندگی تحویل می‌گردد.
یکی از بهترین آزمایشاتی که به وسیله آن می توان خاصیت ذره ای نور را مشاهده کرد و دریافت، اثر کامپتون است. این پدیده را که نمی توان آنرا در پرتو فیزیک کلاسیک توجیه کرد آرتور هالی کامپتون در سال 1922 کشف کرده است. وی طی آزمایشی نشان داد که با تابیدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزی براق، الکترون ها و فوتون ها به صورت ذره ای با یکدیگر برخورد می کنند.
با ابعادی ریزتر به این اثر نگاه می کنیم: در هنگام تابش یک فوتون به الکترون آزادی که در سطح فلز قرار دارد برخورد می کند و بخشی از انرژی خود را به الکترون می دهد که طی این برخورد ذره را از مسیر خویش منحرف کرده و به آن انرژی منتقل می کند (شکل 1):
ورد ذره را از مسیر خویش منحرف کرده و به آن انرژی منتقل می کند (شکل 1):

(شکل 1)
پس از این برخورد بدلیل اینکه اندازه حرکت ثابت می ماند فوتون تخریب می شود که این تخریب با کاهش انرژی یا تغییر بسامد (رنگ) فوتون می باشد. که مقدار این تغییر بسامد را می توان با توجه به رابطه زیر محاسبه کرد.(شکل 2)

(شکل 2)
از طرفی همانطور که گفته شد انرژی ذره افزایش پیدا می کند که نتیجة این افزایش انرژی، افزایش سرعت ذره می باشد. (شکل 3)

(شکل 3)
با محاسبه انرژی فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتی چون جرم الکترون، سرعت نور، انرژی ابتدایی فوتون می توان زاویه انحراف الکترون را بدست آورد.(شکل 4)

(شکل 4)

ممکن است در برهم کنش فوتون با ماده همه انرژی فوتون به ماده منتقل شود و یا اینکه فوتون جذب الکترون شود...
تابش الکترومغناطیسی-تابش جسم سیاه
تابش الکترومغناطیسی:
هر شی در نجوم بوسیله تابش الکترو مغناطیسی مشاهده می شود بنابر این توجه به برخی از مبانی فیزیک درباره تابش وجذب لازم است .تابش الکترو مغناطیسی فقط یک موج متحرک در میدان مغناطیسی و الکتریکی است که در معادلات ماکسول به هم مربوط می شوند.موج الکترو مغناطیسی باسرعت نور منتشر می شود. C=2.998*108
حاصل ضرب طول موج و فرکانس برابر سرعت نور است.
C = F * g
که به صورت سنتی طیف سنجها طول موج را اندازه گیری می کنند.
با وسائل جدید تمام محدوده طیف قابل مشاهده است. تعدادی ازطول موجهایی که فقط می توانند در بالای جو اندازه گیری شوند؛درفنآوری ماهواره ای به کارمی روند.

تابش نور به چندطریق صورت می گیرد:
1-فرآیند پهن شدگی (فرآیند گرما یونی )-تابش جسم سیاه. 2-تابش خطی .
3-تابش سینکروترون ناشی از بارهای الکتریکی شتابدار.
ما درباره’ مورد اول بحث خواهیم کرد
تابش جسم سیاه:

جسم گرم در دمای مشخص T گستره پهنی از امواج الکترو مغناطیس تابش می کندو جسم گرمتر آبی تر تابش میکند .
برای مثال داخل زمین یک مخزن نور است که مانند یک باطری ضعیف شده کم نورتر وقرمزتر است . این مسئله در ابتدای قرن بیستم در فیزیک کلاسیک حل شده ویکی از موفقیتهای مکانیک کوانتومی شکل گرفته بود.
طیف تابش گسیل یافته برای فیزیک کلاسیک یک مشکل بزرگ بود .
استفان و بولتزمن کشف کردند که تمام گرمای تابش شده بوسیله سطح جسمی با مساحت A و دمایT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108
شدت تابش درواحد حجم که تابع طول موج است ،اندازه گیری شد. موقعیت ماکزیمم ناگهانی در طیف ،توسط قانون جابجایی وینز ((Wiens تشریح شد و مکان بیشترین شدت در طول موج
-3^10*2.9 که در آن Tدر مقیاس کلوین است.
بنابرا ین طول موج تابش گسیل یافته، نظریه تابشی جسم را ارائه می دهد.
تلاشهای رایلی (Rayleigh)برای توضیح مشاهدات از نظر کلاسیکی نا موفق بود .او محاسباتی انجام داد با این فرض که موجها درون کاواک قرار بگیرند وتابش گریزی از سوراخ کوچکی در دیواره کاواک را بدست آورد.فقط طول موجهایی مجازبودند که دقیقا موج بر دیواره کاواک قرار می گرفت (دیواره’ کاواک مکان گره ها بود).
رایلی فرض کرد که هر گونه طول موج دارای انرژی KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بینی می کرد که در دمای T تابندگی (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.
I(l)= T/landa^4
فرض بالا یک مشکل دارد؛وقتی طول موج صفر می شود شدت بینهایت می گرددواین مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد.
در سال 1900م.پلانگ این مشکل را با گسسته فرض کردن تابش الکترو مغناطیسی حل کرد.او فرض کرد که تابش بوسیله نوسانگرهای الکترو مغناطیسی درون دیواره کاواک تولید میشود.انرژی نوسانگرها فقط می توانست به صور ت گسسته مضربی از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn.
محا سبات پلانگ تفاوت بنیادی با محاسبا ت رایلی داشت که مقادیر انرژی را پیوسته فرض کرده بود. محاسبات پلانک تابندگی در طول موج خاص را بصورت زیر داد:
I(l)=2*π*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]
فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوینز را تایید می کند
. در طول موجهای زیاد فرمول بال منجر به نتایج رایلی می شود.
در واقع در اندازه گیری دمای یک ستاره نوعی طیف سنجی یا نور سنجی میتواند به کار رود.
مقایسه بین تابندگی نسبی مقدار نور گسیل شده یک ستاره در دو طول موج:.
این نسبت مشخصه دمایی است بنابر این اندازه گیری تمام طیف جسم سیاه الزامی نیست.چون تابندگی در هر دمای مشخص به طور نسبی در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band
اندازه گیری دوم در تابندگی 440nm (( called B or Blue band ))اندازه گیری دما را ممکن میسازد.
تابش الکترومغناطیسی
هر شی در نجوم بوسیله تابش الکترو مغناطیسی مشاهده می شود بنابر این توجه به برخی از مبانی فیزیک درباره تابش وجذب لازم است .تابش الکترو مغناطیسی فقط یک موج متحرک در میدان مغناطیسی و الکتریکی است که در معادلات ماکسول به هم مربوط می شوند.موج الکترو مغناطیسی باسرعت نور منتشر می شود. C=2.998*108

حاصل ضرب طول موج و فرکانس برابر سرعت نور است.
C = F * g
که به صورت سنتی طیف سنجها طول موج را اندازه گیری می کنند. با وسائل جدید تمام محدوده طیف قابل مشاهده است. تعدادی ازطول موجهایی که فقط می توانند در بالای جو اندازه گیری شوند؛درفنآوری ماهواره ای به کارمی روند.
تابش نور به چندطریق صورت می گیرد:
1-فرآیند پهن شدگی (فرآیند گرما یونی )-تابش جسم سیاه. 2-تابش خطی . 3-تابش سینکروترون ناشی از بارهای الکتریکی شتابدار. ما درباره’ مورد اول بحث خواهیم کرد
تابش جسم سیاه:
جسم گرم در دمای مشخص T گستره پهنی از امواج الکترو مغناطیس تابش می کندو جسم گرمتر آبی تر تابش میکند . برای مثال داخل زمین یک مخزن نور است که مانند یک باطری ضعیف شده کم نورتر وقرمزتر است . این مسئله در ابتدای قرن بیستم در فیزیک کلاسیک حل شده ویکی از موفقیتهای مکانیک کوانتومی شکل گرفته بود. طیف تابش گسیل یافته برای فیزیک کلاسیک یک مشکل بزرگ بود . استفان و بولتزمن کشف کردند که تمام گرمای تابش شده بوسیله سطح جسمی با مساحت A و دمایT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108

شدت تابش درواحد حجم که تابع طول موج است ،اندازه گیری شد. موقعیت ماکزیمم ناگهانی در طیف ،توسط قانون جابجایی وینز ((Wiens تشریح شد و مکان بیشترین شدت در طول موج
3 ^10 *2.9 که در آن Tدر مقیاس کلوین است. بنابرا ین طول موج تابش گسیل یافته، نظریه تابشی جسم را ارائه می دهد. تلاشهای رایلی (Rayleigh)برای توضیح مشاهدات از نظر کلاسیکی نا موفق بود .او محاسباتی انجام داد با این فرض که موجها درون کاواک قرار بگیرند وتابش گریزی از سوراخ کوچکی در دیواره کاواک را بدست آورد.فقط طول موجهایی مجازبودند که دقیقا موج بر دیواره کاواک قرار می گرفت (دیواره کاواک مکان گره ها بود).
رایلی فرض کرد که هر گونه طول موج دارای انرژی KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بینی می کرد که در دمای T تابندگی (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله35    صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید