دستکاری دلخواه نور

دستکاری دلخواه نور با نخستین میکرولنزهای فوق نازک دانشمندان ایرانی

تیمی از محققان آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و موسسه فناوری کالیفرنیا با همکاری دو دانشمند ایرانی برای نخستین بار موفق به تولید طیفی از لنزهای نوری فوق نازک با قابلیت دستکاری دلخواه نور شده‌اند.

علم فیزیک - دستکاری دلخواه نوردستکاری دلخواه نور

به گزارش سرویس علمی ایسنا، دکتر محمود باقری از آزمایشگاه پیشرانش ناسا و دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی شریف و دکتر امیر اربابی از موسسه فناوری کالیفرنیا و دانش‌آموخته دانشگاه تهران با همکاری سایر محققان، دستگاه «متاسطوح» (metasurfaces) را طراحی کرده‌اند که می‌تواند به صورت محلی، خواص نور زمینه را به شیوه‌ای که دستیابی به آن توسط سایر اپتیک‌های استاندارد دشوار است، اصلاح کند.

این دستاورد در نهایت می‌تواند منجر به ارتقای فناوری دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها شود.

محمود باقری، مهندس میکرو دستگاههای آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا در کالیفرنیا در بیانیه‌ای اظهار کرد: این لنزهای مسطح به ما در ساخت مونتاژهای جمع‌وجورتر و قویتر تصویر کمک خواهند کرد.

فناوری جدید می‌تواند مزیت بزرگی برای علوم فضایی باشد زیرا اندازه کوچک و سختی، ویژگیهای مهمی برای اجزای فضاپیما محسوب می‌شود.

لنزهای عادی مانند نمونه‌های مورد استفاده در عینک یا ذره‌بین، بر انحنا برای خم و متمرکز کردن نور اتکا دارند. زمانی که نور وارد یک لنز منحنی می‌شود، بسته به چگالی ماده، خم شده و به نقطه تمرکز می‌رسد.

لنزهای مسطح جدید می‌توانند نور را به شیوه‌هایی دستکاری کنند که برای لنزهای عادی تقریبا ناممکن است. آن‌ها همچنین فضای کمتری را اشغال کرده که امکان ایجاد دستگاههای الکترونیک کوچکتر را فراهم می‌کنند. به گفته محققان، نازکی هر لنز به اندازه یک درصد موی انسان است.

دستگاههای ساخته شده با لنزهای جدید باید سختتر باشند زیرا فناوری جدید بجای شیشه از نانوستون‌های سیلیکون استفاده می‌کند.

نانوستون‌های سیلیکون که به دلیل شباهتشان به ستون‌های بلند با اندازه کمتر از یک نانومتر به این نام خوانده می‌شوند، به شکل یک الگوی کندوی عسل چیده می‌شوند. این کار باعث ایجاد متاسطوح می‌شود که می‌توانند مسیرها و ویژگی‌های امواج عبوری نور را از طریق ویژگی‌های الکترومغناطیسی کنترل کنند.

برای مثال، این متاسطوح می‌توانند درجه خم شدن نور را تغییر دهند که بر ظهور تصویر در داخل یا خارج نقطه تمرکز تاثیر می‌گذارد. این سطوح همچنین می‌توانند قطبش را دستکاری کرده و ارتعاش امواج نور را در تنها یک جهت محدود کنند. این امر برای عملکرد میکروسکوپ‌ها و نمایشگرهای دوربین پیشرفته ضروری است.

از این لنزهای مسطح فوق نازک علاوه بر دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها می‌توان در نمایشگرها و حسگرهای پیشرفته استفاده کرد. محققان اکنون در حال کار برای ساخت متاسطوحی هستند که در محصولات تجاری مانند دوربین‌ها و طیف‌سنجهای مینیاتوری قابل استفاده هستند.

جزئیات بیشتر در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.

نادر انقطاع استاد ایرانی دانشگاه پنسیلوانیا، برنده عالی ترین جایزه اپتیک جهان شد

نادر انقطاع استاد ایرانی دانشگاه پنسیلوانیا، برنده عالی ترین جایزه اپتیک جهان شد

مدال طلای انجمن بین‌المللی اپتیک و فوتونیک (SPIE) به استاد نادر انقطاع، دانشمند برجسته ایرانی دانشگاه پنسیلوانیا اهدا شد.

علم فیزیک - نادر انقطاعنادر انقطاع

به گزارش خبرنگار علمی ایسنا، دکتر انقطاع به پاس مشارکت‌های پیشگامانه و قابل‌ تقدیرش در حوزه مهندسی اپتیکِ فرامواد، پلاسمونیک‌های نانومقیاس، فرامواد بر پایه مدارهای نانواپتیکی، و تصویربرداری اپتیکی در زمینه‌های پزشکی برنده مدال طلای «اسپای» (SPIE) شده که بالاترین جایزه اهدایی از سوی این انجمن است.

در فهرست برندگان این مدال نام برجسته ترین دانشمندان اپتیک و فتونیک جهان دیده می شود از جمله چارلز هارد تاونز (پدر لیزر) که در سال ۱۹۶۴ و چارلز کائو (پدر «ارتباطات با فیبر نوری») که در سال ۲۰۰۹ موفق به دریافت این مدال شدند.

انجمن بین‌المللی اپتیک و فوتونیک در سال ۱۹۵۵ به عنوان سازمانی غیرانتفاعی برای پیشرفت فن‌آوری‌های نوری به ثبت رسید. قریب به ۲۵۶ هزار نفر از ۱۵۵ کشور جهان در این انجمن عضویت دارند که در فراهم آوردن امکاناتی نظیر کتاب‌ها و مجلات، برگزاری کنفرانس‌ها، کمک به ادامه تحصیل و ثبت اختراع از اعضای خود حمایت می‌کند.

دکتر نادر انقطاع که ۶۰ سال پیش یعنی در همان سالی که انجمن بین‌المللی اپتیک تاسیس شد در تهران متولد شد. او در ۲۳ سالگی پس از پایان دوره لیسانس در دانشگاه تهران راهی آمریکا شد و تحصیلات فوق لیسانس و دکتری خود را در مؤسسه فناوری کالیفرنیا به پایان برد.

وی از دانشمندان پیشرو جهان در زمینه الکترومغناطیس و نانوفناوری به شمار می رود که تحقیقاتش در زمینه متامواد و نقش نور در نانوفناوری بر رشته‌های متعددی از نجوم و علوم کامپیوتر گرفته تا پزشکی و فنون ارتباطات تأثیر گذاشته است. او مشارکت‌های مهمی در زمینه‌های متامواد، اپتیک تبدیل، اپتیک پلاسما، نانوفوتونیک، فوتونیک گرافین، نانومواد، اپتیک نانوسکیل، نانو آنتن‌ها و آنتن‌های مینیاتوری انجام داده است. وی همچنین در سال ۲۰۱۲ موفق به دریافت جایزه الکترومغناطیسIEEE شد. از دیگر افتخارات دکتر انقطاع، کسب جایزه جرج هیلمیر برای تحقیق برتر در سال ۲۰۰۸ و جایزه محقق جوان بنیاد ملی علوم ایالات متحده در سال ۱۹۸۹ می‌باشد.

پدیده ‌هارپ چیست؟

پدیده ‌هارپ چیست؟

هارپ تنها سیستمی است که عملا قادر است جهت و زاویه پرتوها را کاملا در کنترل داشته باشد و هر ناحیه از یونوسفر را که بخواهد هدف‌گیری کند.

علم فیزیک - پدیده ‌هارپ چیست؟پدیده ‌هارپ چیست؟

هارپ یک پروژه تحقیقاتی است که برای بررسی و تحقیق درباره لایه یونوسفر و مطالعات معادن زیرزمینی، با استفاده از امواج رادیویی تاسیس شده ‌است.

عده‌ای معتقدند این پروژه برای کامل کردن یک سلاح جدید پایه‌گذاری شده است. محل هارپ در نزدیکی استانفورد قرار دارد.

این سیستم در حال حاضر از مجموعه‌ای از آنتن‌های مخصوص تشکیل شده و روی زمین وسیعی به مساحت ۲۳۰۰۰مترمربع در آلاسکا نصب شده است.

این آنتن‌ها امواج مافوق کوتاه ELF/ ULF/VLF را تولید و به یونوسفر پرتاب می‌کنند. آنتن‌های ‌هارپ با پرتاب رادیو فرکانس‌های بالا به یونوسفر می‌توانند ناحیه وسیعی از آن را گرم کنند.

در نتیجه، این ناحیه به تپش افتاده و در اثر آن امواجی تولید و به زمین فرستاده می‌شوند. از میان تاسیسات مشابه آن در دنیا، ‌هارپ تنها سیستمی است که عملا قادر است جهت و زاویه پرتوها را کاملا در کنترل داشته باشد و هر ناحیه از یونوسفر را که بخواهد هدف‌گیری کند.

اصولا امواج آنتن‌ها پس از اصابت به یونوسفر و بازگشت به زمین قادرند نه تنها به عمق دریا بروند بلکه فراتر رفته و به اعماق زمین نیز وارد می‌شوند و عملکرد آنها مانند رادیو ترموگرافی است که امروزه ژئولوژیست‌ها برای اکتشافات مخازن مختلف شامل گاز و نفت استفاده می‌کنند.

وقتی یک موج پایین رادیو ترموگرافی به داخل زمین فرستاده می‌شود به لایه‌های مختلف برخورد کرده و آن لایه‌ها را به لرزه درمی‌آورد.

لرزش، صدایی با فرکانسی مخصوص تولید و به سطح زمین بازمی‌گرداند و ژئولوژیست‌ها از صدای بازگشتی، قادرند مخازن زیرزمین را شناسایی کنند.

با این تفاوت که رادیوترموگرافی سیستمی است که با قدرتی به کوچکی ۳۰وات لایه‌های زیر زمینی را به لرزه درمی‌آورد و حال آنکه ‌هارپ، سیستم فوق‌العاده پیشرفته‌تری است که همان لایه‌های زمین را می‌تواند با استفاده از قدرتی برابر با یک میلیارد تا ده میلیارد وات بلرزاند.

بدیهی است که هر چه قدرت امواج بیشتر باشد تاثیراتش روی آیونوسفر و اثرات ذره‌بینی آن بالاتر می‌رود.

منبع : همشهری آنلاین

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

فیزیکدانان موسسه استاندارد و فناوری آمریکا با همکاری محققان دانشگاه مریلند دریافتند که با تغییر در پارامترهای فرآیند اتصال ( مولکول‌های نوری ) فوتون‌های نوری می‌توان حرکت آنها را تحت کنترل درآورد .

علم فیزیک - مولکول‌های نوریمولکول‌های نوری

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، حدود دو سال قبل محققان دانشگاه کالیفرنیا با همکاری موسسه فناوری ماساچوست برای اولین‌ بار موفق به اتصال دو فوتون به یکدیگر شدند .

دانشمندان معتقدند که فوتون‌های نوری جزء ذرات بنیادی و یکی از شکل‌های تابش الکترومغناطیسی به شمار می‌روند .

در این تحقیق ( مولکول‌های نوری ) مشخص شد که ذرات بدون وزن فوتون می‌توانند مانند یک مولکول و با نیرویی پیچیده به هم متصل شوند .

پروفسور الکسی گوروشکو، فیزیکدان موسسه تحقیقاتی استاندارد و فناوری آمریکا اظهارکرد: نمی‌توانیم این پیوند ( مولکول‌های نوری ) را کاملا شبیه پیوند مولکولی قلمداد کنیم، اما از نظر ساختاری پیوند بین فوتون‌های نوری شباهت‌هایی با پیوند مولکولی دارد.

وی در ادامه افزود: در این بررسی دانشمندان نحوه ساخت ساختارهای پیچیده نوری را فرا گرفتند و برای نخستین بار پیوند بین فوتون‌های نوری امکان‌پذیر شد .

محققان معتقدند که با ورود به عرصه دنیای فوتون‌ها می‌توان کیفیت بسیاری از فناوری‌های بر مبنای نور مانند سیستم‌های ارتباطی و تصویر‌سازی را بهبود بخشید .

در واقع با انجام مهندسی بر روی فوتون‌های نوری  ( مولکول‌های نوری ) می‌توان فعل ‌و انفعالات بین آنها را تغییر داد .

پروفسور گوروشکو در مورد یکی از موارد تاثیر این فناوری جدید ( مولکول‌های نوری ) بر روی افزایش کیفیت تجهیزات آزمایشگاهی عنوان کرد: دانشمندان به کمک فناوری پیوند فوتون‌ها می‌توانند حسگرهای نوری را با دقت بسیار بالایی در آشکارسازهای نوری تنظیم کنند .

دانشمندان امیدوارند که با پیشرفت این فناوری  ( مولکول‌های نوری ) در آینده نزدیک سیستم پردازش رایانه‌های امروزی را به سیستم پردازش نوری تبدیل کنند که این امر علاوه بر افزایش چشمگیر سرعت، مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد .

منبع : خبرگزاری ایسنا

شفق قطبی

شفق قطبی

یکی از تماشایی‌ترین و با شکوهترین پدیده‌ها شفق قطبی است، که مشخصه عرضهای جغرافیایی بالا , نزدیکیهای شمال یا جنوب مدار قطبی است. پدیده شگفت آور و زیبایی که در طول شب قطبی طولانی در آسمان دیده می‌شود.

آسمان تابان می‌شود و نقشهایی با رنگها و شکلهای گوناگون دیده می‌شود. گاهی دارای شکل کمان یکنواخت ، ساکن یا تپنده است و گاهی عبارت است از شمار زیادی پرتو با طول موجهای متفاوت ، که مانند پرده‌ها و نوارها بازی می‌کنند و پیچ و تاب می‌خورند. رنگ تابانی از سبز مایل به زرد به سرخ و بنفش مایل به خاکستری تغییر می‌کند. طبیعت و منشأ شفقهای قطبی زمان درازی به کلی پوشیده مانده بود. تا اینکه به تازگی برای این راز توضیح رضایت بخشی پیدا شد.عرضهای بالای زمین ، آسمان شب ، بصورت درخشانی به شکل متحرک روشن می‌شود که شفق قطبی نامیده می‌شود. آنها شفاف هستند و می‌توان ستاره‌ها را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب نور آنها به قدری می‌درخشد که می‌توان نوشته ای را خواند و رنگ آنها همیشه سبز مایل به زرد نیست. شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را می‌توان در هر شب روشن مشاهده کرد و شدت نور آنها متغیر بوده و تابع تعدادی پارامتر است. راه شیری توسط یک شفق قطبی روشن ، دیده نمی‌شود.همچنین آشکار است که شفق قطبی به هنگام روز بوجود می‌آید، بطوری که نور آن همواره در اتمسفر عرضهای بالا انتشار می‌یابد. وجود شفق قطبی چندین قرن است که مورد شناسایی قرار گرفته است. در اوایل تصور می‌شد که شفق قطبی ناشی از بازتاب نور خورشید توسط یخهای فطبی است. نظریه دیگری عبارت از روشن شدن آسمان توسط خدایان بوده است. امروزه نظریه ذرات باردار شتاب‌دار مسئول این پدیده شناخته شده‌اند.

شفق قطبیعلم فیزیک – شفق قطبی

ارتفاع شفقهای قطبی

قبل از همه ، دانشمندان موفق شدند ارتفاعی را که شفقهای قطبی ظاهر می‌شوند، تعیین کنند. به این منظور از یک تابانی از دو نقطه به فاصله چند ده کیلومتر از یکدیگر عکس گرفتند. به کمک چنین عکسهایی ثابت کردند که شفقهای قطبی در ارتفاع ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری بالای زمین (بیشتر اوقات در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتر) ظاهر می‌شوند. به این ترتیب دریافتند که شفقهای قطبی تابانی گازهای رقیق موجود در جو زمین هستند، که تا اندازه‌ای به تابانی در لامپ های تخلیه گاز شبیه می‌باشند.

دوره تناوب ظهور شفق های قطبی

رابطه جالب بین شفقهای قطبی و پدیده‌های دیگر روشن است. شفقهای قطبی با دوره‌های متفاوت مشاهده می‌شوند. اختلاف دوره‌های شفق قطبی بعضی اوقات به چندین سال می‌رسد. مشاهدات چندین ساله آشکار ساخته‌اند که دوره‌های زیادی ماکزیمم شفقهای قطبی بطور مرتب در ۱۱٫۵ سال تکرار می‌شوند . در طول این مدت ، شماره شفقهای قطبی نخست سال به سال کاهش می‌یابد و سپس شروع می‌کند به زیاد شدن تا مقدار آن در ۱۱٫۵ سال از نو به ماکزیمم می‌رسد.
شفق قطبی چیست؟
قبل از اینکه بتوانیم به ماهیت شفق قطبی پی ببریم، باید اطلاعاتی درمورد فضای اطراف زمین داشته باشیم. در این فضا چیزهای زیادی هست که ما نمی توانیم آنها را ببینیم. یکی از آنها هوایی است که ما تنفس میکنیم که به آن Atmosphere گویند. Atmosphere مخلوطی از گازهای مختلف است. بیشتر شامل اکسیژن، نیتروژن و مقادیری هیدروژن، هلیم و …
یکی از چیزهای دیگر که ما قادر به دیدن آن نیستیم، میدان مغناطیسی است که زمین را احاطه کرده. اگر تا به حال با یک آهنربای میله ای و مقداری براده آهن بازی کرده باشید، الگوهای منحنی شکل را که براده های آهن میسازند دیده اید. درواقع آهنربای زمین در اعماق هسته آن جای دارد. ازآنجا که ما قادر به دیدن میدان مغناطیسی زمین نیستیم، آنرا بصورت یک سری خطوط منحنی نمایش میدهیم. این خطوط درمحل قطبین زمین به آن وارد و از آن خارج میشوند.هرجا که خطوط به هم نزدیکترند، میدان قویتر است و برعکس.
سومین چیز نامرئی در فضای اطراف زمین پلاسما است. پلاسما مجموعه ای از ذرات باردار است. درواقع الکترون ها و یون های مثبت همواره میدان مغناطیسی زمین را احاطه کرده اند. ذرات باردار در یک میدان مغناطیسی در راستای خاصی حرکت میکنند. آنها درواقع بوسیله میدان مغناطیسی به جهات خاصی هدایت میشوند. این ذرات چنان در راستای میدان مغناطیسی زمین حرکت میکنند که گویی این میدان یک سیم رساناست.ماده اصلی تشکیل دهنده شفق قطبی همین ذرات باردارند

یک پاسخ کوتاه به این سوال که شفق قطبی چگونه بوجود می آید این است که ذرات باردار پر انرژی (اغلب -e) تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین شتاب میگیرند. این شتاب گیری در لایه های فوقانی جو انجام میشود. جایی که این ذرات با اتم های گاز برخورد میکنند و این برخورد باعث میشود که اتم ها از خود نور ساطع کنند. اما اگر کمی دقیق تر به قضیه نگاه کنیم، متوجه میشویم که یکی از عوامل اصلی در بوجود امدن شفق قطبی، پدیده ای موسوم به طوفان خورشیدی یا بادهای خورشیدی است. خورشید هم مثل زمین جو دارد و نیز یک میدان مغناطیسی قوی که تا فواصل دوراز خورشید گسترده شده. جو خورشید از هیدروژن و هیدروژن از ذرات بنیادی اتم ها ساخته شده. الکترون ها و پروتون ها ذراتی هستند که بطور دائمی از خورشید میجوشند و با سرعت بسیار زیاد به بیرون جو خورشید رانده میشوند. مجموعه این ذرات پرانرژی و میدان مغناطیسی خورشید را طوفان یا باد خورشیدی گویند.
این بادهای خورشیدی بطور دائمی میدان مغناطیسی زمین را تحت فشار قرار میدهند و باعث تغییر شکل آن میشوند. درست مثل اینکه به سطح یک حباب صابون با شدت تمام فوت کنیم.این میدان فشرده شده در اطراف زمین، Magnetosphere نام دارد.
میدان مغناطیسی زمین از جهتی که به سمت خورشید است، یعنی نیمه روز زمین فشرده میشود. چون بادهای خورشیدی در آن جهت به زمین میرسند. همچنین این میدان فشرده شده در اطراف زمین، مثل رد یک کشتی بطول زیاد ادامه پیدا میکند که به آن اصطلاحا Magnetotail گویند. جهت این کشیدگی در خلاف جهتی است که خورشید آنجاست.  انقباض میدان مغناطیسی زمین نیاز به صرف انرژی دارد. درست مثل اینکه بخواهیم یک بادکنک پر از باد را فشرده کنیم. جزئیات این فرآیند هنوز شناخته نشده ولی چیزی که معلوم است این است که انرژی دریافتی از خورشید مرتبا در لایه Magnetosphere افزایش می یابد و این عامل ایجاد شفق قطبی است.
نیروی رانش بزرگ
ذرات باردار خورشیدی بطور دائمی وارد قسمت دم Magnetosphere شده و دوباره بسوی خورشید حرکت میکنند. هنگامی که همه شرایط لازم فراهم باشد، افزایش فشار بادهای خورشیدی یک ولتاژ الکتریکی بین قطب های زمین و Magnetotail ایجاد میکند. درست مثل ولتاژ دوسر یک باتری. با این تفاوت که این ولتاژ به ده هزار ولت هم میرسد. این ولتاژ بالا الکترون ها را که بسیار سبک اند به سمت قطب ها شتاب میدهد درست مثل سیستم داخلی یک تلویزیون CRT (اشعه کاتدی). این ذرات شتابدار در راستای خطوط میدان مغناطیسی زمین و در قطب های شمال و جنوب متمرکز میشوند. بتدریج مقادیر قابل توجهی الکترون در لایه های بالایی Atmosphere که اصطلاحا به آن ionosphere میگویند جمع میشود.
در ionosphere الکترون های شتابدار بشدت با اتم های گاز برخورد میکنند و این برخورد باعث افزایش انرژی اتم های گاز میشود. اتم های گاز هم با بدست آوردن مقادیر زیادی انرژی برانگیخته میشوند و پس از آن برای بازگشت به حالت پایه این انرزی را بصورت نور پس میدهند. میتوان گفت روند تشکیل شفق قطبی تا حد زیادی مشابه تابلوهای نئون است. با این تفاوت که درمورد شفق قطبی بجای تیوپ گاز، لایه ionosphere را داریم و جریان بجای سیم از میدان مغناطیسی میگذرد.
 نتیجه این فرآیندهای فیزیکی پدیده ای پرده مانند در آسمان است که ارتفاع پایین ترین لایه آن از سطح دریا ۶٠ یا ٧٠ مایل است و این حدود ده برابر بالاتر از ارتفاع پرواز یک هواپیمای جت است.

  این پدیده طبق گزارش های مستند غالبا در عرض جغرافیایی ۶٧ درجه شمالی و ۶٧ درجه جنوبی و به پهنای ۶ درجه دیده میشود. یکی از بهترین نواحی برای دیدن شفق قطبی منطقه آلاسکا است.

  شفق قطبی در تمام دیگر سیارات منظومه خورشیدی هم اتفاق می افتد. شفق قطبی در سیارات مجاور زمینفقط به رنگ قرمز ظاهر میشود چون جو این سیاره ها فقط هیدروژن دارد و اکسیژن ندارد.   این پدیده در نیمکره شمالی به Aurora Borealis و در نیمکره جنوبی به Aurora  Australis معروف است.

شفق قطبیعلم فیزیک – شفق قطبی

     تشکیل شفق قطبی نشان میدهد که جو زمین میتواند انرژی را ذخیره کند.

  نوع و شدت رنگ شفق قطبی بستگی به عوامل گوناگونی دارد. مثلا رنگ سبز مایل به زرد را اتم های اکسیژن در ارتفاع ۶٠ مایلی میسازند. رنگ قرمز هم نتیجه برخورد اتم های اکسیزن در ارتفاع ٢٠٠ مایلی است. یون های نیتروژن رنگ آبی را بوجود می آورند و ملکولهای نیتروژن خنثی رنگ ارغوانی را میسازند.

  شفق قطبی میتواند باعث اختلال در ارتباطات و خطوط انتقال نیرو و فرسایش شبکه لوله کشی شود

شفق قطبی ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک (به انگلیسی: Photoelectric effect) پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود.

اثر فوتوالکتریک
علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک

این پدیده همچنین به اثر هرتز معروف است و این به خاطر کشفش توسط هاینریش هرتز است (هرچند امروزه این لفظ بلااستفاده می‌باشد). اثر فوتوالکتریک با فوتون‌هایی با انرژی پایین در حدود چند الکترون‌ولت مشاهده می‌شود. اگر فوتون به اندازهٔ کافی انرژی بالا داشته باشد (در حد چند کیلو الکترون‌ولت) پدیدهٔ دیگری به نام Compton scattering و اگر انرژی آن در حد چند مگا الکترون‌ولت باشد پدیدهٔ دیگری به نام Pair production رخ می‌دهد. مطالعهٔ پدیدهٔ فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک حقیقت کوانتومی نور شد.

این اثر یکی از بخش‌های مهم فیزیک است که در سال ۱۹۲۱ آلبرت اینشتین به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک گرفت.

تاریخچه

اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ در جریان آزمایش‌هایی کشف شد که هدف عمده آنها تأئید پیشگویی‌های نظری ماکسول در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی حاصل از جریان‌های الکتریکی نوسانی بود. اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانند پرتوی ایکس و یا انوار مرئی، از ماده گسیل می‌شود. ما در این متن لفظ فوتوالکترون را به این الکترون گسیل شده اطلاق می‌کنیم.

مشاهدات اولیه

در ۱۸۳۹، الکساندر ادموند بکرل پدیدهٔ فوتوالکتریک را در یک الکترود مشاهده کرد، الکترودی که در داخل یک محلول شیمیایی یونی قرار داشت و محلول در معرض نور قرار گرفته بود. در ۱۸۷۳ میلادی اسمیت فهمید که سلنیوم یک مادهٔ نور-هادی است. ماده‌ای که مقاومت الکتریکی ان با شدت روشنایی تغییر می‌کند.

دهانهٔ جرقهٔ هرتز (hert’s spark gap)

در ۱۸۸۷ هاینریش هرتز، پدیدهٔ فوتوالکتریک و تولید و دریافت امواج الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در مجلهٔ annalen der physik منتشر کرد. دستگاه گیرندهٔ امواج الکترومغناطیسی که او ساخته بود از یک سیم پیچ و دو گوی کوچک که در فاصلهٔ بسیار کمی از هم قرار داشتند تشکیل شده بود. زمانی که نوسانات الکترومغناطیسی در سیم پیچ باعث به وجود آمدن جریان الکتریکی در مدار گیرنده می‌شدند، آنگاه سیم پیچ که هر یک از دو سیم آن به یکی از این گوی‌ها متصل بود، این گوی‌ها را به طور متناوب دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌کرد و در نتیجه این بارهای الکتریکی شارج شده در گوی‌ها، در هوا تخلیه الکتریکی می‌شد (و این با ایجاد جرقه قابل دید بود) و آنگاه بود که هرتز می‌فهمید دستگاه گیرنده در حال دریافت امواج الکترومغناطیسی است. ما این گوی‌ها را دهانه جرقه می‌نامیم. او دستگاه گیرنده را در جعبه‌ای تاریک قرار داد تا جرقه‌ها را بهتر ببیند. به هر حال او متوجه شد که وقتی در جعبه بین گیرنده و فرستنده یک دیوارهٔ شیشه‌ای قرار می‌دهیم، ماکزیمم طول جرقه کاهش می‌یابد. و این بدان خاطر است که اگر شیشه قرار نداشت دوگوی پرتوی فرابنفش تولید شده در گیرنده را جذب می‌کردند و انرژی آن الکترون را در پرش از سطح گوی‌ها یاری می‌کرد. وقتی شیشه برداشته شد طول جرقه باید افزایش پیدا می‌کرد. او هیچ کاهشی را در طول جرقه مشاهده نکرد وقتی به جای شیشه، کوارتز را قرار داد. و این بدان خاطر است که کواتز نمی‌تواند از عبور امواج فرابنفش جلوگیری کند حال آنکه شیشه دارای چنین خاصیتی است. هرتز ماه‌ها تحقیق را به پایان رساند و نتایجی که به دست آورده بود را گزارش کرد. اما او تحقیق روی این پدیده را بیش از این ادامه نداد و نه حتی تلاشی نکرد تا بفهمد که این پدیده از کجا آمده.

جی. جی. تامسون:الکترون

در سال ۱۸۹۹، تامسون روی پرتوی فرابنفش در لامپ تولید پرتوی ایکس تحقیق می‌کرد. متاثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول تامسون دریافت که پرتوهای کاتدی از ذرات دارای بار منفی تشکیل شده‌اند که بعدها این ذرات الکترون نام گذاری شد اما تامسون آنها را کورپوسل(corpuscles) می‌خواند. در این تحقیق تامسون دو صفحهٔ فلزی (الکترود) را در یک لولهٔ خلاء قرار داد و آن را تحت تابش فرکانس بالا قرار داد. تامسون فکر می‌کرد که میدان الکترومغناطیسی در حال نوسان اتم را نیز مجبور به نوسان می‌سازد و بعد از رسیدن به یک دامنه خاص که توسط تشدید نوسان اتم به آن می‌رسیم، اتم یک کورپوسل زیر اتمی از خود گسیل می‌دارد و میزان آن جریان را تامسون اندازه می‌گرفت. مقدار این جریان با رنگ و شدت تابش متغیر بود. در شدت تابش بالاتر و یا فرکانس‌های بالا جریان هم بیشتر می‌شد.

نیروی موجی

 
یک موتور فوتو الکترونیک US685957 که اشعه روی یک رسانای عایق‌دار تابیده می‌شود که به یک خازن متصل است. خازن شارژ الکتریکی می‌کند

نیکلا تسلا پدیدهٔ فوتوالکتریک را در سال ۱۹۰۱ توصیف کرد. او این پرتوها را به عنوان نوسان اتر با طول موجی کوچک که اتمسفر را یونیزه می‌کرد در نظر گرفت. در پنجم نوامبر ۱۹۰۱ او گواهینامه ثبت اختراعی را از اداره ثبت اختراعات آمریکا(US Patent) دزیافت کرد که شارژ و دشارژ یک رسانای فلزی را با این پرتوها توسط نیروی موجی توصیف می‌کرد. تسلا از این پدیده برای شارژ الکتریکی یک خازن توسط یک رسانا استفاده کرد. این وسیله به یک موتور پله‌ای که توسط جریان متناوب فوتوالکتریک کار می‌کند و توسط تسلا به ثبت رسیده را نشان می‌دهد.
در حقیقت یک صفحهٔ فلزی صیقلی که تحت تابش انرژی موجی قرار دارد (مانند نور خورشید) دارای بار مثبتی خواهد شد اگر الکترون گسیل کرده باشد. وقتی صفحه دارای بار مثبت می‌شود، خازن نیز تحت تاثیر میدان الکتریکی ایم بار مثبت دارای بار منفی می‌گردد و بنابراین جریانی در دو سر خازن به وجود می‌آید.

مشاهدات ون لنارد

در ۱۹۰۲، فیلییپ آنتوان ون لنارد، مشاهده کرد که انرژی الکترون را می‌توان با تغییر فرکانس نور ورودی تغییر داد. او از یک لامپ قدرتمند قوسی استفاده کرد، چیزی که او را قادر می‌کرد تا تغییرات شدید در شدت تابش را مورد بررسی قرار دهد و به اندازهٔ کافی نیرو داشت تا بتواند روی تغییرات پتاسیل و در نتیجه تغییرات فرکانس نور را مورد بررسی قرار دهد. آزمایش او به طور مستقیم پتانسیل الکتریکی را اندازه می‌گرف و نه انرژی جنبشی الکترون را. او رابطهٔ انرژی الکترون را با ماکزیمم ولتاژ قطع به دست آورد. او همچنین فهمید که ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون با فرکانس نور مرتبط است. برای مثال افزایش فرکانس پرتوی ورودی، افزایش ماکزیمم انرژی جنبشی محاسبه شده برای الکترون تحت عمل آزادسازی را نتیجه می‌دهد-پرتوی فرابنفش نیاز به پتانسیل قطع بیشتری نیاز دارد تا جریان را در مدار از کار بیندازد تا نور آبی. اما نتیجهٔ مشاهدات ون لنارد به خاطر سختی انجام آزمایش کیفی بود نه کمی زیرا آزمایش باید روی یک صفحه فلزی بسیار صیقلی انجام می‌شد تا اینکه نتایج قدری دقیق تر گردند، اما آن در چند دقیقه اکسید می‌شد حتی در خلاء جزئی که او ایجاد کرده بود. جریانی که توسط الکترون گسیل شده از سطح به دست می‌آمد نیز به شدت نور مربوط می‌شد. با دو برابر شدت تابش دو برابر الکترون گسیل می‌شد اما ون لنارد چیزی از فوتون نمی‌دانست.

اینشتین: نور کوانتومی

توصیفات ریاضی البرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی، از اینکه چگونه اثر فوتوالکتریک به‌وسیلهٔ جذب کوانتوم نور (چیزی که بعدها فوتون نام گرفت) پدید می‌آید، در مقاله‌ای با عنوان «دیدگاه ابتکاری در باب تولید و تبدیل نور» ارائه شد. این مقاله توصیف ساده‌ای را از کوانتوم نور یا همان فوتون بیان می‌کرد و نشان داد که چگونه این پدیده را به عنوان اثر فوتوالکتریک توصیف کنیم. توصیف سادهٔ او بر این حساب که جذب یک کوانتوم منفرد از نور بود، توانست خصوصیات این پدیده و فرکانس آستانه را توجیه کند. تفسیر انیشتین از پدیدهٔ فوتوالکتریک برای او جایزهٔ نوبل را در سال ۱۹۲۱ به ارمغان آورد.

ایدهٔ کوانتومی بودن نور با قوانین منتشر شدهٔ ماکس پلانک از تابش جسم سیاه آغاز شد («در باب قانون توزیع انرژی در یک طیف عادی»،annalen der physik ۴(۱۹۰۱)) که با درست فرض کردن اینکه نوسان‌های هرتز فقط می‌توانستند در انرژی E که با فرکانس f مرتبط است موجود باشند، توسط فرمولE = hf. با درست فرض کردن اینکه نور حقیقتاً از بسته‌های جدای انرژی تشکیل شده، انیشتین معادلات پدیدهٔ فوتوالکتریک را نوشت که با آزمایش‌ها مطابق بودند (معادلات توضیح می‌دادند که چرا انرژی یک الکترون فقط به فرکانس پرتوی ورودی مرتبط بود و نه به شدت تابش، یک منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی کافی از خود گسیل نمی‌کرد تا یک الکترون را از جای بکند). این یک گام نظری بزرگ بود و حقیقت کوانتومی نور بسیار مستحکم بوده و هست. ایدهٔ کوانتومی بودن نور با تئوری موجی نور که نظریه‌های ماکسول را دنبال می‌کرد در تضاد بود. نظریه‌های ماکسول که فرض بخش پذیری (قابلیت تقسیم شدن) بینهایت انرژی در یک سیستم فیزیکی را اثبات می‌کرد. حتی بعد از آزمایش‌های که نشان داد معادلات انیشتین برای پدیدهٔ فوتوالکتریک صحیح بودند، استحکام نظریهٔ کوانتومی بودن نور افزایش یافت، و این از وقتی بود که معادلات انیشتین معادلات ماکسول را نقض کرد، معادلاتی در آن هنگام دیگر به طور کامل درست فرض شده بود .
کارهای انیشتین پیش بینی کرد که انرژی یک الکترون جداشدهٔ منفرد با فرکانس پرتوی ورودی یک رابطهٔ خطی دارد، یعنی با افزایش یکی دیگری هم افزایش می‌یابد، شاید به طور شگفت آوری که تا آن هنگام هنوز تجربه نشده بود. در سال ۱۹۰۵ تمامی این مفاهیم درک شد اما نه از طریق آزمایش. تا اینکه در سال ۱۹۱۵ رابرت اندروو میلیکان نشان داد که انیشتین درست می‌گفت.

الکترون در سوال «ذره‌ای یا موجی؟

اثر فوتوالکتریک به پیش برد مفهوم طبیعت دوگانه نور، که نور امواج و ذرات را در شرایط متفاوت نشان می‌دهد، کمک بسزایی کرد. این پدیده از طریق توصیف کلاسیک نور به عنوان موج غیر قابل درک بود، زیرا که انرژی الکترون گسیل شده به شدت تابش بستگی نداشت. این تئوری کلاسیک پیش بینی کرده بود که الکترون می‌تواند در طول یک زمان مشخص انرژی دریافتی را انباشته کرده و بعد گسیل شود. برای اینطور تئوری‌های کلاسیک که در یک شرط پیش پرشده کار می‌کند لازم به سماجت روی خود ماده می‌باشد. ایدهٔ پیش پرشدگی در کتاب میلیکان (الکترون مثبت و منفی) و در کتاب کامپتون و آلیسون (پرتوی ایکس در تئوری و آزمایش) بحث شده‌است.

موارد استفاده فوتو دیودها و فوتو ترانزیستورها

سلول‌های خورشیدی که برای تولید انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیودهای حساس به نور، هرکدام به نوعی از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کنند، اما نه با الکترونی که از ماده جدا بشود. در نیم هادی‌ها، نور حتی با انرژی پایین، مانند انوار مرئی می‌توانند الکترون‌ها را از نوار ظرفیت جدا کرده و آنها را به نوار رسانش با انرژی بالاتر انتقال دهند، جایی آنها با تحت کنترل بودن می‌توانند در یک ولتاژ متناسب با گاف انرژی جریان الکتریکی نولید کنند.

سنسورهای تصویر

دوربین‌های تلویزیونی در اوایل دورهٔ ظهور تلویزیون از پدیدهٔ فوتوالکتریک استفاده می‌کردند. انواع دوربین‌ها از مواد هادی حساس به نور استفاده می‌کنند.

حساسه‌های سیلیکونی تصویر یا همان تراشه‌های CCD که به طور بسیار زیاد در دوربین‌های موبایل استفاده می‌شود بر پایه نوعی از اثر فوتوالکتریک طراحی شده که در آن فوتون، الکترون را از نوار ظرفیت خارج می‌کند که در داخل خود سیستم جای دارد و نه در خارج آن، یعنی هیچ الکترونی از سیستم خارج نمی‌گردد.

الکتروسکوپ برگه طلا

علم فیزیک – اثر فوتوالکتریک
 
الکتروسکوپ برگه طلا

این الکتروسکوپ برای تشخیص الکتریسیته ساکن طراحی شده، بار الکتریکی قرار داده شده روی کلاهک، روی میله و برگه پخش می‌شود، و چون هردو بارهای هم نام دارند، میله و برگه هر دو یکدیگر را می‌رانند. و این باعث دور شدن برگه از میله می‌شود. الکتروسکوپ یک وسیلهٔ مهم برای توجیه پدیدهٔ فوتوالکتریک می‌باشد. بیایید فرض کنیم که الکتروسکوپ با بار منفی بار دار شده‌است. و ما می‌توانیم بگوییم که یک به هم خوردگی تعادل بار روی میله موجود است (زیرا می‌دانیم که قبل از این میله خنثی بوده و جسم خنثی هم دارای تعادل بار مثبت و منفی می‌باشد و برای همین هم خنثی است). اما اگر ما نوری با فرکانس بالا روی کلاهک آن بتابانیم، بار منفی از بین می‌رود و برگه به سر جای خور بر می‌گردد و در کنار میله قرار می‌گیرد. و این بدان خاطر می‌باشد که فرکانس پرتو از فرکان آستانهٔ کلاهک بالاتر است و فوتونی که روی سطح فلز فرود می‌آید به اندازهٔ کافی انرژی دارد تا الکترون را از سطح کلاهک جدا کند و بار منفی آن را کاهش دهد. این می‌تواند الکتروسکوپ باردار منفی را بی بار کرده و آن را با بار مثبت شارژ کند. اما اگر پرتوی ورودی فرکانسی پایین‌تر از فرکانس آستانهٔ کلاهک داشته باشد، الکتروسکوپ هیچگاه بار منفی خود را از دست نمی‌دهد و مهم نیست که چه مقدار از زمان نور به کلاهک بتابد.

فضاپیماها

اثر فوتوالکتریک باعث بار دار شدن فضاپیمایی می‌شود که در فضا در معرض نور خورشید قرار دارد و این فضا پیما را با بار مثبت شارژ می‌کند. و این می‌تواند تا ده‌ها ولت انباشته شود. و می‌تواند یک مشکل بزرگ باشد زیرا که قسمت‌های دیگر فضاپیما که در سایه قرار دارد تا چند هزار ولت دارای پتانسیل الکتریکی می‌شود و همچنین دارای بار منفی است. و این برهم خوردگی توازن بار الکتریکی می‌تواند روی قطعات الکترونیکی فضا پیما تخلیه شود و آنها را از کار بیندازد. بار الکتریکی مثبت ساکن تولیدی توسط پدیدهٔ فوتوالکتریک دارای یک محدودیت است، زیرا یک جسم با بار الکتریکی بسیار زیاد الکترون‌ها را سخت تر از دست می‌دهد.

غبار ماه

نوری که از خورشید بر ماه می‌تابد، ذرات غبار سطح ماه را دارای بار الکتریکی می‌کند و ذرات غبار دارای بار حالا همدیگر را دفع می‌کنند و از سطح ماه بالا می‌روند. و این پدیده خود را همانند اتمسفری از غبار آشکار می‌سازد و به صورت لکه‌ای تاریک و یک تابش تاریک بعد از تابش نور خورشید به سطح ماه آشکار می‌شود و قابل دید است.
این پدیده اولین بار در خلال برنامهٔ نقشه برداری در دهه ۶۰ از سطح ماه عکس برداری شد. این گمان می‌رود که کوچکترین ذرهٔ غبار تا کیلومترها از سطح ماه بالا می‌رود و ان ذرات، زمانی که شارژ و دشارژ می‌شوند، روی آتشفشان‌ها حرکت می‌کنند.

ادوات دید در شب

در یک دوربین دید در شب فوتون‌ها به یک صفحهٔ گالیوم آرسنید برخورد می‌کنند و بر اساس پدیدهٔ فوتوالکتریک الکترون‌ها را مجبور به جداشدن از سطح فلز می‌کنند. و این الکترون‌ها بعد از انبوه سازی، به صوری آبشاری روی یک صفحه از فسفر می‌ریزند و آن را روشن می‌کنند.

نظریه

انیشتین در سال ۱۹۰۵ رابطهٔ زیر را پیشنهاد نمود که اکنون تایید شده‌است:

h\nu=W+K \!

که در آن

h ثابت پلانک
\nu بسامد موج
Wتابع کار فلز
K انرژی جنبشی الکترون

به طور خلاصه می‌توان گفت که اگر نوری از امواج الکترومغناطیسی بر سطحی (بویژه) فلزات بتابد از جسم مقداری الکترون خارج خواهد شد که مقدار الکترون‌ها به شدت نور تابیده شده و انرژی الکترون‌ها به طول موج (انرژی فوتونها) بستگی دارد و اگر انرژی فوتون از حد آستانه پایین‌تر بیاید دیگر الکترونی بیرون نخواهد رفت بررسی این مسئله با فیزیک کلاسیک غیرممکن است و به کمترین فرکانسی که اثر فیک روی می‌دهد (الکترون از سطح فلز جدا شود) را فرکانس قطع می‌گویند.

ولتاژ قطع

ولتازقطع ولتاژی است که اگر دو سر الکترود‌ها اعمال شود دیگر پدیده فوتو الکتریک به وجود نمی‌آید. از نظر عددی ولتاژ قطع برابر است با بیشینه انرژی الکترون های گسیل شده(برحسب الکترون ولت)است. یعنی زمانی که انرژی الکترون های گسیل شده ۱۰الکترون ولت باشد ولتاژ قطع۱۰ولت است.

ولتاژ قطع زمانی باعث توقف پدیده فوتو الکتریک می‌شود که نور تابشی به الکترود مثبت برخورد کند.

نتایج آزمایش بر روی اثر فوتوالکتریک

  1. برای یک فلز و فرکانس پرتوی ورودی، آهنگ افزایش تعداد فوتوالکترون‌های گسیل شده رابطهٔ مستقیم با شدت تابش پرتوی ورودی دارد.
  2. برای یک فلز، یک فرکانس مینیمم مشخصی از پرتوی ورودی وجود دارد که پایین‌تر از آن هیچ فوتوالکترونی گسیل نمی‌شود، که ما آن را فرکانس آستانه(فرکانس قطع) می‌نامیم.
  3. در فرکانس‌های بالاتر از فرکانس آستانه، ماکزیمم انرژی جنبشی هر فوتوالکترون گسیل شده به شدت تابش پرتوی ورودی وابسته نیست و البته به فرکانس پرتو بستگی دارد.
  4. شدت نور تاثیری بر ولتاژ قطع ندارد.(ولتاژ قطع توسط بسامد نور مشخص می‌شود.)
  5. فرکانس نور تاثیری بر بیشینه شرت جریان ندارد.(شدت نور تعیین کننده بیشینه شدت جریان است.)
  6. زمان تاخیر بین تابش پرتوی ورودی و گسیل فوتوالکترون خیلی کوچک است، کمتر از ۱۰^-۹ ثانیه.

تولید لیزر اتمی با قابلیت عملکرد در کوتاه‌ترین طول موج‌ کوتاه

تولید لیزر اتمی با قابلیت عملکرد در کوتاه‌ترین طول موج‌ کوتاه

تیمی از محققان ژاپنی موفق به تولید یک لیزر اتمی شدند که در کوتاه‌ترین طول‌موج‌های ممکن تاکنون عمل می‌کند.

1440932433599_6.jpg

به گزارش سرویس علمی ایسنا، پرتوهای ایکس قادرند تصاویری از داخل اجسامی مانند اندام مختلف بدن را در اختیار بگذارند؛ چرا که می‌توانند در ماده نفود کرده و سپس با استفاده از ویژگی‌های عنصری، شیمیایی یا مغناطیسی داخل بخش‌های مختلف بدن، معادلی برای آن‌ها ارائه دهند.

در سال ۱۹۶۰ دانشمند آمریکایی به «نام تئودور میمن» برای نخستین بار نشان داد یک لیزر چنانچه در طول موج نوری به کار گرفته شود، می‌تواند به عنوان یک پرتو ایکس اما در مقیاس‌های کوچک‌تر عمل کند. این امر، راه را برای ارائه دستگاههای پرتو ایکس اتمی باز کرد که می‌توانند تصاویری از مولفه‌هایی مانند مولکول‌ها ارائه دهند.

هنوز تمایل برای تولید لیزرهایی با طول‌موج‌های کوتاه‌تری وجود دارد که پرتوهای ایکس منسجم تولید کنند زیرا هر چه طول موج کوتاه شود، وضوح بیشتری از یک جسم به دست می‌آید.

طول موج کوتاه همچنین امکان پالس‌های کوتاه‌تر نور را فراهم می‌کند و این موضوع در اندازه‌گیری‌های کاوشگران وضوح بهتری ارائه می‌دهد.

دانشمندان از لیزرهای عاری از الکترونی استفاده کردند که مبتنی بر انتشارات آنی خودتقویت‌شده بودند. زمانی که دانشمندان از یک هدف مس استفاده کردند، دریافتند این لیزرها می‌توانند لیزر اتمی دارای پوسته پرتو ایکس سخت را تولید کرده که قادر به عملکرد در طول موج ۱٫۵ انگستروم باشد.

نتایج نشان می‌دهد محققان به زودی می‌توانند از طول‌ موج‌های بسیار کوتاه مبتنی بر لیزر استفاده کنند و به وضوح بی‌سابقه و توانایی‌های اندازه‌گیری اتمی دست یابند.

جزئیات این دستاورد در مجله Nature ارائه شد.

پدیده فتوولتائیک

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.

پدیده فتوولتائیک
علم فیزیک – پدیده فتوولتائیک

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 ۲۲ درصد دارند. ولی بازده عملی آن حدود ۱۵ تا ۱۸ درصد است. در صورتی که بازده سلولها یی که از آرسینورگالیم ساخته می شود بازده عملی آنها بیشتر از ۲۰ 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 ۱۹۶۸ 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 ۱۸% ولتاژ بالای آن ۴۰ کیلو وات با ۵% اتلاف توان محاسبه شده است.

پدیده فتوولتائیک ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک ، فیزیک نور ، اپتیک ، فیزیک الکتریسیته ، الکترونیک ، فیزیک کوانتوم ، الکترومغناطیس ، هسته ای ، فیزیک مدرن ، صوت ، علوم

منبع : دانشنامه رشد

پراش نور

پراش نور

وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌شود. این اثر به آسانی قابل روئیت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.

حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل می‌شود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد می‌شود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.

تاریخچه

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

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها می‌شود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.

– پراش فرنهوفر تک شکاف

در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار می‌گیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر می‌دهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده می‌شود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روئیت است.

– شکاف دوگانه

در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار می‌گیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.

پراش فرنل

فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزئی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور می‌شود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود می‌گیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر می‌شوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده می‌شود.

اصل بابینه

دو پرده پراشان را مکمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.

توری پراش

آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده می‌شود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار می‌شوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.

منبع : دانشنامه رشد

تولید نخستین لیزر تمام سفید جهان

تولید نخستین لیزر تمام سفید جهان

دانشمندان دانشگاه آریزونا لیزر سفیدی تولید کرده‌اند که همزمان در رنگ‌های قرمز، سبز و آبی شلیک می‌شود.

1438421279823_8.jpg

به گزارش سرویس علمی ایسنا، لیزر در سال ۱۹۶۰ ابداع شد و معمولا در زمینه‌های زیادی کاربرد دارد اما تا پیش از این فیزیکدانان قادر به تولید لیزری که در نور سفید بدرخشد، نبودند.

تیم دانشگاه آریزونا در واقع، نانوورقه جدیدی ساخته‌ که لایه‌ای نازک و متشکل از یک نیمه‌رساناست و ضخامت این نیمه‌رسانا یک پنجم ضخامت موی انسان است.

این نانوورقه دارای سه بخش مشابه است و این سه بخش می‌توانند در نور قرمز، سبز و آبی به نسبت‌های مختلف و بر اساس نور اعمال‌شده به هر بخش بدرخشند.

لیزر ابداعی می‌تواند بیش از ۹۰ درصد از رنگ‌های قابل‌درک برای چشم انسان را پوشش دهد.

دانشمندان، لیزر را با استفاده از آلیاژی از روی، کادمیم، سولفور و سلنیم و در یک لوله ساخته‌اند که دمای آن می‌تواند به بیش از ۹۸۲٫۲ سانتی‌گراد برسد.

لیزرها در نمایشگرهای لیزری شفاف به کار می‌روند و تولید لیزر سفید گامی بزرگ به سوی دسترس‌پذیری این فناوری به شمار می‌آید.

این لیزر در انتقال داده نیز کاربردهای زیادی دارد؛ در حال حاضر، انتقال بی‌سیم داده با استفاده از نور در سرعت‌های گیگابیت و با استفاده از نورهای ال‌ای‌دی سفید صورت می‌گیرد.

لیزر در این زمینه پیشرفت‌هایی را در مقایسه با ال‌ای‌دی داشته، زیرا از طریق خواندن جزئی نور عمل می‌کند و می‌تواند در مقایسه با ال‌ای‌دی‌ها بسیار بهتر تنظیم شود.

لیزر سفید امکان انتقال این سیگنال‌ها در نواحی چندگانه طیف نوری را می‌دهد و این امر می‌تواند گذرگاه‌های بیشتری برای انتقال داده را فراهم کند.

جزئیات این لیزر در مجله Nature Nanotechnology ارائه شده است.