امواج
در فیزیک، یک موج آشوب یا نوسانی است که در فضا یا ماده حرکت می کند و انرژی را انتقال می دهد. امواج ساده معمولا به صورت حركت تناوبی یا پریودیك هستند (البته هر حركت تناوبی یا پریودیك لزوما یک موج نیست). حركت تناوبی یا پریودیك حركتی است كه در آن یك ذره، یك جسم یا یك كمیت فیزیكی بعد از طی یك مسیر یا یك سری مقادیر مجدداً به حالت اولیه یا مقدار اولیه باز می گردد و از نو حركت را تكرار می كند (بعبارتی رفت و برگشت دور یک حالت یا مقدار مرجع دارد). دو دسته اصلی از امواج، امواج مکانیکی و امواج الکترومغناطیسی هستند. امواج مکانیکی در محیط مادی منتشر می شوند و ذرات سازنده آن محیط مادی را به نوسان و تغییر وا می دارند (بعبارتی نوسان و تغییر ذرات سازنده آن محیط مادی موج مکانیکی محسوب می شود و موج مکانیکی نمی تواند در خلا وجود داشته باشد). از امواج مکانیکی می توان به موج آب روی سطح آب برکه و موج صدا در هوا اشاره کرد. امواج الکترومغناطیسی نوسانات پریودیک میدان های الکتریکی و مغناطیسی هستند و هم در محیط مادی و هم در خلا می توانند وجود داشته باشند. امواج الکترومغناطیسی شامل امواج رادیوئی، میکرو موج ها، تابش های فروسرخ، نور مرئی، تابش های فرابنفش، اشعه های ایکس وگاما می باشند.
به منظور آشنایی بیشتر با امواج و درک ساز وکار و مکانیزم ایجاد و گسترش آنها بعنوان مثال موج آب ایجاد شده روی سطح آب برکه یا استخر را بر اثر برخورد سنگ در نظر می گیریم. شکل بعدی ایجاد و گسترش موج روی سطح آب را در شش نمایش متوالی از سطح آب نشان می دهد. در این شکل از حروف کوچک انگلیسی برای مشخص کردن بعضی از مناطق روی سطح آب استفاده کردیم. هر حرف دسته ای از مولکول های آب مجاور هم را نشان می دهد. در ابتدا سطح آب ساکن و بدون موج است ( نمایش 1). در اثر برخورد سنگ، مولکولهای منطقه a همراه سنگ به پایین کشیده می شوند ( نمایش 2). زمانیکه مولکولهای منطقه a به سمت پایین کشیده می شوند، بعلت وجود نیروهای جاذبه بین مولکولی به مولکولهای مجاور خود یعنی مولکولهای مناطق b و c نیرویی به سمت پایین وارد می کنند و آنها را هم پایین می کشند. در عکس العمل مولکولهای مناطق b و c نیرویی به سمت بالا به مولکولهای منطقه a وارد می کنند. در نتیجه مولکولهای مناطق b و c پایین می روند، در حالیکه مولکولهای منطقه a بالا کشیده ی شوند و به حالت اولیه خود برمیگردند ( نمایش 3). مولکولهای مناطق b و c موقع پایین رفتن به مولکولهای مجاور خود یعنی مولکولهای مناطق d و e نیرویی به سمت پایین وارد می کنند و آنها را هم پایین می کشند، مولکولهای مناطق d و e هم در عکس العمل مولکولهای مناطق b و c را بالا می کشند. از طرفی مولکولهای منطقه a که قبلا بالا کشیده می شدند، بعلت سرعت و اینرسی که در حرکت به سمت بالا دارند، بعد از برگشتن به سطح اولیه آب به حرکت خود به سمت بالا ادامه می دهند. در نتیجه مولکولهای منطقه a به موقعیت های بالاتر از سطح اولیه آب می روند، در حالیکه مولکولهای مناطق b و c به حالت اولیه خود برمیگردند و مولکولهای مناطق d و e پایین می روند (نمایش 4). ساز و کار یاد شده ادامه می یابد و منجر به گسترش موج و نوسانات به مناطق دیگر مثل f,g,h,i می شود ( نمایش 5 و 6).
توضیح شکل: ایجاد و گسترش موج روی سطح آب بر اثر برخورد سنگ
بعنوان مثال دیگر برای درک ساز وکار و مکانیزم ایجاد و گسترش امواج موج صدا در هوا را در نظر می گیریم. شکل بعدی ایجاد و گسترش موج صدا در هوا را در شش نمایش متوالی نشان می دهد. در این شکل از حروف کوچک انگلیسی برای مشخص کردن بعضی از مناطق هوا استفاده کردیم. هر حرف دسته ای از مولکول های هوا مجاور هم در یک ستون را نشان می دهد. در ابتدا هوا بدون موج است ( نمایش 1). در اثر نوسانات یک جسم مثل دیاپازون، تارهای صوتی حنجره یا پرده بلندگو و برخورد آن به مولکولهای a مولکولهای ستون a به سمت مولکولهای ستون b هل داده می شوند ( نمایش 2). زمانیکه مولکولهای ستون a به مولکولهای ستون b برخورد می کنند، مولکولهای ستون b را به سمت مولکولهای ستون c هل می دهند و خود به جای اولیه شان برگشت داده می شوند ( نمایش 3). مولکولهای ستون a بعد از برگشت به جای اولیه مجددا در اثر برخورد با عامل ایجاد موج یا مولکولهای دیگر هوا به سمت مولکولهای ستون b هل داده می شوند. از طرفی مولکولهای ستون b در اثر برخورد با مولکولهای ستون c آنها را به سمت مولکولهای ستون d هل می دهند و خود به جای اولیه شان برگشت داده می شوند ( نمایش 4). ساز و کار یاد شده ادامه می یابد و منجر به گسترش موج و نوسانات به مناطق دیگر مثل e,f می شود ( نمایش 5 و 6). در نواحی که مولکولها بهم نزدیک می شوند، افزایش تراکم مولکولها و افزایش فشار را داریم. بالعکس در نواحی که مولکولها از هم دور می شوند، کاهش تراکم مولکولها و کاهش فشار را داریم. هر ناحیه بطور متوالی افزایش و کاهش فشار را تجربه می کند و در واقع موج صدا بصورت نواحی پر فشار و کم فشار پشت سرهم هست. لازم بذکر است که ساز و کار و مکانیزم ایجاد و گسترش موج صدا در دیگر محیط ها مثل جامدات مشابه مکانیزم یاد شده است. همچنین نمایش توصیف شده یک نمایش تقریبی و نه دقیق است.
توضیح شکل: ایجاد و گسترش موج صدا در هوا در اثر نوسانات یک جسم مثل پرده بلندگو و برخورد آن به مولکولهای هوا
همانطور که دو مثال قبلی نیز نشان می دهند، در امواج مکانیکی نوسان ذرات سازنده محیط را داریم اما لزوما ذرات سازنده محیط جابجایی خالص ندارند. مثلا برای موج روی سطح آب نقاط روی سطح آب تغییر ارتفاع می دهند و دارای حركت نوسانی بالا-پایین هستند، اما در سطح آب جابجا نمی شوند. همچنین به نظر می آید كه موج در سطح آب حركت می كند یا انتشار می یابد، اما هیچ ذره ای به طور خالص جابجا نمی شود. به طور مشابه با انتشار موج صدا در هوا هر مولكول هوا در مكان خودش حركت نوسانی انجام می دهد، اما جابجایی خالص ندارد( برخلاف باد).
امواج می توانند عرضی یا طولی باشند. امواجی كه در آنها راستای انتشار موج عمود بر راستای نوسان ذرات است امواج عرضی و امواجی كه راستای انتشار موج در راستای نوسانات ذرات است امواج طولی نامیده می شوند. مثلاً موج روی سطح آب بركه یك موج عرضی است، در حالیكه صدا یك موج طولی است.
در مورد امواج و هنگام مطالعه آنها بایستی با کمیت های زیر آشنا باشیم:
دوره تناوب (T) : دوره تناوب مدت زمانی است كه طول می كشد تا یك ذره ی نوسانی یك نوسان كامل انجام دهد. واحد آن ثانیه(s) است. بعد از گذشت یک یا چند دوره تناوب ذره به موقعیت نوسانی اولیه خود بر می گردد، بنابراین یك نقطه یا ذره نوسانی در زمان های t + nT , ……… t + 2T , t + T, t در شرایط نوسانی كاملاً یكسان قرار دارد.
فركانس
( f یا ( نو ) ν ) :
فركانس (frequency) تعداد
نوسانات كامل
در یك ثانیه
است، واحد آن
هرتز (Hz)
یا 
است.
با توجه به تعاریف دوره تناوب و فرکانس رابطه زیر را بین آنها می توان در نظر گرفت:
طول
موج (
) : كمترین
فاصله مكانی
بین دو نقطه
تحت شرایط نوسانی
كاملاً یكسان
یا كمترین
فاصله مكانی نقاط
همفاز طول موج
(wavelength) نامیده می
شوند. دو نقطه (
ذره) نوسانی
تحت شرایط
نوسانی
كاملاً یكسان
قرار دارند یا
همفاز هستند،
اگر موقعیت،
جهت و سرعت
حركت نوسانی آنها
كاملاً یكسان
باشد. بعنوان
مثال در شکل
بعد سه وضعیت
از موقعیت نوسان
نقاط موجی که
به سمت راست
حرکت می کند،
نشان داده شده
است. با گذشت
زمان a
به a’ و
سپس a”
می رود. b
با گذشت زمان
به b’ و
سپس b’’
می رود.
همانطور که در
شکل دیده می
شود، نقاط a و b
همواره در
وضعیت نوسانی
یکسانی قرار
دارند (مثلا
وقتی a
بالاست، b هم بالاست
یا وقتی a پایین
است، b
هم پایین است).
بنابراین
نقاط a
و b همفاز
هستند. از
آنجائیکه بین
آنها نقطه
همفاز دیگری
نداریم،
فاصله بین
آنها كمترین
فاصله مكانی بین
نقاط همفاز یا
همان طول موج
است.
طول
موج را می
توان فاصله ی
دو قله یا دو
دره ی متوالی
نیز در نظر
گرفت. شکل
بعدی را در
نظر بگیرید.
با توجه به
تعریف طول
موج، نقاط یا
ذرات نوسانی
در فواصل
مکانی 
، 
و... از
هم در شرایط
نوسانی
كاملاً یكسان
قرار دارند یا
همفازند.
دامنه موج: دامنه یک متغیر پریودیک سنجشی از تغییرات آن در طول یک نوسان کامل است. تعاریف مختلفی برای دامنه (Amplitude) وجود دارد که همگی تابعی از بزرگی اختلاف بین مقادیر اکستریم کمیت هستند. در ادامه با دو مورد متداول برای تعریف دامنه آشنا می شویم. دامنه پیک تو پیک ( Peak-to-Peak Amplitude) که با AP-P نشان داده می شود اختلاف مقادیر اوج و حضیض یک کمیت در طول یک نوسان کامل است. نیمه دامنه (Semi Amplitude) که معمولا دامنه خوانده می شود و با A نشان داده می شود ، بصورت نصف دامنه پیک تو پیک تعریف می شود. شکل بعدی را در نظر بگیرید:
در فیزیک کلاسیک انرژی امواج با مجذور دامنه رابطه مستقیم دارد. بعنوان مثال از نظر فیزیک کلاسیک با دو برابر شدن دامنه موج انرژی آن چهار برابر می شود.
سرعت انتشار موج(V) : سرعت پیشروی یا انتشار موج در فضا را سرعت انتشار موج می گویند. با توجه به اینکه یک موج در مدت زمان یک دوره تناوب به اندازه یک طول موج پیشرفت می کند، رابطه سرعت انتشار موج با دوره تناوب و طول موج به صورت زیر است:
V= /T
با توجه به رابطه دوره تناوب و فرکانس، رابطه قبل به صورت زیر نیز می تواند نوشته شود:
مثال: مطابق شکل زیر دو شخص A و B به فاصله L از هم در کنار برکه آبی قرار دارند. شخص A در دست یک سنگ برای ایجاد موج و شخص B در دست یک کرونومتر برای سنجش زمان دارد. شخص A سنگ را در جلوی پای خود به داخل برکه می اندازد. شخص B، t1 ثانیه بعد از برخورد سنگ به آب اولین قله موج آب و t2 ثانیه بعد از برخورد سنگ به آب دومین قله موج آب را در زیر پای خود می بیند. طول موج، فرکانس، دوره تناوب و سرعت انتشار موج آب روی سطح برکه را بر حسب کمیت های داده شده بدست آورید.
حل:
اولین قله موج در لحظه برخورد سنگ به آب ایجاد شده است و بعد از طی فاصله بین دو شخص A و B یعنی مسافت L در مدت زمان t1 به زیر پای شخص B رسیده است. بعبارتی موج در مدت زمان t1 فاصله L را طی کرده است، پس برای سرعت انتشار موج که نسبت مسافت پیموده شده به مدت زمان طی مسافت است، داریم:
t1 ثانیه بعد از برخورد سنگ به برکه، آب زیر پای شخص B در حالت قله قرار دارد. t2 ثانیه بعد از برخورد سنگ به برکه، آب زیر پای شخص B مجددا در حالت قله قرار می گیرد. این بدین معنی است که در بازه زمانی t2-t1 آب زیر پای شخص B یک نوسان کامل انجام داده است. پس برای دوره تناوب که مدت زمان لازم برای یک نوسان کامل است، داریم:
با در دست داشتن دوره تناوب و سرعت انتشار موج بر حسب پارامترهای مسئله می توانیم بصورت زیر فرکانس و طول موج را هم بر حسب پارامترهای مسئله بدست آوریم:
*****
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
**************************************************
سایت: www.youngchemist.com
مولف: محمد شاهی
نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com
**************************************************
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||