منشور، کوچکترین طیف سنجی که میتوانید در دست بگیرید

منشور به ظاهر ساده میاد چند تکه مثلثی شیشه که به هم متصل شدند با این حال این جسم ساده تاثیر زیادی در تاریخ اپتیک، فیزیک و نورشناسی داشته است چرا که اولین تجربه های علمی طیف سنجی بشر توسط منشور انجام شده است.

منشور می تواند نور سفید را تجزیه کرده، نورهای مخفی آن را آشکار و فیزیک پشت هر پرتوی نوری را هویدا کند از آزمایش اولیه نیوتن تا عکاسی مدرن، منشور ها اولین بیانگر رفتار نور برای ما بوده اند.

در این مقاله ما عملکرد منشور را بررسی و توضیح می دهیم چرا منشور مانند یک طیف سنج عمل می کند و اینکه چجور میتوانید از آن برای تجزیه نور استفاده کنید و در انتها درباره تاثیر منشور در عکاسی و فیلمبرداری صحبت می کنیم.

از پنجره نیوتن تا میز شما

داستان طیف سنجی منشور از ایزاک نیوتن در قرن هفدهم شروع می شود.او یک منشور شیشه ای در اتاق تاریک قرار داد و سپس با ایجاد یک منفذ در پرده اجازه داد پرتوی باریکی از نور خورشید وارد فضای تاریک شود. وقتی آن رتو به منشور وارد شد و به شکل نوارهای رنگی روی دیوار افتاد وی متوجه چیزی عجیب شد که نور یک پدیده خالص نیست بلکه ترکیبی از رنگ های متفاوت است که هرکدام به شکل متفاوتی از داخل شیشه عبور می کردند.

آزمایش نیوتن یک طیف سنجی اولیه ابتدایی بود وسیله ای که نور را به طول موج های خود تقسیم میکرد امروزه طیف سنج ها در آنالیز ستاره ها، نورهای خیابان، صفحه نمایش گوشی و شعله های شیمیایی استفاده می شند اما اصل اولیه همچنان همان اصل نیوتن است که نور وابسته به رنگ خود به شکل های متفاوتی خمیده می شود.

زیبایی منشور در اینه که برای دیدن اثر آن نیازمند تلسکوپ بزرگ یا آزمایشگاه نیستید و می توانید آزمایش نیوتن را به راحتی در خانه یا محیط های دیگر تکرار کنید.

منشور چگونه نور سفید را تبدیل به طیف می کند؟

برای دانستن اینکه چجور منشور میتونه نور سفید را به طیف های خود تجزیه کنه باید دو پدیده اصلی را در این باره بدونید، انکسار و پراکندگی.درباره انکسار قبلا نوشته ای منتشر کردم و درباره پراکندگی مطلب کامل براتون خواهم گذاشت اما در اینجا توضیح کوتاهی درباره این پدیده خواهم داد.

وقتی نور تغییر سرعت میده

قبلا توضیح داده ام که وقتی نور از محیط های مختلفی عبور می کند به دلیل تغییرسرعت نور در آن جسم تغییر مسیر می دهد نور در خلا سریعتر از هوا عبور می کند و در شیشه کند تر از هوا حرکت می کند در نتیجه در هنگام ورود نور به شیشه سرعت نور کم شده و دچار خمش می شود که به آن انکسار می گویند.

رابطه بین زاویه ورودی، زاویه خروجی به ضریب شکست دو ماده وابستست که مطابق قانون اسنل تعیین می شود برای یادگیری آن نیازمند دانستن ریاضی پیشرفته نیست به طور کلی این را بدانید نور اگر وارد شیشه شود تغییر مسیر می دهد و در هنگام خروج دوباره تغییر مسیر می دهد در نتیجه در هنگام ورود نور به منشور نور دوبار دچار انکسار می شود .

پراکندگی، چرا رنگ ها جدا می شوند

اگر همه رنگ ها به یک میزان خم بشند آن وقت منشور فقط جهت نور را تغییر داده و اتفاق خاصی نمیفتد. جادوی منشور اینجاست که ضریب شکست شیشه به طول موج وابستست. رنگ های آبی و بنفش بیشتر از نور قرمز درون شیشه کند می شوند چرا که طول موج کوتاهتری دارند. یکی از این نشانه های این اتفاق را در آسمان آبی روزمره میتوانیم ببینیم که چرا به رنگ آبی ست و چرا به رنگ های دیگر دیده نمی شود.در نوشته پراکندگی رایلی درباره یکی از مشخصه های پراکندگی وابسته به طول موج نوشته ام.

به همین دلیل تفاوت جزئی ضریب شکست در طول موج های مختلف، زاویه پراکندگی آن ها متفاوت می شود و بعد از عبور نور از منشور، قرمز و نارنجی در جای دیگری نسبت به سبز و آبی از شیشه عبور می کند.در فاصله این فاصله کوچک تبدیل به طیف نوری شده قرمز در یک طرف، بنفش در طرف دیگر و تمام رنگ های دیگر در بین این دو تا قرار می گیرد.

به این پخش شدن نور پراکندگی یا پاشندپی می گویند و دلیل اصلی تبدیل نور سفید به رنگین کمان توسط منشور همین پدیدست. همچنین همین اصل باعث می شود که طیف سنج اثر انگشت هر عنصری را شناسایی کند.

منشور به عنوان طیف سنج

طیف سنج وسیله ایست که نور ورودی را به طول موج های مختلف تجزیه کرده و به شما اجازه بررسین نتیجه ار می دهد. در نجوم پیشرفته یا طیف سنجی آزمایشگاهی، توری هایی با شیار های بسیار ریز اغلب به جای منشور استفاده می شود. اما اصل همان اصل اولیست نور مخلوط وارد شده و به طول موج های مختلف تقسیم می شود.

در طیف سنجی عناصر ابتدا عنصر را برانگیخته کرده که از خود نور ساطع کند.این کار را معمولا به وسیله شعله، قوس الکتریکی یا حتی پلاسما انجام می دهند سپس بعد برانگیخته شدن، هر عنصر فوتون هایی با طول موج های کاملا مشخص منتشر می کند. نور عنصر برانگیخته وارد یک شکاف ورودی شده تا باریک و تمیز شود سپس به توری پراش برخورد می کند.

توری پراش سطحی با هزاران خط ریز است که فاصله بین خطوط آن تقریبا در حد طول موج نور است که این خطوط باعث می شوند نور وارد الگوهای تداخلی شود.در نتیجه به مانند منشور این توری ها باعث پراش نور در زاویه های مختلف می شود.

در طیف سنجی نجومی هم دقیقا همین عملکرد تکرار می شود تلسکوپ نور را جمع کرده و وارد یک طیف سنج نجومی می کند توری پراش دوباره باعث ایجاد طیف در زاویه های مختلف می شود. با دیدن طیف ستاره ما متوجه ترکیب شیمیایی ستاره ها می شویم و از شدت کلی طیف دمای سطح ستاره ها را میتوانیم محاسه کنیم و همچنین اثراتی درباره میدان مغناطیسی ستاره بدست بیاریم.

درباره هر دو این موارد نکات بیشتری خواهم گفت و خواهم نوشت، اما به طور ساده هر دو طیف سنجی عناصر و طیف سنجی نجومی همین اصل منشور ها را رعایت می کند اینکه نور ورودی به صورت کنترل شده وارد منشور شود و نتیجه پراکنده شده توسط چشم یا سنسور دیده و ثبت شود.

دقت منشور

در طیف سنجی پیشرفته، دقت همه چیزه، ما فقط بدنبال دیدن یک رنگین کمان بر روی دیوار نیستیم بلکه فواصل و خطوط ریز بین طول موجها را می خواهیم. یک منشور در دست شما دقت وسایل آزمایشگاهی را نمی دهد اما خیلی نکات را می تواند برای شما آشکار کند هرچقدر پرتوی نور ورودی شما تمیز تر و باریکتر باشد و فاصله صفحه یا چشم شما از منشور بیشتر شود میزان پخش نور تجزیه شده بیشتر شده و بررسی ویژگی های آن راحتتر می شود

اگر به لامپ های سدیم داخل خیابان از طریق منشور نگاه کنید متوجه می شوید که طیف نوری آن به مانند رنگین کمان ساده نیست بلکه از نوار های زرد رنگ تشکیل شده است. طیف زرد امضای سدیم است، لامپ های مختل، ال ای دی و صفحه نمایش های متفاوت طیف های متفاوتی درست میکنند.

البته لامپ های سدیم مثل گذشته در خیابان ها کاربرد ندارند و قبلا لامپ های سدیم فشار بالا نور استاندارد خیابان ها بودند.

نکته مهم اینکه به هیچوجه با منشور به خورشید نگاه نکنید چرا که به شدت برای چشم شما آسیب زاست و بر شبکیه آسیب های جدی وارد می کند.

چند آزمایش ساده

برای استفاده از منشور به عنوان طیف سنج نیازمند ابزار پیچیده نیستید بلکه به دقت و صبر نیاز دارید. از اتاق تاریک و یک منبع نور استفاده کنید حتی میتونید یک چراغ قوه ال ای دی را را از داخل یک شکاف کوچک داخل جعبه به منشور بتابانید و تجزیه نور را در طرف ماقبل منشور ببینید.

می توانید از نور های مختلف استفاده کنید لامپ های گرم ال ای دی، لامپ های سرد ال ای دی، چراغ های فلوروسنت پیچ پیچی، نور شمع و حتی نور صفحه گوشی خودتان را می توانید با دقت طیف سنجی کنید. هر کدام از این لامپ ها ترکیب طیفی متفاوت دارند و منشور به شما نشان می دهد که چگونه نور سفید میتواند ترکیب های مختلف طول موج را پوشش دهد.

منشور در عکاسی و فیلمبرداری

منشور فقط وسیله ای در علم فیزیک نیست بلکه بخشی از زبان تصویری نیز هست.

در دوربین ها، پنتاپریسم  و پنتامیرور در منظره یاب های دوربین Dslr به کار می روند تا تصویری که از لنز می آید را برگردانده و هدایت کند به طوری که شما یک کادر با جهت صحیحی ببینید.

پنتاپریسم یک منشور شیشه ای سنگین است که داخل آن دو بازتاب کامل داخلی ب بازتاب با پوشش اینه ای انجام می شود. تصویر را پشت و رو وارونه اصلاح می کند و به صورت روشن، شفاف و با کیفیت بالا به چشم می رساند.

پنتامیرور ها به جای استفاده از یک منشور شیشه ای از سه آینه جداگانه در یک قاب پلاستیکی استفاده می کنند اما نسبت به پنتاپریسم نور بیشتری از دست می دهد در نتیجه منظره یاب تاریک تر است و البته نسبت به پنتاپریسم ارزان تر و سبک تر است که بخاطر همین در دوربین های اقتصادی استفاده می شود.

خیلی از دوربین های قدیمی فیلمبرداری 16 میلی متری یا 35 میلیمتری نیز از سیستمی مشابه پنتاپریسم برای هدایت نور به منظره یاب نوری استفاده می کردند.

منشور های تقسیم کننده نور در ریگ های سه بعدی و استرو و همچنین در برخی دوربین های قدیمی فیلم به کار می رفتند تا نور را میان منظره یاب و فیلم حسگر تقسیم کنند.

خیلی از فیلمسازان و عکاسان از منشور برای خم کردن نور جلوی دوربین استفاده میکردند. یک منشور دستی نزدیک لنز میتوانست فلر های مختلفی روی سطح لنز به صورت طبیعی و بدون نیاز به افکت های تدوین ایجاد کند. بخاطر همین این این فلر ها نسبت به افکت های تدوینی به مراتب طبیعی تر به نظر می رسد.

یکی از فیلمسازانی که علاقه زیادی به اینکار دارد جی جی آبرامز سازنده سریال لاست است که برای ایجاد فلر های شدید و رنگی از تکه های شیشه، منشور و چراغ قوه استفاده می کندو امانوئل لوبزکی فیلمبردار مالیک نیز برای ایجاد هاله های نوری و شکست های رنگی از اجسام شیشه ی کوچک جلوی لنز استفاده می کرد. از این تکنیک حتی برای ایجاد فلر ارگانیک در هنگام عکاسی نیز میتوانید استفاده کنید.

در هنگام عکاسی حتما از منشور مثلثی و کریستال کروی استفاده کنید تا بوکه های جالب، رنگین کمان و شکست نور را داخل عکس های شما ایجاد کند فاصله یک تا سه سانتی متری لنز نگهدار به آرامی تکان بده تا افکتی که می خواهی ظاهر شود حواستان باشد که فوکوس دوربین تغییر نکند و روی سوژه باقی بماند. استفاده از منشور در محیط شهری در شب می تواند نور چراغ های خیابان را کشیده کند. حتی می توان با این تکنیک سوژه را دو یه سه بار در تصویر تکرار کرد و شکست های رنگی آبی قرمز یا زرد ایجاد کرد.

در این حالت باید دیافراگم دوربین شما باز باشد و منشور تار شود و افکتش باقی بماند، و ترجیحا ایزو پایین و فوکوس به صورت دستی تنظیم شود.

از این تکنیک در عکاسی با موبایل نیز می توانید استفاده کنید فقط باید منشور را نزدیک تر به دوربین کنید و نورتون هم قوی تر باشه.

نکته مهم اینه که منشور را تمیز نگهدارید چون لکه ها خیلی واضح می شوند.

یک مسئله مهم دیگر در این زمینه این است که اثر پراکندگی که منشور را تبدیل به طیف سنج می کند بعث ایجاد ابیراهی در لنز ها نیز می شود. لنز های با کیفیت از شیشه های با پراکندگی پایین استفاده می کنند تا تغییر نورهای ناخواسته اتفاق نیفتد.

انتخاب منشور برای عکاسی و آزمایش

اگر میخواهید از یک منشور به عنوان طیف سنج جیبی استفاده کنید همین منشور های ساده سه وجهی کافی اند.منشور های پلاستیکی ارزان برای ساختن رنگین کمان های آموزشی مفیدند اما بدرد افکت عکاسی نمیخورند چرا که شیشه پاشندگی تمیزتر و طیف واضح تری ایجاد می کند.

منشور های بلند به نور اجازه می دهند مسیر بیشتری را داخل شیشه طی کرده که باعث افزایش پاشندگی می شوند.در عکاسی و فیلمبرداری منشور های کوچک بهتر است چرا که گرفتنشان جلوی لنز دوربین راحتتر است.

نتیجه گیری

حسگر های دیجیتال، توری های پراش و طیف سنج های پیچیده شاید خیلی دور از یک تکه شیشه ساده به نظر برسند.اما  منشور همچنان یکی از قابل فهم ترین ابزار ها برای دیدن طیف با چشم غیر مسلح است.برای هرکسی که به اپتیک، نور، عکاسی و فیلمبرداری علاقه دارد داشتن منشور چیزی الزامیست چرا که به شما اجازه می دهد منابع نوری اطراف خود را مطالعه کرده و کیفیت نور های محیط را بسنجید.