نور به قدری در زندگی ما عادیست که خیلی اوقات به ویژگی های آن فکر نمیکنیم. پدیده پراش از اتفاقاتیست که با شهود کلی ما در تناقض است چرا که در زندگی روزمره ما نور در خط مستقیم حرکت می کند از آینه انعکاس می یابد و درون لیوان دچار شکست می شود و بخاطر همین ویژگی هایی که برای ما عادی شده توانستیم دوربین ، تلسکوپ و میکروسکوپ بسازیم اما نور یک رفتار غیر معمول نیز دارد وقتی آن را از یک شکاف باریک عبور می دهید دچار پدیده پراش می شود. در پراش نور پخش شده و حاشیه درست می کند و به جاهایی می رود که از نظر هندسی نباید برود.

پراش فقط یک آزمایش نیست بلکه عامل اصلی در میزان وضوح یک عکس است و اینکه فاکتور مهم در میزان دقت میکروسکوپ نیز پراش است. اگر علاقمند به عکاسی، فیلمبرداری و نجوم هستید باید با پدیده پراش آشنا بشید. در این مقاله سعی میکنم توضیح کافی ای درباره این پدیده اپتیکی بدم.

چرا نور همیشه مسیر مستقیم نمی رود

در بیشتر موقعیت ها می توانیم نور را مثل خط مستقیم یا پرتو در نظر بگیریم. با همین فرض ساده می توانیم بازتاب، شکست و کارکرد آینه ها و عدسی ها را با هندسه توضیح دهیم. این مدل در بسیاری از کاربرد های روزمره جواب می دهد.

اما این نگاه ساده فقط وقتی درست است که اجسام و شکاف هایی که نور با آن ها برخورد می کند خیلی بزرگتر از طول موج نور باشند.نور مرئی طول موج خیلی کوچکی دارد فقط چند صد نانومتر یعنی حدود هزار بار کوچکتر از ضخامت یک تار مو.

وقتی نور با سوراخ ها یا اجسام بسیار کوچک در حد همین اندازه برخورد کند رفتار آن دیگه شبیه پرتو مستقیم نیست.

به جای اینکه سایه صاف و واضح بندازد، پخش می شود از لبه ها عبور می کند و به جاهایی می رود که انتظار نداریم که نتیجه این رفتار ایجاد نوار های روشن و تاریک است. در مدل پرتو این نواحی غیرممکن یا ممنوع هستند چون خط مستقیم نمی تواند به آن ها برسد. اما در دنیای موج ها این اتفاق طبیعیست. این رفتار نور را پراش می گویند.

امواج، هویگنس و خم شدن در لبه ها

درباره کریستین هویگنس در نوشته دوگانگی موج و ذره توضیحاتی داده ام اما به طور خلاصه برای اینکه بدونید چرا نور دچار پراش می شود باید به رفتار موجی نور دقت کنید. طبق اصل هویگنس در قرن هیفدهم هر نقطه ای در جبهه موج می تواند منبع برای ایجاد موجک های کروی شکل باشه.که نتیجه آن تقویت موج توسط همه آن موج های کوچک است.

وقتی یک جبهه موج از یک دهانه باز عبور می کند اکثر این امواج، موج اصلی رو به جلو را تقویت می کنند که نتیجه آن ایجاد پرتو مستقیم است اما اگر دهنه در قیاس با طول موج باریک شود منابع موجکی ثانویه کمتر شده که در نتیجه پرتوی ان ها در همه جهات پخش می شود و فقط خط مستقیم را نمی رود.

هرچقدر دهنه باریک تر باشد باعث بیشتر پخش شدن موج می شود و البته شاید این اصل با شهود ما در تناقض باشد چرا که احتمالا فکر کنیم هرچقدر دهنه بسته تر باعث تمرکز و فوکوس بیشتر می شود در حالی که در دهنه های خیلی کوچک این حرف غلطه و باعث پخش شدن نور میشه.

پیشنهاد مطالعه: درک نور در مغز چگونه اتفاق می افتد؟

آزمایش تک شیار برای پراش

ساده ترین نمونه آزمایشگاهی پراش نور، آزمایش تک شیار است. یک پرتو تک فام، مانند پرتو لیزر را به یک شیار باریک بتابانید و نور عبوری را روی یک صفحه بیندازید.

به طور ساده ممکن است انتظار داشته باشید که فقط یک نوار روشن دقیقا روبروی شیار دیده بشه و خارج از آن تاریکی باشد اما خواهید دید که یک ماکسیمم مرکزی روشن ظاهر می شود که در دو طرفش نورهای روشن و تاریک به صورت متناوب قرار دارند.

بخش مرکزی پرنورترین و عریض ترینه و نوارهای کناری کم نور تر می شود و هرچه از مرکز دورتر میرویم باریکتر نیز می شوند. چرا چنین اتفاقی می افتد؟ به این دلیل که هر نقطه در پهنای شیار مثل ی کمنبع ثانویه عمل می کند موجک ها با هم روی هم می افتند و تداخل می کنند. در برخی زاویه ها قله های بعضی بخش های موج با دره های بخش های دیگر هم راستا شده و تداخل ویرانگر ایجاد می کند که نتیجه آن ایجاد نوارهای تاریک است.

در زاویه های دیگر قله با قله و دره با دره هم فاز می شود و تداخل سازنده رخ می دهد و نوارهای روشن شکل میگیرد از نظر ریاضی موقعیت نوارهای تاریک به طول موج نور، پهنای شیار و فاصله صفحه بستگی دارد اما از نظر فیزیکی توضیح موضوع ساده تر است شیار هیا باریک نور را مجبور می کنند ماهیت موجی خود را آشکار کند.

پدیده پراش در آزمایش دو شیار

حالا شکاف دوم را به آزمایش قبل نزدیک به شکاف اول ایجاد کنید.در اینجا تداخل حتی بیشتر می شود هر شیار به تنهایی یک الگوی پراش ایجاد می کند حالا دو شکاف مثل دو منبع عمل می کند و موج نور های همدیگه تبدیل به نواری از موضع های تاریک و روشن روی صفحه می شود.

با این حال این نوار های تداخلی منظم همگی روشنایی یکسانی ندارند. یک ناحیه روشن مرکزی پهن که درون آن نوارهای باریک و نزدیک به هم دیده می شود سپس نواحی کناری که نوار ها وجود دارد اما کم کم محو می شوند. به این معنا پراش و تداخل دو پدیده جدا از هم نیستند. پراش در واقع تداخل حاصل از تعداد زیادی نقطه در سراسر یک گشودگیست و آزمایش دو شیار تداخل ناشی از دو نقطست.هر دو ای پدیده ها از جمع شدن سهم موج ها با هم به وجود می آیند اما هندسه و تعداد منابع بافت  و شکل الگو را تغییر می دهد.

توری های پراش، تبدیل نور به یک بارکد

توری پراش وسیله ایست که دارای خطوط بسیار ریز و منظم در اندازه هزاران خط در هر میلی متر است وقتی نور سفید به آن برخورد می کند به جای اینکه فقط یک لکه روشن بدهد نور را به رنگ های مختلف تجزیه می کند و به شکل خطوط رنگی منظم روی صفحه ظاهر می شود.

توری پراش یکی از قوی ترین وسایل در اپتیک است وقتی نور به توری پراش برخورد می کند هر شکاف موج های ثانویه درست می کند فاصله بین شکاف ها فقط در یک سری زوایا تداخل سازنده به وجود می آورد جایی که اختلاف مسیر بین شیار های مجاور برابر با مضربی صحیح از طول موج باشد.در این زوایا نور با طول موجی خاص به صورت خاصی تقویت می شود و در زوایای دیگر کاملا از بین می رود.

نرو سفید شامل همه طول های موج نور است که به تمام طیف رنگی نور تقسیم می شود در زوایای مختلف، هر رنگی زاویه دلخواه خود را برای روشنایی دارد. توری پراش فقط باعث مرتب کردن این طول موج ها می شود و در اکثر طیف سنج ها و وسایل اپتیکی استفاده می شود.

رابطه بین پراش و آنالیز رنگ در نجوم، شیمی و علم مواد بنیادیست برای اینکه طیف نور بیان کننده ترکیبات، دما و نوع حرکت ماده است.

پراش در زندگی روزمره

شاید زیاد به چشمتون نیاد اما پدیده پراش در زندگی روزمره شما وجود دارد. حتما قبلا Cd را زیر نور گرفته اید آن رنگهای رنگین کمانی که ایجاد می شد به دلیل این بود که خط های میکروسکوپی روی Cd به مانند توری پراش نور سفید را به طول موج های مختلف تجزیه می کرد.

پر پرندگان، بال پروانه ها و برخی پوسته های سوسک ها رنگ های رنگین کمانی را به خاطر اسختار های کوچک و منظم خود نشان می دهند که نور را پراش می دهند. این رنگ ها ناشی از رنگدانه نیستند بلکه نتیجه هندسه پشته ها و لایه های میکروسکوپی هستند که تداخل وابسته به طول موج را ایجاد می کنند.

حتی هاله دور لامپ خیابانی که از روی پنجره دیده می شود نیز حاصل پراش در ذرات ریز است اگر پدیده پراش را متوجه بشید آن را تقریبا در همه موقعیت های نوری می توانید ببینید.

پراش در عکاسی و طراحی لنز

در عکاسی، میکروسکوپ و طراحی تلسکوپ پراش محدود کننده شماست. مهم نیست که لنز شما چقدر خوب است نوری که از دیافراگم بسته عبور کند بر نقطه ثابتی متمرکز نمی شود و به جای آن منبع تک نقطه ای یک الگوی پراشی به اسم « دیسک ایری» (Airy Disk) ایجاد می کند که در واقع یک نقطه روشن مرکزی با حلقه های محو نوریست.

اندازه دیسک ایری وابسته به طول موج نور و عدد دیافراگم است.هرچقدر شما دیافراگم را پایین تر بیاورید و دهنه لنز را بسته تر کنید عمق میدان بیشتر شده و ابیراهی نوری کمتر می شود اما دیسک ایری نیز گسترش پیدا می کند به این معنا که جزئیات ریز عکس شروع به محو شدن می کند نه بخاطر مشکل لنز بلکه بخاطر خاصیت موجی نور.

این تعادل در نهایت توسط پراش تعیین می شود به همین دلیل است که میکروسکوپ و تلسکوپ هایی با دهانه بزرگتر می توانند جزئیات ریزتری را تفکیک کنند دهانه بزرگتر یعنی الگوی پراش کوچکتر و این باعث می شود حد تفکیک به مقیاس های کوچکتری منتقل شود.

برای شما علاقمندان عکاسی یادتان باشد که سعی کنید با دیافراگم های خیلی بسته عکس نندازید چرا که وضوح رو از دست می دهید حتی اگر لنزهای زایس خیلی گران دارید. معمولا در دیافراگم های بالاتر از 11 یا حداکثر 16 ایری دیسک تاثیر خود را بر کیفیت عکس گذاشته و وضوح را کاهش داده است.

فراتر از طیف مرئی

پراش فقط برای طیف مرئی نیست هرموجی پراش دارد امواج صدا، امواج آب، رادیویی، ایکس ری و حتی امواج ماده که بخاطر الکترون ها به وجود می آید.

ستاره شناسان رادیویی آرایه های غول پیکری از آنتن ها طراحی می کنند تا وضوح زاویه ای را بهبود دهند آن ها عملا یک دهانه مصنوعی بسیار بزرگ ایجاد میکنند تا اندازه الگوی پراش را کاهش دهند.

بلورشناسان پرتوایکس از پراش پرتوهای ایکس توسط شبکه منظم اتم ها در یک بلور استفاده میکنند تا از طریق آن بتونند ساختار مولکولی را تعیین کنند.

میکروسکوپ های الکترونی از ماهیت موجی الکترون ها بهره می برند طول موج بسیار کوتاه ان ها امکان تصویربرداری در مقیاس اتمی را فراهم می کند خیلی فراتر از توان میکروسکوپ های نور مرئی.

ریاضیات در همه این موارد یکسان است تنها طول موج و اندازه ساختار تغییر می کند. پراش یک ویژگی عمومی پدیده های موجیست نه یک ویژگی عجیب مختص نور مرئی.

پراش در خیلی از تکنولوژی های دنیای مدرن استفاده می شود. ارتباط فیبر نوری که در آن نور درون شیشه نازک منتقل می شود باید پراش و تداخل را در طراحی در نظر بگیرند. مدارهای فوتونیک باید پراش را در سطوح با اندازه میکرومتر اندازه گیری کنند.

در نجوم پراش تعیین کننده وضوح عکس کهکشان های دور است و همچنین حداقل اندازه تلسکوپ برای ثبت عکس سیاره کنار ستاره اصلی را تعیین می کند در بالا اشاره کردم که وضوح میکروسکوپ در زیست شناسی وابسته به میزان پراش است.

حتی در دوربین های دیجیتال و موبایل نیز فهم پدیده پراش کمک می کند توضیح دهیم که چرا کوچک کردن سنسور و لنزها هزینه دارد. سنسور های کوچکتر به فاصله کانونی کوتاهتر و معمولا دهانه موثر کوچکتر نیاز دارند و این سیستم ها را به حد پراش نزدیک تر می کند. در نتیجه دستیابی به وضوح های بسیار بالا از نظر فیزیکی سخت تر می شود.

نتیجه گیری

پراش زمانی رخ می دهد که نور به مانند موج عمل کند. وقتی روزنه ها کوچک باشند و یا لبه ها تیز باشد نور به شکل هایی پخش می شود خم می شود و تداخل پیدا می کند.

زا عکس ستارگان تا عکس باکتری ها، تا شارپ بودن لنز روی دوربین شما همه آن ها توسط قوانین پراش محدود شده اند.