بخشی از مقاله
تاریخچه نور
تعریف واقعی نور
تعریف دقیقی برای نور وجود ندارد، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی با هم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می کنند که تمام پدیده‌های نوری را توجیه می کنند.
نظریه ماکسول درباره انتشار نور بحث میکند در حالیکه نظریه کوانتومی بر هم کنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح میدهد ازآمیختن این دو نظریه، نظریه جامعی که کوانتوم الکترو دینامیک نام دارد،شکل میگیرد. چون نظریه‌های الکترو مغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می کنند منصفانه میتوان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. سرشت نور کاملاً شناخته شده است اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست؟
گسترده طول موجی نور
نور گستره طول موجی وسیعی دارد چون با نور مرئی کار می‌‌کنیم اغلب تصاویر و محاسبات در این ناحیه از گستره الکترومغناطیسی انجام میگیرد امّا روش‌های مورد بحث می‌‌تواند در تمام ناحیه الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند. ناحیه نور مرئی بر حسب طول موج از حدود 400 نانومتر (آبی) تا 700 نانومتر (قرمز) گسترده است که در وسط آن طول موج 555 نانومتر (نور زرد) که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیه پیوسته که ناحیه مرئی را در بر میگیرد و تا فروسرخ دور گسترش مییابد. خواص نور و نحوه تولید
سرعت نور در محیط‌های مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است. در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته است. به‌وسیله کاواک جسم سیاه میتوان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موج‌های مختلف مشاهده شده امّا مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موج هاست. تک طول موج‌ها آن را به‌وسیله لامپ‌های تخلیه الکتریکی که معرف طیف‌های اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده میتوان تولید کرد.
ماهیت‌های متفاوت نور
ماهیت ذره‌ای
ایزاک نیوتن در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت: پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می شوند. احتمالاً نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می شوند که این امر را قانون مینامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.
ماهیت موجی
هم‌زمان با نیوتن، کریسیتان هویگنس (Christiaan Huygens)، (1695-1629) طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش میشود به خاطر داشته باشید که هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک‌های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می شوند پدیده‌های تداخلی¬اند مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک و یا پراش نور در اطراف مانع.
ماهیت الکترومغناطیس
بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell)، ) (1879-1831) است که ما امروزه می‌‌دانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف میشود. گسترده کامل امواج الکتروو مغناطیسی شامل: موج رادیویی، تابش فروسرخ، نور مرئی از قرمز تا بنفش، تابش فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما می‌‌باشد.
ماهیت کوانتومی نور
طبق نظریه مکانیک کوانتومی نور، که در دو دهه اول سده بیستم به وسیله پلانک و آلبرت انیشتین و بور برای اولین بار پیشنهاد شد، انرژی الکترو مغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترو مغناطیسی به مقدارهای گسسته‌ای به نام "فوتون" انجام میگیرد.
نظریه مکملی
نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتون و هویگنس است. بنابراین گفته میشود که نور خاصیت دو¬گانه‌ای دارد بر خی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آن را نشان میدهد و برخی دیگر مانند پدیده فتوالکتریک، پدیده کامپتون و ... با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.
پرتوهای دیگر:
فروسرخ: پرتو فروسرخ یا مادون قرمز تابشی است الکترومغناطیسی با طول موجی طولانی¬تر از نور مرئی اما کوتاهتر از تابش ریزموج. از آنجا که سرخ، رنگ نور مرئی با درازترین طول موج را تشکیل میدهد به این پرتو، فروسرخ یعنی پایین تر از سرخ می‌گویند.تابش فروسرخ طول موجی میان nm ۷۰۰ و nm1دارد.
گاما: با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی است، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهم¬کنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولاً اشعه گاما تنها یک یا چند برهم¬کنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب کننده احساس میکند. در این برهم¬کنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید میگردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر مییابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش مییابد.فروپاشی گاما در فروپاشی گاما، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر میگردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:
AZX<--------*AZX + γ
که در آنX و *X به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.
حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته میشود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف میگردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.
حالتهای فروپاشی گاما:
نشر اشعه گامای خالص: در این حالت فروپاشی گاما، اشعه گامای منتشر شده به‌وسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولاً از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت است، تک انرژی است. این انرژی¬های گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس¬زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه است، ولی این انرژی معمولاً نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و میتوان از آن صرف¬نظر کرد.
حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی: در این حالت فروپاشی، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اوربیتال برانگیخته میگردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع میشود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه، الکترونهای اوژه، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی است. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی است.
با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اوربیتال اتمی میشود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.
حالت فروپاشی بصورت جفت: برای گذارهای هسته‌ای با انرژی‌های بزرگ‌تر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب میشود. در این فرآیند، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار می‌رود.
انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.
نور و امواج الکترومغناطیس
امروزه می دانیم که نور یک موج الکترمغناطیسی است و بخش بسیار کوچکی از طیف الکترمغناطیسی را تشکیل می دهد. بنابراین برای شناخت نور بایستی به بررسی امواج الکترومغناطیسی پرداخت. اما از آنجایی¬که مکانیک کلاسیک قادر به توضیح کامل امواج الکترومغناطیسی نیست، الزاماً بایستی به مکانیک کوانتوم مراجعه کرد. اما قبل از وارد شدن به مکانیک کوانتوم لازم است با برخی از خواص نور آشنا شد و دلیل نارسایی مکانیک کلاسیک را دانست. لذا در این فصل دانش نور را تا پیش از ارائه شدن رابطه¬ی مشهور پلانک بررسی می¬کنیم و در فصل جداگانه¬ای خواص امواج الکترومغناطیسی بعد از مکانیک کوانتوم و نسبیت بررسی خواهد شد.
خواص نور
نخستین مسئله¬ای که مهم جلوه می¬کرد این بود که نور چیست؟ از آنجایی¬که عامل دیدن بود و در تاریکی چیزی دیده نمی¬شد، سئوال این بود که نور چیست؟ چرا می¬بینیم و نور چگونه و توسط چه چیرزی تولید می¬شود؟ بالاخره این نظریه پیروز شد که نور توسط اجسام منیر نظیر خورشید و مشعل تولید می¬شود. بعد از آن مسئله انعکاس نور مورد توجه قرار گرفت و اینکه چرا برخی از اجسام بهتر از سایر اجسام نور را باز تابش می کنند؟ چرا نور از برخی اجسام عبور می¬کند و از برخی دیگر عبور نمی-کند؟ چرا نور علاوه بر آنکه سبب دیدن است موجب گرم شدن نیز می¬شود؟ نور چگونه منتقل می-شود؟ سرعت آن چقدر است؟ و سرانجام ماهیت نور و نحوه¬ی انتقال آن چیست؟
نخستین آزمایش مهم نور توسط نیوتن در سال 1666 انجام شد. وی یک دسته اشعه نور خورشید را که از شکاف باریکی وارد اتاق تاریکی شده بود، بطور مایل بر وجه یک منشور شیشه¬ای مثلث القاعده-ای تابانید. این دسته هنگام ورود در شیشه منحرف شد و سپس هنگام خروج از وجه دوم منشور باز هم در همان جهت منحرف شد.
نیوتن دسته اشعه خارج شده را بر یک پرده سفید انداخت. وی مشاهده کرد که به جای تشکیل یک لکه سفید نور، دسته اشعه در نوار رنگینی که به ترتیب مرکب از رنگهای سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی و بنفش است پراکنده شده است. نوار رنگینی را که از مولفه¬های نور تشکیل می¬شود، طیف می-نامند.
نیوتن نظر داد که نور از ذرات بسیار ریز -دانه¬ها- تشکیل می¬شود که با سرعت زیاد حرکت می¬کند. علاوه بر آن به نظر نیوتن نور در محیط غلیظ باسرعت بیشتری حرکت می¬کند. اگر نظر نیوتن در مورد سرعت نور درست می¬بود می¬بایست سرعت نور در شیشه بیشتر از هوا باشد که می¬دانیم درست نیست.
هویگنس در سال 1690 رساله¬ای در شرح نظریه موجی نور منتشر کرد. طبق اصل هویگنس حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه¬های نوری به تمام جهات پخش می¬شود. هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک¬های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. هویگنس نظر داد که سرعت نور در محیط¬های شکست دهنده کمتر از سرعت نور در هوا است که درست است.
پیروزی نظریه موجی نور
نظریه دانه¬ای نیوتن هرچند بعضی از سئوالات را پاسخ می¬گفت، اما باز هم پرسش¬هایی وجود داشت که این نظریه نمی¬توانست برای آنها جواب قانع کننده¬ای ارائه دهد. مثلاً چرا ذرات نور سبز از ذرات نور زرد بیشتر منحرف می شوند؟ چرا دو دسته اشعه¬ی نور می¬توانند بدون آنکه بر هم اثر بگذارند، از هم بگذرند؟
اما بر اساس نظریه موجی هویگنس، دو دسته اشعه¬ی نورانی می¬توانند بدون آنکه مزاحمتی برای هم فراهم کنند از یکدیگر بگریزند. هویگنس نمی¬دانست که نور موج عرضی است یا موج طولی و طول موج-های نور مرئی را نیز نمی¬دانست. ولی چون نور در خلاء نیز منتشر می¬شود، وی مجبور شد محیط یا رسانه حاملی برای انتشار این امواج در نظر بگیرد. هویگنس تصور می¬کرد که این امواج توسط اتر منتقل می شوند. به نظر وی اتر محیط و مایع خیلی سبکی است و همه جا، حتی میان ذرات ماده نیز وجود دارد.
نظریه هویگنس نیز بطور کامل رضایت بخش نبود، زیرا نمی¬توانست توضیح دهد که چرا سایه¬ی واضح تشکیل می¬شود، یا چرا امواج نور نمی¬توانند مانند امواج صوت از موانع بگذرند؟
نظریه¬ی موجی و دانه¬ای نور بیش از یکصد¬سال با هم مجادله کردند، اما نظریه¬ی دانه¬ای نیوتن بیشتر مورد قبول واقع شده بود، زیرا از یکطرف منطقی¬تر به¬نظر می¬رسید و از طرف دیگر با نام نیوتن همراه بود. با وجود این هر دو نظریه فاقد شواهد پشتوانه¬ای قوی بودند. تا آنکه بتدریج دلایلی بر موجی بودن نور ارائه گردید .
لئونارد اویلر فکر امواج دوره¬ای را تکمیل کرد، همچنین دلیل رنگ¬های گوناگون را مربوط به تفاوت طول موج آنها دانست و این گام بلندی بود. در سال 1800 ویلیام هرشل آزمایش بسیار ساده اما جالبی انجام داد. وی یک دسته اشعه¬ی نور خورشید را از منشور عبور داد و در ماورای انتهای سرخ طیف حاصل دماسنجی نصب کرد. جیوه در دما¬سنج بالا رفت، بدین ترتیب هرشل تابشی را کشف کرد که به تابش زیر قرمز مشهور شد.
در همین هنگام یوهان ویلهلم ریتر انتهای دیگر طیف را کشف کرد. وی دریافت که نیترات نقره که تحت تاثیر نور آبی یا بنفش به نقره¬ی فلزی تجزیه و رنگ آن تیره می¬شود، اگر در ورای طیف، در جایی¬که بنفش محو می¬شود، نیترات نقره قرار گیرد حتی زودتر تجزیه می¬شود. ریتر نوری را کشف کرد که ما اکنون آن را فوق بنفش می¬نامیم. بدین ترتیب هرشل و ریتر از مرزهای طیف مرئی گذشتند و در قلمروهای جدید تابش پا نهادند. در این هنگام دلایل جدیدی برای موجی بودن نور توسط یانگ و فرنل ارائه گردید.
در سال 1801 توماس یانگ دست به آزمایش بسیار مهمی زد. وی یک دسته اشعه¬ی باریک نور را از دو سوراخ نزدیک بهم گذرانید و بر پرده¬ای که در عقب این سوراخ نصب کرده بود تابانید. احتمال می¬رفت که اگر نور از ذرات تشکیل شده باشند، محل تلاقی دو دسته اشعه¬ای که از سوراخ¬ها عبور کرده¬اند، بر روی پرده روشن¬تر از جاهای دیگر باشد. اما نتیجه¬ای که یانگ به دست آورد چیزی دیگر بود. بر روی پرده یک گروه نوارهای روشن تشکیل شده بود که هر یک به وسیله¬ی یک نوار تاریک از دیگری جدا می¬شد. این پدیده به سهولت با نظریه موجی نور توضیح داده شد.
نوار روشن نشان دهنده¬ی تقویت امواج یکی از دسته¬ها به وسیله¬ی امواج دسته¬ی دیگر است. به گفته¬ی دیگر، هر جا که دو موج هم¬فاز شوند، بر یکدیگر افزوده می شوند و یکدیگر را تشدید می کنند. از طرف دیگر نوارهای تاریک نشان¬دهنده¬ی جاهایی است که امواج در فاز مقابلند، در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند. اگر چه یانگ بارها تاکید کرد که برداشت¬هایش ریشه در پژوهش¬های نیوتن دارد، اما به سختی مورد حمله قرار گرفت و نظریات وی خالی از هر گونه ارزش تلقی شد. با این وجود یانگ طول موج های متفاوت نور مرئی را اندازه گرفت.
در سال 1814 ژان فرنل بی¬خبر از کوشش¬های یانگ مفاهیم توصیف موجی هویگنس و اصل تداخل را با هم ترکیب کرد و اظهار داشت: ارتعاشات یک موج درخشان را در هر یک از نقاط آن می¬توان به عنوان مجموع حرکت¬های بنیادی دانست که به آن نقطه می¬رسند. بر اثر انتقادهای شدید طرفداران نیوتن، فرنل تاکیدی ریاضی یافت. وی توانست نقش¬های پراش ناشی از موانع و روزنه¬های گوناگون را محاسبه کند و به طور رضایت بخشی انتشار مستقیم نور را در محیط¬های همسان¬گرد و همگن توضیح دهد. بدین¬سان انتقاد عمده¬ی طرفداران نیوتن را نسبت به نظریه موجی بی¬اثر کند. هنگامیکه فرنل به تقدم یانگ در اصل تداخل پی¬برد، هرچند اندکی مایوس شد، اما نامه¬ای به یانگ نوشت و احساس آرامش خود را از هم رای بودن با او ابراز داشت.
قبل از ادامه¬ی بحث در مورد کارهای فرنل لازم است موج طولی و موج عرضی را تعریف کنیم. در موج طولی جهت انتشار با جهت ارتعاش یکی هستند. نظیر نوسان یک فنر. اما در موج عرضی جهت ارتعاش بر جهت انتشار عمود است، نظیر موج بر سطح آب که نوسان و انتشار عمود بر هم هستند.
فرنل تصور می¬کرد امواج نور، امواج طولی هستند. اما تصور موج طولی نمی¬توانست خاصیت قطبش نور را توجیه کند. فرنل و یانگ چندین سال با این مسئله درگیر بودند تا سرانجام یانگ اظهار داشت که ممکن است ارتعاش اتری همانند موجی در یک ریسمان عرضی باشد. ولی امواج عرضی انها در یک محیط مادی منتقل شوند. از طرفی دیگر با توجه به سرعت نور (که در آن¬زمان مقدار آن را نمی¬دانستند ولی می¬دانستند که فوق العاده زیاد است)، اتر نمی¬توانست گاز یا مایع باشد و باید جامد و در عین حال خیلی صلب باشد حتی
می¬بایست صلب¬تر از فولاد باشد. از این گذشته اتر می¬بایست در تمام مواد نفوذ کند، یعنی نه تنها در فضا، بلکه باید در بتواند گازها، آب، شیشه و حتی در چشم¬ها نفوذ کند، زیرا نور وارد چشم نیز می¬شود. علاوه بر این اتر نبایستی هیچ¬گونه اصطکاکی داشته باشد و مانع بهم خوردن پلک¬ها گردد. با وجود این با تمام مشکلاتی که اتر داشت برای توجیه موجی بودن نور مورد قبول واقع شد. بدین ترتیب در سال 1825 نظریه موجی نور مورد قبول واقع شد و نظریه دانه¬ای نیوتن طرفداران چندانی نداشت.
ماکس کارل ارنست لودویگ پلانک
ماکس کارل ارنست لودویگ پلانک (۲۳ آوریل ۱۸۵۸ - ۴ اکتبر ۱۹۴۷) یکی از مهم‌ترین فیزیکدانان آلمان در سده ۱۹ میلادی و اوایل سده ۲۰ بود. او را «پدر نظریه کوانتوم» می‌شناسند.
زندگی
در ۲۳ آوریل سال ۱۸۵۸ در شهر کیل آلمان زاده شد وی فرزند ششم ویلهلم پلانک استاد علوم قضایی دانشگاه شهر بود افراد خانواده پلانک احترام زیادی برای آموزش و پرورش و فرهنگ و حفظ ارزشهای سنتی خانواده قائل بودند والدین همه¬ی آن خصوصیات را به فرزند انتقال داده بودند نامه‌های پلانک گوشه‌ای از زندگی خانواده¬اش را بازگو می¬کنند که در آنها سخن از گذرانیدن تابستان در تفرجگاه الدنای کنار دریای بالتیک و بازی کروکه روی چمن و از خواندن رمانهای والتر اسکات در هنگام شب و از به روی صحنه آوردن نمایش و موسیقی با شرکت افراد خانواده زیاد به میان می‌‌آید پلانک دوره دبیرستان را در گیمنازیوم مکسیمیلان شهر مونیخ گذرانید و در آنجا بود که به علاقه خود به علوم پی¬برد پلانک اعتبار و امتیاز تفهیم معنای قوانین فیزیک به خود برای اولین بار را به هرمان مولر دبیر ریاضی خویش میدهد.
پلانک یک تیزهوش استثنایی نبود دبیرانش در گیمنازیوم از لحاظ رتبه او را به شاگرد اولی نزدیک می‌‌دانستند اما او را در هیچ زمانی شاگرد اول نشناختند معلمان وی در او جز رفتار شخصی خوب و سختکوشی در کار نشانه‌ای که حاکی از تابناکی هوش یا وجود استعداد خاصی باشد، ندیدند.
به هر حال مهارتهای او در برخوردهای اجتماعی باید از گونه تراز اولی بوده باشد چرا که محبوب معلمان و همکلاسان خود بود. پلانک در پایان دوره گیمنازیوم خود در سال ۱۸۷۴ هنوز تصمیمی در زمینه انتخاب رشته برای آموزشهای بعدی خود نگرفته بود تا اینکه سرانجام ابتدا دانشجوی دوره کارشناسی دانشگاه مونیخ و چندی بعد دانشجوی آن دوره دانشگاه برلین شد وی به خواندن فیزیک عملی و ریاضیات پرداخت و در پی انتقال به دانشگاه برلین در کلاسهای فیزیکدانان مشهور آن روز هرمان فن هلمهولتز و گوستاو کی¬یرشهوف شرکت کرد پلانک علاقه خویش به ترمودینامیک را مدیون این دو استاد می‌‌دانست.
پلانک نظریه مکانیکی گرمای کلاوزیوس را به تفضیل مطالعه کرد و بعدها خاطر نشان ساخت که این مطالعه خصوصی چیزی بود که سرانجام وی را به فیزیک کشانید پلانک که تحت تأثیر کار و روشنی روش استدلال کلاوزیوس قرار گرفته بود رشته اصلی درس خود را ترمودینامیک انتخاب و بررسی در قانون دوم آن را موضوع تز دکترای سال ۱۸۷۹ خویش در دانشگاه مونیخ کرد. تز دکترای پلانک مروری بر دو اصل کلاسیک ترمودینامیک بود اصل اول، اصل بقای انرژی و اصل دوم مفهوم انتروپی (کمیتی که اندازه¬اش در تمام فرآیندهای فیزیکی حقیقی مدام در افزایش است) افکار پلانک در باره انتروپی و آزمایشهای پیشنهادی او در آن¬باره هیچکدام از راهنمایان دانشگاهی ممتاز او را تحت تأثیر قرار نداد استاد هلمهولتز او را اصلاٌ نخواند و کی¬یرشهوف هم آن را نخواند از آن خوشش نیامد حتی کلاوزیوس که منبع الهام او بود کمترین علاقه‌ای به موضوع نشان نداد. پلانک با آن واکنش استادان نسبت به پایان¬نامه¬ی دکترای خود با وقار و آرامش برخورد کرد و با اشتیاقی حتی بیش از پیش به کار برگشت. فارغ التحصیل شدن وی به سبب بیماری¬اش با دو سال تأخیر همراه بود اما درجه دکترایی که سرانجام در سال ۱۸۷۹ گرفت با رتبه ممتاز بود.
پلانک در سال ۱۸۸۰ با سمت دانشیاری به هیأت علمی دانشگاه مونیخ پیوست و ۵ سال پس از آن به مقام استادی دانشگاه کیل رسید استخدام به عنوان استاد غیر رسمی در دانشگاه کیل پلانک را به استفاده از استقلال علمی بیشتری برخوردار ساخت گوستاو کی¬یرشهوف استاد راهنمای قدیمی پلانک در سال ۱۸۸۹ در گذشت و کرسی استادی او در دانشگاه برلین خالی ماند و پلانک به جای کی¬یرشهوف به عنوان استاد¬یار و مدیر مؤسسه فیزیک نظری منصوب شد. پلانک در یکی از روزها که به یاد نداشته است در چه کلاسی از دانشگاه برلین درس دارد جلوی اتاق دفتر بخش ایستاده و از کارمندی نشانی محل برگزاری درس آن روز پروفسور پلانک را جویا میشود کارمند در جواب می‌‌گوید: آنجا مرو مرد جوان تو بسیار جوان¬تر از آن هستی که بتوانی درس پلانک، استاد فرهیخته ما را بفهمی.
پلانک در پی استقرار در کرسی استادی خویش توجه خود را معطوف پدیده تابش جسم سیاه مشکل روز فیزیک کلاسیک کرد که آن را نخستین بار کی¬یرشهوف به میان آورده بود. پلانک در سال ۱۹۰۰ به این نتیجه رسید که برای توضیح پدیده تابش جسم سیاه باید ایده کاملاً جدیدی را پیش بکشد. وی این فکر را در میان نهاد که انرژی نیز مانند مادّه از آحاد یا بسته‌های کوچکی درست شده است. او آن آحاد را کوانتوم نام داد که کلمه‌ای مأخوذ از زبان لاتینی به معنی چقدر و جمع آن کوانتا بود، این فکر که با اصول و قوانین آن زمان وفق
نمی‌کرد بالطبع مخالفانی بوجود آورد ولی این مخالفتها بیش از ۵ سال طول نکشید زیرا تئوری انیشتین که متکی به تئوری کوانتا بیان شد ارزش واقعی و حقیقی تئوری بیان شده به‌وسیله پلانک را معلوم نمود بعد از آن پلانک و انیشتین با یکدیگر مکاتباتی آغاز کردند که تا پایان عمر پلانک ادامه یافت و سبب همکاری¬های مهمی بین آنها در زمینه¬ی خواص نور نیز شد.
سهمی که پلانک در پیشبرد علم ادا کرد او را دانشمند دانشمندان کرد. او مورد احترام همکاران خود در همه¬ی حوزه¬های علمی و از همه ملیت¬های جهان بود. در سال ۱۹۱۸ که جایزه نوبل در فیزیک اعطاء می‌‌شد، آلبرت انیشتین، نیلز بوهر، ارنست رادرفورد و ورنر هایزنبرگ – که همه می‌‌توانستند خود مستحق کسب آن افتخار باشند – مناسبت را با توافق بدون شرط خویش تاریخی کرده و مستحق‌ترین شخص برای جایزه را پلانک دانستند بدین ترتیب پلانک به اخذ جایزه نوبل نائل آمد و استاد دانشگاه برلین گردید. همچنین شاهد تأسیس
انجمن ماکس پلانک برای پیشبرد علم به جای انجمن قیصر ویلهلم که در سال ۱۹۱۱ پی افکنده شده بود گردید، خود او (از سال ۱۹۳۰ تا ۱۹۳۷) ریاست این انجمن را بر عهده داشت.
پلاک در روز ۴ اکتبر ۱۹۴۷ در ۹۲ سالگی در پی یک حمله قلبی درگذشت تاریخ او را به پاس دو کشف عمده اش به یاد خواهد داشت: کشف نظریه کوانتومی و کشف آلبرت انیشتین (انیشتین در سال ۱۹۴۸ در ستایشنامه‌ای که عنوان آن در رثاء ماکس پلانک بود چنین نوشت: انسان‌های زیادی عمر خود را وقف علم می¬کنند اما آنها همه به خاطر خود علم آن کار را نمی¬کنند عده‌ای برای آن معبد علم می‌‌آیند که علم به آنها بروز فرصت استعدادهای ویژه¬شان را میدهد برای این گروه علم گونه‌ای ورزش است که آنها از تمرین در آن به وجد
می‌‌آیند مانند آن ورزشکاری که تمرین دادن به ماهیچه‌های قوی خود شاد میشود گروه دیگری از انسان‌ها به معبد علم برای عرضه توده مغز خود می‌‌آیند به آن امید که از آن کار بازده مفیدی بیندوزند. این عده تنها از آن رو سر از کار علمی در می‌‌آورند که شرایط گزینش حرفه انتخابی را به حسب اتفاق پیش روی آنها نهاده است اگر شرایط حاکم بر آن گزینش به گونه دیگری بود، آنها ممکن بود سیاستمدار یا مدبر تجاری بشوند چنانچه پیش آید که خدا فرشته‌ای از فرشتگان خود را برای بیرون راندن گروههایی که نام بردیم از معبد به پایین بفرستد، بیم آن دارم که معبد از بن خالی شود. با این حال هنوز شمار اندکی از عابدان در آن باقی خواهند ماند برخی از زمانهای گذشته و برخی از عصر خود ما. پلانک ما جای در گروه اخیر دارد و از این روست که ما همه او را دوست داریم).
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 رؤیت است، اما یک چشمه نسبتاً 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. معمولاً 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¬ی مشاهده، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه¬ی مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها میشود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهدشد. 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 به¬وضوح دیده میشود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش مییابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل رؤیت 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 اساساً 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 گرچه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود میگیرد، و این در حالی است که فریزها نمایان¬تر می¬شوند. 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 کاملاً 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. غالباً توری¬های تخت تراشه‌ای، یا شیارهایی تقریباً مستطیلی چنان سوار می¬شوند که بردار انتشار فرودی تقریباً بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.
معرفت علمى همیشه در یک وضعیت پایا و در حال تغییر به سر مىبرد. در هر زمانى، شاهدى جدید براى فرضیه¬هاى علمى ارائه یا کشف مى¬شود که با فرضیه¬هایى که به مدت طولانى برقرار بوده¬اند، ممکن است متناقض باشد. یک مثال واضح، همان «نظریه نور» است. نظریه «نیوتن» اشاره بر این داشت که نور از ذره ها تشکیل شده است. اما در اوایل دهه 1800 نظریه موجى بودن نور توسط «توماس یونگ» (T.Young)، ارائه شد که خواص نور را (مانند خاصیت انکسار)، نسبت به نظریه ذره¬اى بودن نور، دقیق¬تر توضیح مى¬داد. این نظریه در قرن نوزدهم، نظریه غالب بود. بعدها مشاهدات دیگرى انجام شد که نظریه موجى بودن نور نمى توانست آنها را تبیین کند. این مجموعه مشاهدات جدید توسط نظریه کوانتوم «ماکس پلانک» (شامل اثر فتوالکتریک و حرکت براونى که از اینشتین است) کاملاً تبیین مى¬شد.
نظریه جدید درباره نور که در اولین دهه قرن بیستم ارائه شد، اشاره بر این دارد که نور هم خصوصیات ذره را دارد و هم خصوصیات موج را. زمانى که مى¬گوییم «نور یک ذره است» یا «نور یک موج است» در واقع به این اشاره داریم که خصوصیات نور شبیه موج یا ذره است اما نه موج¬هاى نور را مى¬بینیم و نه ذره¬هاى آن را مشاهده مى¬کنیم. اگر دو نظریه «نیوتن» و «یونگ» تنها براى پیش¬بینى¬کردن انواع خاصى از پدیده¬های نور استفاده شود، قطعاً کاربرد عملى خواهدداشت. اما افرادى که در آزمایشگاه¬ها بر روى خواص نور تحقیق مى¬کنند و یا آنهایى که در امور صنعتى، از نتایج نظرى براى طراحى وسایل دقیق استفاده مى¬کنند، باید از قابلیت پیش¬بینى¬کنندگى دقیق این نظریه¬ها نهایت اطمینان را داشته باشند. به این دلیل نظریه نیوتن و یونگ اگر چه در بعضى جهات مفید بودند اما نمىتوانستند مشاهدات جدید را تبیین کنند.
محاسبه سرعت نور
اولین کسی که برای محاسبه¬ی سرعت نور اقدام کرد، گالیله بود. وی به اتفاق همکارش برای اندازه¬گیری سرعت نور اقدام کردند. روش کار به این طریق بود که همکار گالیله در حالیکه فانوسی در دست داشت بالای تپه¬ای ایستاده بود و گالیله بالای تپه¬ای دیگر. هر دو با خود فانوسی داشتند که روی آن را پوشانده بودند. دستیار وی به مجرد آنکه نور گالیله را می¬دید، با برداشتن پرده از روی فانوس خود به گالیله علامت می¬داد. گالیله این آزمایش را با فواصل بیشتر و بیشتر تکرار کرد، اما نتوانست اختلاف زمانی بین برداشتن پرده از روی فانوس خود و دستیارش به دست آورد و سرانجام گفت که سرعت نور خیلی زیاد است.
نخستین بار سرعت نور در سال 1676 توسط رومر (Romer) با استفاده از ماه¬گرفتگی محاسبه شد و معلوم گشت که سرعت نور نیز محدود است. عددی را که رومر به دست آورد 215 هزار کیلومتر بر ثانیه بود. این عدد آنقدر بزرگ بود که معاصران وی آن را باور نمی¬کردنددر سال 1726 برادلی با استفاده از تغییر وضعیت ستارگان نسبت به زمین سرعت نور را محاسبه کرد و عدد سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه را به دست آورد.
