مقاله در مورد نسبیت خاص

بخشی از مقاله

نسبیت خاص

ترسیمی از یک مخروط نوری
نسبیت خاص نظریه‌ای درباره ی اصول نسبیت و حرکت در چهارچوب های لخت می باشد. این نظریه در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین فیزیکدان آلمانی الاصلی که تابعیت امریکایی داشت مطرح شد. نسبیت خاص درک فیزیکی ما را از شماری از پدیده های اطراف خود که پیش از آن توسط نسبیت نیوتن و معادلات گالیله بررسی می شدند تغییر می دهد.

تاثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت‌های بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور) قابل ملاحظه می شود. بنابر این نظریه ی نسبیت همانطور که اصل همخوانی فیزیک ایجاب می کند باید نتایج مشاهدات قبلی را به شکل کامل تری بیان کند. در ادامه همانطور که خواهید دید داریم :
‎ (تبدیلات لورنتس) = (تبدیلات گالیله) ‎
البته در نظر داشته باشید که هنگامی که c به سمت بی نهایت می رود ( همانطور که پیش از اثبات متناهی بودن سرعت نور فرض می شد ) کسر v/c به سمت صفر می رود. این بدان معناست که تبدیلات لورنتس که اساس نظریه ی نسبیت خاص هستند در سرعت های بسیار کم نسبت به نور، نتایج یکسانی را با معادلات گالیله که اساس نسبیت نیوتونی هستند به دست می دهند

اصول موضوعهٔ نسبیت خاص

آزمایش مایکلسون-مورلی
نسبیت خاص مانند هر فرضیه ی دیگری بر اساس دو پنداشت پایه ریزی شده است. بر اساس این فرض ها و با استفاده از تبدیلات لورنتس نسبیت خاص شکل می گیرد.
اصل موضوع اول: اصل نسبیت
قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌های لَخت یکسان هستند و هیچ چهارچوب لخت مرجعی وجود ندارد.
این اصل که پیش از نسبیت خاص در نسبیت نیوتونی نیز بوده است بیان می کند که تمامی چهارچوپ هایی که با سرعتی ثابت ( بدون شتاب ) حرکت می کنند هم ارز و یکسان هستند ، بدین ترتیب هیچ چهارچوب لختی بر چهارچوب دیگر برتری یا با دیگری تفاوت ندارد.
به سخنی دیگر اصل نسبیت (با در نظر گرفتن یک شرایط ایده آل) می‌گوید که اگر شما در آزمایشگاه سربسته ای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با سرعت ثابتی نسبت به زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمی‌توانید تعیین کنید که سرعت‌تان نسبت به زمین چقدر است. در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک چارچوب لخت است (این موضوع درباره ی زمین به تقریب صادق است)، همچنین فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت می‌کنید و آزمایشگاه هیچ لرزش و تکانی ندارد.
اصل موضوع دوم: ثابت جهانی سرعت نور
سرعت نور در خلاء برای تمام ناظران لَخت ثابت و برابر c است و به حرکت چشمه ی نور یا حرکت ناظر بستگی ندارد.
به سخنی دیگر اگر شما سوار اتومبیلی باشید که با سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند و اتومبیل دیگری با سرعت ۲۰ کیلومتر بر ساعت به شما نزدیک شود، سرعت نسبی اتومبیل شما و اتومبیل مقابل تقریباً برابر با ۷۰ کیلومتر بر ساعت خواهد بود، اما بر طبق این اصل اگر چشمهٔ نوری با سرعت دلخواهی به شما نزدیک شود و شما هم با سرعت متفاوتی به سمت آن چشمه حرکت کنید باز هم سرعت نور نسبت به شما همان c خواهد بود. چنین چیزی کاملاً مخالف شهود روزمرهٔ ی ماست.
تبدیلات لورنتس
تصور کنید که شما در یک آزمایشگاه شیشه ای مکعب شکل با نام S قرار دارید که دیوارهای آن مدرج شده است و شخص دیگری در آزمایشگاه شیشه ای مکعب شکل دیگری با نام 'S قرار دارد بطوریکه با سرعت V نسبت به شما در حرکت است (یا شما با سرعت V- نسبت به او در حال حرکت هستید)

فرض کنید که دو ساعت دقیق را که با هم همزمان شده اند برای هر آزمایشگاه داریم و در یک لحظه هر دو را به کار می اندازیم. حال اگر یک رویداد در یکی از آزمایشگاه ها مانند S رخ دهد ما می توانیم آن رویداد را با یک مختصات چهار بعدی به شکل نشان دهیم. یعنی مثلاً می توانیم بگوییم که این رویداد در فاصله ی 2 متری از طول کف اتاق ، 3 متری از عرض کف اتاق و در ارتفاع 5 متری و در ثانیه ی 10 رخ داده است. حال اگر ناظری که در دستگاه 'S می باشد و همانطور که گفتیم با سرعت V نسبت به ما در حال حرکت است این رویداد را ببیند و مختصات را اندازه بگیرد

تبدیلات لورنتس رابطه ای به ما می دهد که با استفاده از آن می توانیم این مختصات اندازه گیری شده در این دو آزماشگاه را به یکدیگر تبدیل کنیم.
تبدیلات لورنتس که توسط ریاضیدان و فیزیکدان آلمانی هندریک لورنتس با استفاده از روابط هندسی و دو فرض همسانگرد و همگن بودن فضا برای توجیه نظریه ی اتر به دست آمد اساس نظریه ی نسبیت خاص می باشد. همسانگرد بودن فضا بدین معناست که خواص آن در تمامی جهات یکسان است. همگن بودن فضا بدین معناست که خواص فضا به نقطه ای که شما در آن قرار دارید بستگی ندارد. فرض همسانگرد بودن فضا به ما اجازه می دهد که بتوانیم حرکت ذره را در راستای محور x ها بررسی کنیم( یعنی از راستاهای y و z برای خلاصه سازی چشم پوشی کنیم ) ، فرض همگن بودن فضا تضمین می کند که این معادلات حتماً درجه اول هستند ، یعنی تنها توان اول متغیرهای ما می توانند دخالت داشته باشند.( چون اگر به توان دوم یا درجات بالاتر بستگی داشته باشند اثبات می شود که آنگاه طول یک میله بستگی به نقطه ای از فضا که میله در آن قرار گرفته است دارد ، یعنی مثلاً یک میله که بدون حرکت در ارتفاع 5 متری قرار دارد با هنگامی که همان میله بدون حرکت در ارتفاع 3 متری قرار دارد طول متفاوتی دارد و این خلاف شهود ماست)
نکته جالب توجه این است که این معادلات پیش از چاپ مقاله ی آلبرت انیشتین در رابطه با الکترودینامیک دراجسام متحرک به دست آمده بود اما فرض وجود اتر و فضایی برای انتشار امواج الکترومغناطیس به قدری قوی بود که این تبدیلات به عنوان تلاشی برای اصلاح آن فرضیه عنوان شد. چند سال بعد انیشتین به گونه ی دیگری با استفاده از دو پنداشتی که در پیش گفته شد به تبدیلات لورنتس رسید ! همانگونه که خود انیشتین نیز گفته است : " تمامی نتایج نسبیت خاص می توانند از تبدیلات لورنتس به دست آیند."
تبدیلات لورنتس بدین گونه اند :

که در آن و نام گذاری می شوند.
پیامدهای نسبیت خاص
دو اصل موضوع نسبیت خاص به همراه فرض‌های دیگری، مانند همگن و همسانگرد بودن فضا، منجر به نتایجی می‌شوند که همانند خودِ این اصل موضوع‌ها خلاف شهود و تجربه‌های روزمرهٔ ما هستند. با وجود این، این پیامدها بارها در آزمایش‌های گوناگون آزموده شده و مورد تأیید قرار

گرفته‌اند. امروزه نسبیت خاص کاملاً پذیرفته شده است و جزئی از دانش عملی هر فیزیکدانی به شمار می‌آید. این پدیده‌ها به طور ریاضی از تبدیلات لورنتس نتیجه می‌شوند.
نسبی بودن هم‌زمانی
اگر یک ناظر لَخت دو پدیدهٔ آ و ب را هم‌زمان ببیند، ناظر لخت دیگری که با سرعت نسبت به ناظر اول حرکت می‌کند، بسته به شرایط ممکن است پدیدهٔ آ را زودتر، هم‌زمان، یا دیرتر از پدیدهٔ ب ببیند. هم‌زمانی در نسبیت خاص معنای مطلق و نیوتنی خود را از دست می‌دهد و پدیده‌ای نسبی

می‌شود.
انقباض طول
یک میله که در راستای طول خود در حرکت است، به چشم یک ناظر ساکن، کوتاه‌تر به نظر می‌رسد. به زبان ریاضی:

'l طول میله از دید ناظر 'S است که با سرعت v نسبت به چارچوب S که میله در آن ساکن است، حرکت می‌کند. l طول میله در چارچوب سکون S است.
اتّساع زمان
یک ساعت متحرک، به چشم یک ناظر ساکن، کندتر از ساعت مشابهی که ساکن است کار می‌کند. به زبان دیگر، زمان در چارچوب متحرک، به چشم ناظر ساکن، کندتر می‌گذرد. این پدیده ربطی به ساختار فیزیکی ساعتها ندارد.
اگر ناظر S یک بازهٔ زمانی را τ اندازه بگیرد، ناظر 'S همان بازهٔ زمانی را 'τ اندازه می‌گیرد:

یعنی ناظر متحرک آن بازه را طولانی‌تر می‌بیند.
تعریف جدید تکانه
وقتی به جسمی نیرو وارد می‌شود، آن جسم شتاب می‌گیرد. در تصویر نیوتنی این شتاب از روابط و p = mv به دست می‌آید. در تصویر نسبیتی، تکانه به صورتی تعریف می‌شود تا با اصول نسبیت سازگار باشد. به زبان ریاضی:

در این رابطه m0 جرم سکون ذره است، یعنی جرم ذره در چارچوبی که نسبت به ذره ساکن است. برخی از مردم ضریب γ را به جرم ذره نسبت می‌دهند و برخی آن را به خود تکانه. از دیدگاه دستهٔ دوم جرم ذره کمیتی ناورداست و تکانه یک کمیت فیزیکی همورداست.
هم‌ارزی جرم و انرژی
انرژی کل یک ذره در نسبیت خاص برابر است با E = mc2 که در آن m جرم ذره و c سرعت نور است. انرژی در حال سکون ذره برابر است با E = m0c2 که در آن m0 جرم سکون ذره است.
برخی از کاربردهای نسبیت خاص
• انرژی اتمی، چه نوع انفجاری‌اش (در بمب اتمی) و چه نوع کنترل‌شده‌اش (در نیروگاه هسته‌ای) از رابطهٔ معروف E = mc2 پیروی می‌کند.

• جهش گونه‌های زیستی: یکی از منشاءهای احتمالی برای جهش‌های ژنتیکی، پرتوهای کیهانی است. جزء اصلی پرتوهای کیهانی که به سطح دریا می‌رسند، ذره‌ای به نام میوئون است. این ذره در لایه‌های بالایی جو از برخورد اتمها با پروتونهای پرتوهای کیهانی ساخته می‌شود و بسیار ناپایدار است. میوئون‌ها سرعت بسیار زیادی دارند و اگر به خاطر اتساع زمان نسبیتی، طول عمرشان زیاد نمی‌شد، این ذره‌ها خیلی پیش از آن که به سطح دریا برسند، نابود می‌شدند.
• سامانه موقعیت‌یاب جهانی (جی‌پی‌اس) متشکل از ماهواره‌هایی است که در مدار زمین

قرار دارند. گیرنده‌های ویژه‌ای موسوم به گیرنده‌های جی‌پی‌اس به کمک این ماهواره‌ها می‌توانند طول و عرض جغرافیایی و زمان را با دقت زیادی اندازه بگیرند. در طراحی این ماهواره‌ها و گیرنده‌ها، اثرات نسبیت خاص (و نیز اثرات نسبیت عام) به دقت در نظر گرفته شده‌اند و بدون آن‌ها این سیستم کاملاً بی‌فایده می‌شد.

آزمایش مایکسون - مورلی
نگاه اجمالی
آزمایش مایکسون - مورلی را آلبرت مایکلسون که در آن هنگام در مدرسه علوم کاربردی کیس بود و ادوارد مورلی از دانشگاه وسترن رزرو در همسایگی کیس ، هر دو در کلیولند اوهایو ، انجام دادند. این آزمایش نشان داد که سرعت نور در جهات مختلف ، تحت تأثیر حرکت زمین نیست. این نتیجه ، از نظر تجربی ، دلیل قاطعی بود علیه موجودیت اثیر (یا اتر) که وجودش برای انتشار امواج الکترومغناطیسی لازم شمرده می‌شد.

آلبرت انیشتین ، چندی بعد (1905) بطور نظری نشان داد که (فرضیه) اثیر با نظریه نسبیت خاص او سازگار نیست. در این نظریه ، انیشتین بنا را بر این گذاشت که سرعت نور ، ثابتی عام است و به حرکت ناظر یا حرکت چشمه نور بستگی ندارد. این واقعیت با این برداشت که امواج الکترومغناطیسی آشفتگیهایی هستند که در محیط زمینه‌ای مانند اثیر انتشار می‌یابند، سازگاری ندارد.
سیر تحولی و رشد
آزمایش مایکلسون - مورلی دنباله مطالعات اولیه مایکلسون در زمان دانشجویی‌اش در برلین زیر نظر هرمان فون هلمر و ولتز بود. او در سال 1880 در آنجا تداخل سنج مایکلسون را ساخت و در همان زمان به کمک آن آزمایش اولیه‌ای را که برای آشکارسازی اثرات حرکت زمین در اثیر طراحی شده بود، پتسدام انجام داد. این آزمایش اساس آزمایشی را که هفت سال بعد انجام شد، تشکیل داد. مایکلسون پس از انتقال به کیس با مورلی آشنا شد و در سال 1884 آنها با همکاری یکدیگر آزمایش آرمان فیزو را با موفقیت تکرار کردند. مایکلسون - مورلی به درخواست لرد ریلی که انجام دوباره آزمایش پتسدام مایکلسون را ضروری می‌دانست، آزمایش هر دو آنها را در آوریل 1887 آغاز کردند.
اساس آزمایش مایکلسون - مورلی
اساس آزمایش ساده بود. اگر دو باریکه نور ، یکی به موازات حرکت زمین و دیگری در راستای عمود بر آن مسافتهای یکسانی را در اثیر طی کنند، زمانهای یکسانی برای پیمودن مسیر رفت و برگشت سپری نخواهد شد. اگر سرعت نور را C ، طول مسیر رفت و برگشت را 2L و سرعت فرضی زمین نسبت به اثیر را V << C بگیریم. تفاوت زمان بین دو مسیر رفت و برگشت در حدود L (V²/C³ خواهد بود.

اگر از یک باریکه نور آغاز کنیم و بعد آن را به دو قسمت کنیم، بطوری که دو قسمت

یکی از دو مسیر مورد نظر را بپیماید و هنگام بازگشت آن دو را با هم ترکیب کنیم، اثر این تفاوت زمانی آن است که یکی از این دو باریکه با اندکی اختلاف فاز نسبت به دیگری به مقصد خواهد رسید. در نتیجه ، فریزهای تداخلی که در وضعیت هم فاز بودن باریکه‌ها قابل مشاهده است اندکی جابجا شوند. اگر دستگاه چرخانده شود تا باریکه‌ای که در ابتدا به موازات حرکت زمین حرکت می‌کرد در راستای عمود بر آن حرکت کند، جابجایی فریز باید بیشینه باشد. در این حالت جابجایی مورد انتظار برابر 0.04 فاصله بین دو فریز متوالی محاسبه شد. و این اثری قابل اندازه گیری بود.
اهمیت آزمایش مایکلسون - مورلی

• تخته سنگ سنگینی که تجهیزات اپتیکی روی آن قرار داشت در حوضی از جیوه غوطه ور شده بود. بدین ترتیب ، نه تنها امکان چرخاندن دستگاه به نرمی فراهم شده بود، بلکه آنرا از لرزشهای بیرونی نیز منزوی ساخت. و این چیزی بود که مشکل اساسی آزمایش پتسدام به شمار می‌آمد.
• با استفاده از شانزده آینه بجای دو آینه ، طول سیر نور به 36 فوت افزایش پیدا کرده بود. با چنین مسیری که تقریبا 10 برابر مسیر قبلی بود جابجایی مورد انتظار ناشی از حرکت زمین در اثیر در حدود 0.4 فاصله فریزهای متوالی پیش بینی می‌شد.
نتایج آزمایش مایکلسون - مورلی
این آزمایش بین 8 تا 12 ژوئیه 1887 انجام شد. و مایکلسون در نامه‌ای که اندکی بعد به ریلی نوشت با اکراه نتیجه را چنین گزارش داد:

آزمایشهای مربوط به حرکت نسبی زمین و اثیر به پایان رسیده‌اند و نتیجه قاطعانه منفی است. انحراف مورد انتظار فریزهای تداخل از صفر که باید 0.4 فریز بوده است، حداکثر 0.02 فریز بطور میانگین بسیار کمتر از 0.01 فریز و آن هم در جای درست خود نبود، چون جابجایی متناسب با مجذور سرعتهای نسبی است. نتیجه این است که اگر اثیر از کنار (زمین) نلغزد، سرعت نسبی کمتر از یک ششم سرعت زمین است.

اثر فتوالكتريك
اثر فتوالكتريك كه براي اولين بار توسط آلبرت انيشتين شرح داده شد. بر اساس اين پديده وقتي كه يك كوانتوم انرژي نوري يعني يك فوتون در يك ماده نفوذ مي كند، اين احتمال وجود دارد كه بوسيله الكترون جذب شود. و الكترون انتقال پيدامي كند.
پديده فتوولتائيك

اثر فتوالكتريك كه براي اولين بار توسط آلبرت انيشتين شرح داده شد. بر اساس اين پديده وقتي كه يك كوانتوم انرژي نوري يعني يك فوتون در يك ماده نفوذ مي كند، اين احتمال وجود دارد كه بوسيله الكترون جذب شود. و الكترون انتقال پيدامي كند.

اخيراً دانشمندان آمده اند سلولهاي خورشيدي ساخته اند. وقتي كه امواج الكترو مغناطيسي خورشيد برروي آن مي تابد، جفت ماده ها ( الكترون و پوزيترون ) يعني در نوار گاف نيم رسانا به تعداد زياد توليد مي شود «توليد زوج). در نتيجه برهم كنشهاي فيزيكي بين ذرات صورت مي گيرد كه نهايتاً منجر به يك پيل خورشيدي مي شود.

مواد سازنده سلول هاي خورشيدي

ماده اي كه سلولهاي خورشيدي از آنها ساخته مي شود سيليكون و آرسينورگاليم هستند. سلولهايي كه از سيليكون ساخته مي شوند از لحاظ تئوري بازده ماكزيمم حدود 22 درصد دارند. ولي بازده عملي آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتي كه بازده سلولها يي كه از آرسينورگاليم ساخته مي شود بازده عملي آنها بيشتر از 20 درصد است.

ماهواره هاي دريافت كننده انرژي خورشيدي

يك ايستگاه فضايي در مداري كه هم زمان با زمين در حركت باشد دايماً با تابش خورشيد روشن مي شود. برقراري ماهواره هاي خورشيدي در مدار زمين بطور جدي در سال 1968 پيشنهاد شد. در اين ماهواره ها پانل هايي ساخته اند از جنس آرسينوگاليم كه انرژي خورشيد را دريافت و تبديل به جفت الكترون مي كند، در داخل ماده الكترون ها شروع به حركت مي كنند كه نهايتاً منجر به توليد الكتريسته مي شود. ضريب توان سلولها 18% ولتاژ بالاي آن 40 كيلو وات با 5% اتلاف توان محاسبه شده است

تاریخچه
در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.
ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.
مشخصات اثر فوتوالکتریک
• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.
اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v0 نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv0 به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:
mv2/2 = hv - w

رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.
اثر کامپتون
اطلاعات اولیه
زمانی که یک پرتو نور بر روی ماده‌ای می‌تابد، انواع برهمکنشهای مختلف بین فوتون و ماده متصور است (اثر تابش بر ماده). از جمله این برهمکنشها ، می‌توان به اثر کامپتون اشاره کرد. می‌توان گفت که این اثر مستقیم‌ترین گواه بر خاصیت ذره‌ای نور می‌باشد. در زندگی روزمره خود بارها این اثر را مشاهده می‌کنیم. به عنوان مثال ، نور خورشید بعد از تابش با عناصر موجود در جو زمین اندرکنش انجام می‌دهد.
تاریخچه
پایه محکم دیگر برای فرضیه کوانتومی ‌نور ، توسط فیزیکدان آمریکایی ، آرتور کامپتون (Compton) ، در سال 1992 فراهم شد. کامپتون نوازنده گیتار ، قهرمان تنیس و محقق نامداری در بررسی پرتو کیهانی بود. کامپتون دانشمند تجربی‌کار متعصبی بود که میل داشت برخورد کوانتومهای نور و الکترونها را ، عینا مانند برخورد گلوله‌های عاج بر روی میز بیلیارد ، تصور و تجسم کند. اثر کامپتون مستقیم‌ترین گواه بر طبیعت ذره‌ای تابش است.

نظریه کلاسیک پراکندگی امواج الکترومغناطیسی
وقتی امواج الکترومغناطیسی تکفام به ذره بارداری که اندازه آن از طول موج تابش خیلی کمتر است برخورد کند، اصولا میدان الکتریکی متغیر سینوسی موج ، بر روی این ذره باردار اثر می‌گذارد. این ذره تحت تاثیر نیروی الکتریکی متغیر ، با همان فرکانس تابشی ، حرکت نوسانی هماهنگ انجام می‌دهد و چون بطور پیوسته شتاب می‌گیرد، در تمام جهات با همان فرکانس تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کند.

بنابراین نظریه کلاسیک پیشگویی می‌کند که تابش پراکنده دارای همان فرکانس تابش فرودی خواهد بود. ذره باردار نقش یک عامل انتقال را بازی می‌کند، زیرا انرژی را از پرتو فرودی می‌گیرد و مجددا آن را با همان فرکانس ، ولی در تمام جهات پراکنده می‌کند. نظریه کلاسیک پراکندگی برای تابش با طول موجهای مرئی و همه طول موجهای بلندت

ر با تجربه توافق دارد.
نظریه کوانتومی ‌پراکندگی امواج الکترومغناطیسی
در نظریه کوانتومی ، تابش الکترومغناطیسی شامل فوتونهایی است که انرژی هر یک با E = hv بیان می‌شود. چون یک فوتون را می‌توان به عنوان یک ذره با جرم سکون صفر ، که با سرعت نور حرکت می‌کند، در نظر گرفت. بزرگی اندازه حرکت خطی متناظر با این فوتون بر اساس رابطه دوبروی برابر E/c است، که با نتیجه نظریه کلاسیک توافق دارد.

هر فوتون در باریکه‌ای از تابش الکترومغناطیسی تکفام با طول موج λ دارای اندازه حرکتی برابر با h/λ می‌باشد که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج منتسب به فوتون است. وقتی که یک باریکه الکترومغناطیسی تکفام را به عنوان مجموعه‌ای متشکل از فوتونهای ذره‌گونه ، که هر یک دارای انرژی و اندازه حرکت دقیقا معلوم هستند، در نظر بگیریم عملا پراکندگی تابش الکترومغناطیسی به صورت برخورد فوتون با یک ذره باردار درمی‌آید.

این مسئله صرفا با بکار بردن قوانین بقای اندازه حرکت و انرژی حل می‌شود. البته

لازم به ذکر است که در کاربرد قوانین بقا ، به جزئیات برهمکنش توجه نمی‌شود، بلکه فقط به انرژی کل و اندازه حرکت کل قبل و بعد از برخورد پرداخته می‌شود.
مشخصات اثر کامپتون
• بررسی برخورد کامپتون بین یک فوتون و یک الکترون مبتنی بر این فرض است که الکترون پراکنده باید تقریبا آزاد و ساکن باشد. البته ، هر الکترون موجود در ماده در حرکت است و تا حدی به اتم مادر خویش مقید است، ولی الکترونهای لایه‌های بیرونی اتم را می‌توان عملا آزاد در نظر گرفت (الکترون آزاد) ، چون انرژی بستگی آنها خیلی کمتر از انرژی یک فوتون اشعه ایکس است.
• طول موج فوتونها باید در حد و اندازه ذره پراکننده باشد. بنابراین اثر کامپتونی که در آن فوتون توسط الکترونهای نسبتا آزاد اتم پراکنده می‌شود، توسط پرتوهای ایکس امکان پذیر است.
• در اثر کامپتون ، برخلاف اثر فوتوالکتریک ، فوتون نابود نمی‌شود، بلکه فوتون بوسیله الکترون پراکنده می‌شود. در اینصورت مقداری از اندازه حرکت فوتون به الکترونی که در ابتدا ساکن است، منتقل می‌شود. بنابراین اندازه حرکت و در نتیجه انرژی فوتون پراکنده کمتر از اندازه حرکت و انرژی فوتون فرودی بوده و الکترون نیز دیگر ساکن نخواهد بود.
• تغییر در طول موج فوتونهای پراکنده شده به وسیله الکترونها از رابطه زیر تبعیت می‌کند:
(Δλ = λَ - λ = hm0 (1 - CosӨ

در رابطه فوق m0 جرم سکون الکترون ، C سرعت نور ، h ثابت پلانک ، θ زاویه پراکندگی ، λ طول موج فوتون تابشی و λَ طول موج فوتون پراکنده است.
بر اساس رابطه فوق ، فوتونهایی که تحت زاویه 180 درجه پراکنده می‌شوند، تغییر طول موجی پیدا نمی‌کنند. (برخورد شاخ به شاخ)
• رابطه فوق زمانی‌که ثابت پلانک به سمت صفر و جرم سکون الکترون به سمت بینهایت میل می‌کند، به نظریه کلاسیک پراکندگی تحویل می‌گردد.

يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.
با ابعادي ريزتر به اين اثر نگاه مي كنيم: در هنگام تابش يك فوتون به الكترون آزا

ي كه در سطح فلز قرار دارد برخورد مي كند و بخشي از انرژي خود را به الكترون مي دهد كه طي اين برخورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):
ورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):

(شكل 1)
پس از اين برخورد بدليل اينكه اندازه حركت ثابت مي ماند فوتون تخريب مي شود كه اين تخريب با كاهش انرژي يا تغيير بسامد (رنگ) فوتون مي باشد. كه مقدار اين تغيير بسامد را مي توان با توجه به رابطه زير محاسبه كرد.(شكل 2)

(شكل 2)
از طرفي همانطور كه گفته شد انرژي ذره افزايش پيدا مي كند كه نتيجة اين افزايش انرژي، افزايش سرعت ذره مي باشد. (شكل 3)

(شكل 3)
با محاسبه انرژي فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتي چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژي ابتدايي فوتون مي توان زاويه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)

(شكل 4)

ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژي فوتون به ماده منتقل شود و يا اينكه فوتون جذب الكترون شود...
تابش الكترومغناطيسي-تابش جسم سياه
تابش الكترومغناطيسي:
هر شي در نجوم بوسيله تابش الكترو مغناطيسي مشاهده مي شود بنابر اين توجه به برخي از مباني فيزيك درباره تابش وجذب لازم است .تابش الكترو مغناطيسي فقط يك موج متحرك در ميدان مغناطيسي و الكتريكي است كه در معادلات ماكسول به هم مربوط مي شوند.موج الكترو مغناطيسي باسرعت نور منتشر مي شود. C=2.998*108
حاصل ضرب طول موج و فركانس برابر سرعت نور است.

C = F * g
كه به صورت سنتي طيف سنجها طول موج را اندازه گيري مي كنند.
با وسائل جديد تمام محدوده طيف قابل مشاهده است. تعدادي ازطول موجهايي كه فقط مي توانند در بالاي جو اندازه گيري شوند؛درفنآوري ماهواره اي به كارمي روند.

تابش نور به چندطريق صورت مي گيرد:
1-فرآيند پهن شدگي (فرآيند گرما يوني )-تابش جسم سياه. 2-تابش خطي .
3-تابش سينكروترون ناشي از بارهاي الكتريكي شتابدار.
ما درباره’ مورد اول بحث خواهيم كرد
تابش جسم سياه:

جسم گرم در دماي مشخص T گستره پهني از امواج الكترو مغناطيس تابش مي كندو جسم گرمتر آبي تر تابش ميكند .
براي مثال داخل زمين يك مخزن نور است كه مانند يك باطري ضعيف شده كم نورتر وقرمزتر است . اين مسئله در ابتداي قرن بيستم در فيزيك كلاسيك حل شده ويكي از موفقيتهاي مكانيك كوانتومي شكل گرفته بود.
طيف تابش گسيل يافته براي فيزيك كلاسيك يك مشكل بزرگ بود .
استفان و بولتزمن كشف كرد

ند كه تمام گرماي تابش شده بوسيله سطح جسمي با مساحت A و دمايT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108
شدت تابش درواحد حجم كه تابع طول موج است ،اندازه گيري شد. موقعيت ماكزيمم ناگهاني در طيف ،توسط قانون جابجايي وينز ((Wiens تشريح شد و مكان بيشترين شدت در طول موج