یادتان هست در کودکی از دیدن وسایلی که در تاریکی مطلق هم می‌درخشیدند، چقدر هیجان زده می‌شدیم؟ آن وقت‌ها این درخشش بیشتر شبیه جادو بود اما حالا می‌دانیم که جادویی در کار نبوده است. اگر دوست دارید بدانید این وسایل شبرنگ چطور کار می‌کنند و آن درخشش را از کجا می‌آورند . با ساختنی همراه باشید. در این مطلب طرز کار دو وسیله شبرنگ پرکاربرد یعنی گلو استیک و پس‌بازتابگرها را توضیح خواهیم داد. همه ما این وسایل را اطراف‌مان دیدیم و از آنها استفاده کردیم؛ پس چرا طرز کار آنها را ندانیم؟
گلو استیک
به احتمال زیاد شما هم تجربه استفاده از گلو استیک را دارید. همان محفظه‌های پلاستیکی شبیه لوله که در تاریکی می‌درخشند. داخل این لوله دو ماده شیمیایی قرار دارد که با یک شیشه نازک از هم جدا شده‌اند. وقتی شیشه داخلی را بشکنید، این دو ماده با هم ترکیب می‌شوند و نور تولید می‌کنند. این نور حاصل یک واکنش شیمیایی چند مرحله‌ای است که در ادامه مراحل آن را توضیح می‌دهیم.
ابتدا به خود فرایند شیمیایی می‌پردازیم. در اکثر موارد دو ماده شیمیایی داخل گلو استیک شبرنگ آب اکسیژنه (هیدروژن پروکساید) و دی‌فنیل اگزالات هستند. بعد از واکنش مواد شیمیایی با یکدیگر، پیوندهای شیمیایی آنها تغییر می‌کند و دو ماده شیمیایی جدید تولید می‌شود. اگرچه شکستن پیوندهای شیمیایی اصلی به انرژی نیاز دارد اما شکل‌گیری پیوندهای مواد شیمیایی حاصل از واکنش، انرژی بیشتری تولید می‌کند. بنابراین در نهایت از این واکنش شیمیایی کمی انرژی به دست می‌آید.
بخش بعدی کمی پیچیده‌تر است چون باید انرژی حاصل از واکنش شیمیایی را دنبال کنیم. چه اتفاقی برای این انرژی می‌افتد؟ این انرژی ناپدید نمی‌شود بلکه الکترون‌ها را برای رسیدن به سطح انرژی بالاتر تحریک می‌کند. اما الکترون‌های سیستم‌های محدود مثل اتم یک سطح انرژی مجاز دارند که نمی‌توانند از آن فراتر بروند.
در بیشتر اتم‌ها، الکترون‌های تحریک شده بدون مشکل به سطح انرژی پایین‌تر برمی‌گردند اما در وسایل شبرنگ مثل گلو استیک این اتفاق نمی‌افتد. در واکنش شیمیایی گلو استیک، الکترون‌ها به سطح انرژی بالاتری می‌رسند که با گذار به سطح انرژی پایین‌تر همخوانی ندارد. این فرایند گذار یا انتقال ممنوع به نظر می‌رسد اما کاملا ممنوع نیست. از آنجایی که انتقال به سطح انرژی پایین‌تر ساده نیست، فرایند انتقال الکترون‌ها هم زمان زیادی می‌برد. وقتی هم که این انتقال رخ بدهد، انرژی مازاد به شکل نور ظاهر می‌شود. نور گلو استیک شبرنگ هم دقیقا از همین جا می‌آید.
اما چرا نور گلو استیک دوام زیادی ندارد؟ آن طرف ماجرا هم محل سوال است؛ چرا نور گلو استیک بالافاصله ناپدید نمی‌شود؟ دلیل اول را پیشتر توضیح دادیم؛ انتقال ممنوعه نمی‌گذارد الکترون‌ها برای مدت طولانی در حالت تحریک شده بمانند. اما خود واکنش شیمیایی هم در موضوع زمان درخشش مطرح است. دو ماده شیمیایی داخل گلو استیک باید مخلوط بشوند و با هم واکنش بدهند تا نور شبرنگ تولید بشود. این اتفاق بلافاصله رخ نمی‌دهد؛ دو ماده شیمیایی باید به صورت یکدست مخلوط بشوند و سپس مولکول‌های جدا شده مولکول‌های واکنش نیافته دیگر را پیدا کنند. همین واکنش کمی زمان می‌برد.
گلو استیک براساس واکنش شیمیایی عمل می‌کند و بنابراین می‌توانیم طول درخشش آن را افزایش بدهیم. اگر گلو استیک را قبل از استفاده داخل فریزر بگذارید، دمای مایع داخل آن کاهش پیدا می‌کند و در نتیجه حرکت مولکول‌های آن هم کمتر می‌شود. کاهش سرعت مولکول‌ها باعث کند شدن واکنش شیمیایی می‌شود و می‌توانید دوباره از گلو استیک استفاده کنید.
برعکس این فرایند هم صادق است؛ اگر گلو استیک را قبل از استفاده داخل آب گرم بگذارید، درخشش آن بیشتر می‌شود. افزایش دمای مواد شیمیایی، سرعت واکنش شیمیایی بیشتر می‌شود و در نتیجه نور خروجی آن هم بیشتر خواهد بود. متاسفانه درخشش بیشتر یعنی واکنش زودتر تمام می‌شود و در نتیجه مدت زمان درخشش کمتر می‌شود.
پس‌بازتابگر
یکی دیگر از وسایل شبرنگ که نیاز به واکنش شیمیایی ندارد و به همین خاطر پرکاربردتر است، پس‌بازتابگرها هستند. منظورمان نوارهای براق روی کفش‌کاپشن، تابلوهای راهنمایی و رانندگی و … هستند. وقتی روی این پس‌بازتابگرها نور بگیرید، به نظر می‌رسد خودشان می‌درخشند. اما می‌دانیم که این نوارها از خودشان نوری ندارند!
برای توضیح طرز کار پس‌بازتابگرها باید بدانید چشم انسان چطور چیزها را می‌بیند. تصور رایج این است که ما چیزهای اطراف‌مان را با یک نوع دید یا تصویر که از چشم‌مان می‌آید، می‌بینیم. اما چشم ما خروجی ندارد و در واقع یک دستگاه غیرفعال است. چشم‌ها فقط نوری که واردشان می‌شود را شناسایی می‌کنند.
اگر بخواهید سیب روی میز را ببینید، به نور نیاز دارید. نور باید به سیب بخورد، از سطح آن منعکس بشو و به چشم‌تان برسد. اگر نوری نباشد، تصویر سیب هم در کار نخواهد بود.
این از چشم انسان؛ اما بازتابگرهای معمولی مثل آینه صاف چطور کار می‌کنند؟ نور با این سطوح چه تعاملی دارد؟ نور را به عنوان یک پرتو که از چیزی شبیه چراغ قوه بیرون می‌آید در نظر بگیرید. وقتی این پرتو با آینه تعامل پیدا می‌کند، نور طوری بازتاب داده می‌شود که زاویه برخورد با آینه با زاویه بازتاب از آینه برابر است. در دیاگرام زیر می‌بینید که نور با همان زاویه‌ای آینه را ترک کرده که به آن وارد شده بود (البته ما نمی‌توانیم آینه را از کنار ببینیم).
در فیزیک این وضعیت را چنین توصیف می‌کنند: «زاویه برخورد با زاویه بازتاب برابر است». حالا این وضعیت را تصور کنید: در شب مشغول رانندگی هستید و چراغ‌های جلو را مستقیم تنظیم کرده‌اید. یک کودک جلوی ماشین ظاهر می‌شود که پوششی از آینه صاف دارد! وضعیت بازتاب نور در چنین وضعیتی به صورت زیر خواهد بود:
فرد داخل ماشین نمی‌تواند کودک را ببیند. نور تابیده از چراغ‌ها به آینه می‌تابد اما به خاطر زاویه بازتاب، نور از ماشین دور می‌شود. اگر نور به چشم راننده برنگردد، چیزی نخواهد دید. فقط در حالتی که آینه کاملا عمودی باشد، نور زاویه مناسب برای رسیدن به چشم انسان را دارد. اما در جهان واقعی ماجرا کمی پیچیده‌تر است چون دنیای ما سه بعدی است. این یعنی جهت راست – چپ آینه هم باید دقیقا درست باشد. به این ترتیب است که کودک با پوشش آینه برای راننده نامرئی می‌ماند. همین جا اشاره کنیم که طرز کار هواپیماهای جاسوسی هم درست همین طور است؛ این هواپیماها امواج رادار را از ردیاب رادار دور می‌کنند تا دیده نشوند!
به بحث شبرنگ و پس‌بازتابگرها برگردیم. آنها مثل یک آینه براق عمل نمی‌کنند. به تصویر زیر از پس‌بازتابگرهای روی یک جفت کفش در یک اتاق تاریک نگاه کنید:
اکثر اجزای داخل اتاق نور دوربین را بازتاب داده‌اند و آن را از سطح دور کرده‌اند و چون این نور به دوربین بازنگشته در نتیجه همه چیز در تصویر تاریک است. اما مواد پس‌بازتابگر روی کفش متفاوت هستند. همین مواد متفاوت باعث می‌شوند مستقیم به منبع برگردد و مقدار و شدت بازتاب آنقدر زیاد است که باعث شده نوارهای روی کفش کاملا براق بشوند.
اینکه پس‌بازتابگرها چطور کار می‌کنند به طرز ساخت آنها بستگی دارد. روش‌های متفاوتی برای ساخت این وسایل وجود دارد. ساده‌ترین نوع پس‌بازتابگر از آینه‌های صافی ساخته می‌شود که با زوایای خاص کنار هم چیده شده‌اند. مثلا در تصویر زیر یک پس‌بازتابگر دست‌ساز را می‌بینید که فقط با آینه و چسب بزرنتی ساخته شده است.
طرز کار این پس‌بازتابگر را می‌توانید در دیاگرام دوبعدی زیر ببینید. وقتی نور به دوتا از آینه‌ها می‌خورد، ترکیب بازتاب‌ها نور را به سمت منبع اصلی هدایت می‌کند.
قطعا چنین پس‌بازتابگر را نمی‌توان به لباس‌های ورزشی اضافه کرد و منتظر خاصیت شبرنگ بود! روش دیگر ساخت پس‌بازتابگر استفاده از دانه‌های شیشه بسیار ریز است. وقتی نور وارد این دانه‌های شیشه گرد می‌شود، نور در اثر انکسار خم می‌شود و از دیواره پشتی کره بازتاب پیدا می‌کند. ترکیب انکسار و بازتاب باعث می‌شود نور به همان شکلی که وارد شده، به منبع برگردد. اکثر پس‌بازتابگرها که در اطراف‌مان می‌بینیم با این دانه‌های شیشه بسیار ریز ساخته می‌شوند نه آینه.
به این خاطر است که لباس‌های ورزشی یا علائم راهنمایی و رانندگی در تاریکی مطلق هم دیده می‌شوند و خاصیت شبرنگ یا شب‌تاب دارند.
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.