وسایل شبرنگ چطور کار می کنند؟

ساختني/ يادتان هست در کودکي از ديدن وسايلي که در تاريکي مطلق هم مي‌درخشيدند، چقدر هيجان زده مي‌شديم؟ آن وقت‌ها اين درخشش بيشتر شبيه جادو بود اما حالا مي‌دانيم که جادويي در کار نبوده است. اگر دوست داريد بدانيد اين وسايل شبرنگ چطور کار مي‌کنند و آن درخشش را از کجا مي‌آورند . با ساختني همراه باشيد. در اين مطلب طرز کار دو وسيله شبرنگ پرکاربرد يعني گلو استيک و پس‌بازتابگرها را توضيح خواهيم داد. همه ما اين وسايل را اطراف‌مان ديديم و از آنها استفاده کرديم؛ پس چرا طرز کار آنها را ندانيم؟ گلو استيک به احتمال زياد شما هم تجربه استفاده از گلو استيک را داريد. همان محفظه‌هاي پلاستيکي شبيه لوله که در تاريکي مي‌درخشند. داخل اين لوله دو ماده شيميايي قرار دارد که با يک شيشه نازک از هم جدا شده‌اند. وقتي شيشه داخلي را بشکنيد، اين دو ماده با هم ترکيب مي‌شوند و نور توليد مي‌کنند. اين نور حاصل يک واکنش شيميايي چند مرحله‌اي است که در ادامه مراحل آن را توضيح مي‌دهيم. ابتدا به خود فرايند شيميايي مي‌پردازيم. در اکثر موارد دو ماده شيميايي داخل گلو استيک شبرنگ آب اکسيژنه (هيدروژن پروکسايد) و دي‌فنيل اگزالات هستند. بعد از واکنش مواد شيميايي با يکديگر، پيوندهاي شيميايي آنها تغيير مي‌کند و دو ماده شيميايي جديد توليد مي‌شود. اگرچه شکستن پيوندهاي شيميايي اصلي به انرژي نياز دارد اما شکل‌گيري پيوندهاي مواد شيميايي حاصل از واکنش، انرژي بيشتري توليد مي‌کند. بنابراين در نهايت از اين واکنش شيميايي کمي انرژي به دست مي‌آيد. بخش بعدي کمي پيچيده‌تر است چون بايد انرژي حاصل از واکنش شيميايي را دنبال کنيم. چه اتفاقي براي اين انرژي مي‌افتد؟ اين انرژي ناپديد نمي‌شود بلکه الکترون‌ها را براي رسيدن به سطح انرژي بالاتر تحريک مي‌کند. اما الکترون‌هاي سيستم‌هاي محدود مثل اتم يک سطح انرژي مجاز دارند که نمي‌توانند از آن فراتر بروند. در بيشتر اتم‌ها، الکترون‌هاي تحريک شده بدون مشکل به سطح انرژي پايين‌تر برمي‌گردند اما در وسايل شبرنگ مثل گلو استيک اين اتفاق نمي‌افتد. در واکنش شيميايي گلو استيک، الکترون‌ها به سطح انرژي بالاتري مي‌رسند که با گذار به سطح انرژي پايين‌تر همخواني ندارد. اين فرايند گذار يا انتقال ممنوع به نظر مي‌رسد اما کاملا ممنوع نيست. از آنجايي که انتقال به سطح انرژي پايين‌تر ساده نيست، فرايند انتقال الکترون‌ها هم زمان زيادي مي‌برد. وقتي هم که اين انتقال رخ بدهد، انرژي مازاد به شکل نور ظاهر مي‌شود. نور گلو استيک شبرنگ هم دقيقا از همين جا مي‌آيد. اما چرا نور گلو استيک دوام زيادي ندارد؟ آن طرف ماجرا هم محل سوال است؛ چرا نور گلو استيک بالافاصله ناپديد نمي‌شود؟ دليل اول را پيشتر توضيح داديم؛ انتقال ممنوعه نمي‌گذارد الکترون‌ها براي مدت طولاني در حالت تحريک شده بمانند. اما خود واکنش شيميايي هم در موضوع زمان درخشش مطرح است. دو ماده شيميايي داخل گلو استيک بايد مخلوط بشوند و با هم واکنش بدهند تا نور شبرنگ توليد بشود. اين اتفاق بلافاصله رخ نمي‌دهد؛ دو ماده شيميايي بايد به صورت يکدست مخلوط بشوند و سپس مولکول‌هاي جدا شده مولکول‌هاي واکنش نيافته ديگر را پيدا کنند. همين واکنش کمي زمان مي‌برد. گلو استيک براساس واکنش شيميايي عمل مي‌کند و بنابراين مي‌توانيم طول درخشش آن را افزايش بدهيم. اگر گلو استيک را قبل از استفاده داخل فريزر بگذاريد، دماي مايع داخل آن کاهش پيدا مي‌کند و در نتيجه حرکت مولکول‌هاي آن هم کمتر مي‌شود. کاهش سرعت مولکول‌ها باعث کند شدن واکنش شيميايي مي‌شود و مي‌توانيد دوباره از گلو استيک استفاده کنيد. برعکس اين فرايند هم صادق است؛ اگر گلو استيک را قبل از استفاده داخل آب گرم بگذاريد، درخشش آن بيشتر مي‌شود. افزايش دماي مواد شيميايي، سرعت واکنش شيميايي بيشتر مي‎‌شود و در نتيجه نور خروجي آن هم بيشتر خواهد بود. متاسفانه درخشش بيشتر يعني واکنش زودتر تمام مي‌شود و در نتيجه مدت زمان درخشش کمتر مي‌شود. پس‌بازتابگر يکي ديگر از وسايل شبرنگ که نياز به واکنش شيميايي ندارد و به همين خاطر پرکاربردتر است، پس‌بازتابگرها هستند. منظورمان نوارهاي براق روي کفش‌کاپشن، تابلوهاي راهنمايي و رانندگي و … هستند. وقتي روي اين پس‌بازتابگرها نور بگيريد، به نظر مي‌رسد خودشان مي‌درخشند. اما مي‌دانيم که اين نوارها از خودشان نوري ندارند! براي توضيح طرز کار پس‌بازتابگرها بايد بدانيد چشم انسان چطور چيزها را مي‌بيند. تصور رايج اين است که ما چيزهاي اطراف‌مان را با يک نوع ديد يا تصوير که از چشم‌مان مي‌آيد، مي‌بينيم. اما چشم ما خروجي ندارد و در واقع يک دستگاه غيرفعال است. چشم‌ها فقط نوري که واردشان مي‌شود را شناسايي مي‌کنند. اگر بخواهيد سيب روي ميز را ببينيد، به نور نياز داريد. نور بايد به سيب بخورد، از سطح آن منعکس بشو و به چشم‌تان برسد. اگر نوري نباشد، تصوير سيب هم در کار نخواهد بود. اين از چشم انسان؛ اما بازتابگرهاي معمولي مثل آينه صاف چطور کار مي‌کنند؟ نور با اين سطوح چه تعاملي دارد؟ نور را به عنوان يک پرتو که از چيزي شبيه چراغ قوه بيرون مي‌آيد در نظر بگيريد. وقتي اين پرتو با آينه تعامل پيدا مي‌کند، نور طوري بازتاب داده مي‌شود که زاويه برخورد با آينه با زاويه بازتاب از آينه برابر است. در دياگرام زير مي‌بينيد که نور با همان زاويه‌اي آينه را ترک کرده که به آن وارد شده بود (البته ما نمي‌توانيم آينه را از کنار ببينيم). در فيزيک اين وضعيت را چنين توصيف مي‌کنند: «زاويه برخورد با زاويه بازتاب برابر است». حالا اين وضعيت را تصور کنيد: در شب مشغول رانندگي هستيد و چراغ‌هاي جلو را مستقيم تنظيم کرده‌ايد. يک کودک جلوي ماشين ظاهر مي‌شود که پوششي از آينه صاف دارد! وضعيت بازتاب نور در چنين وضعيتي به صورت زير خواهد بود: فرد داخل ماشين نمي‌تواند کودک را ببيند. نور تابيده از چراغ‌ها به آينه مي‌تابد اما به خاطر زاويه بازتاب، نور از ماشين دور مي‌شود. اگر نور به چشم راننده برنگردد، چيزي نخواهد ديد. فقط در حالتي که آينه کاملا عمودي باشد، نور زاويه مناسب براي رسيدن به چشم انسان را دارد. اما در جهان واقعي ماجرا کمي پيچيده‌تر است چون دنياي ما سه بعدي است. اين يعني جهت راست – چپ آينه هم بايد دقيقا درست باشد. به اين ترتيب است که کودک با پوشش آينه براي راننده نامرئي مي‌ماند. همين جا اشاره کنيم که طرز کار هواپيماهاي جاسوسي هم درست همين طور است؛ اين هواپيماها امواج رادار را از ردياب رادار دور مي‌کنند تا ديده نشوند! به بحث شبرنگ و پس‌بازتابگرها برگرديم. آنها مثل يک آينه براق عمل نمي‌کنند. به تصوير زير از پس‌بازتابگرهاي روي يک جفت کفش در يک اتاق تاريک نگاه کنيد: اکثر اجزاي داخل اتاق نور دوربين را بازتاب داده‌اند و آن را از سطح دور کرده‌اند و چون اين نور به دوربين بازنگشته در نتيجه همه چيز در تصوير تاريک است. اما مواد پس‌بازتابگر روي کفش متفاوت هستند. همين مواد متفاوت باعث مي‌شوند مستقيم به منبع برگردد و مقدار و شدت بازتاب آنقدر زياد است که باعث شده نوارهاي روي کفش کاملا براق بشوند. اينکه پس‌بازتابگرها چطور کار مي‌کنند به طرز ساخت آنها بستگي دارد. روش‌هاي متفاوتي براي ساخت اين وسايل وجود دارد. ساده‌ترين نوع پس‌بازتابگر از آينه‌هاي صافي ساخته مي‌شود که با زواياي خاص کنار هم چيده شده‌اند. مثلا در تصوير زير يک پس‌بازتابگر دست‌ساز را مي‌بينيد که فقط با آينه و چسب بزرنتي ساخته شده است. طرز کار اين پس‌بازتابگر را مي‌توانيد در دياگرام دوبعدي زير ببينيد. وقتي نور به دوتا از آينه‌ها مي‌خورد، ترکيب بازتاب‌ها نور را به سمت منبع اصلي هدايت مي‌کند. ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد