جوزف فرانهوفر، پیشگام علم طیف سنجی

«جوزف فون فرانهوفر»، فیزیکدان آلمانی، اولین کسی بود که خطوط تاریک در طیف خورشید را دسته‌بندی و مطالعه کرد. علاوه‌براین، او در طول زندگی خود تلاش‌های بسیاری در ساخت تلسکوپ‌های شکستی کرد. در این مقاله قصد داریم بیشتر با فرانهوفر به عنوان یکی از پیشگامان علم طیف‌سنجی آشنا شویم.

از تولد تا گام‌های اولیه پیشرفت

فرانهوفر در ۶ مارس ۱۷۸۷ در شهری به نام «استرابلینگ» در آلمان متولد شد. پدر او، «فرانتس خاور فرانهوفر» یک صنعتگر بود که شیشه‌ و ظروف پذیرائی تولید می‌کرد. کارگاه پدر او چندان بزرگ نبود و درآمد کم پدرش سبب شد تا فرانهوفر به‌جای مدرسه رفتن، از سنین کم در کارگاه پدر کار کند.

زمانی که جوزف فرانهوفر ۱۱ ساله بود، پدر و مادر خود را طی سانحه‌ای از دست داد و پس از آن نزد تولیدکننده‌ آینه و شیشه دیگری به شاگردی پرداخت.

درحالی‌که انتظار می‌رود او در این دوران اطلاعات زیادی از ساخت شیشه به‌دست آورده باشد، محیط کار برای او به شدت ظالمانه بود و او حتی اجازه نداشت روزهای خاصی مانند یکشنبه‌ها را برای استراحت به خود اختصاص دهد. اینطور نقل شده است که او تحت عنوان کارآموز موظف بود تمام طول هفته را در کارگاه حاضر شود.

اما اوضاع برای او دچار تغییر شد و آنچه در سال ۱۸۰۱ رخ داد، تحولی بزرگ در زندگی او و دنیای علم رقم زد. در این سال مجتمع «وشلبرگر» که هم کارگاه ساخت شیشه و هم اتاق مدیریت در آن قرار داشت، فرو ریخت. جوزف فرانهوفر و همسر یکی از مدیران کارگاه در زیر آوار محبوس شدند. متأسفانه همسر مدیر کارگاه جان خود را از دست داد، اما فرانهوفر به علت اینکه توسط یک تیر متقاطع قوی محافظت شده بود، زنده ماند.

این حادثه و زنده بیرون آمدن فرانهوفر از میان انبوه آوار توجه شاهزاده «ماکسیمیلیان چهارم» را معطوف وجود جوزف فرانهوفر کرد. او فرانهوفر را به قلعه خود دعوت کرد و هدیه مالی به او اهدا کرد. او همچنین رئیس کارگاه را موظف کرد تا اجازه دهد فرانهوفر روزهای یکشنبه را به محل کار نرود، بلکه در کارگاه آموزش ساخت شیشه شرکت کند. در همین راستا او به وکیلی کارآفرین دستور داد تا جوزف فرانهوفر را تحت و حمایت خود بگیرد.

وکیل مخصوص به محض اینکه متوجه هوش و استعداد فرانهوفر شد، مؤسسه «Reichenbach Utzschneider Liebherr» را با بودجه شخصی خود افتتاح کرد که در آن به تولید لنزهای باکیفیتی پرداخته می‌شد که در ساخت ابزارهای نقشه‌برداری مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

تلاش جوزف فرانهوفر برای استقلال

در سال ۱۸۰۴ جوزف فرانهوفر با کمک مالی شاهزاده سعی کرد تجارت خود در زمینه ساخت شیشه را ایجاد کند، اما نتوانست به اندازه کافی درآمد داشته باشد و مجبور شد پیش کارفرمای سابق خود بازگردد، اما اندکی بعد در سال ۱۸۰۶ وکیل او پیشنهاد داد تا در مؤسسه «Benediktbeuern» مشغول کار شود. این مؤسسه نیز مربوط به ساخت شیشه و تولید ظروف شیشه‌ای بود و فرانهوفر این موقعیت را پیدا کرد تا نوآوری‌های مرتبط با ساخت شیشه نزد یکی از بزرگان این صنعت بیاموزد.

از این مرحله به بعد، فرانهوفر شروع به نشان‌دادن استعدادهای خود کرد. او از بااستعدادترین لنزسازان زمان خود بود. در سال ۱۸۰۹ به او پیشنهاد شد تا در تأسیس یک شرکت سهیم باشد و مسئولیت تولیدات روزانه را به عهده بگیرد. او دو سال بعد مدیریت ۴۰ نفر در آن بخش را به عهده داشت. او در این کارگاه تا سال ۱۸۱۲ موفق شد لنزهایی نسوز تولید کند که قطر آن‌ها به ۷ اینچ می‌رسید. کیفیت این لنزها در کنار قطری که در آن زمان کم‌نظیر بود، سبب شهرت شرکت آن‌ها شد.

در همین مسیر او تلاش کرد تا خطای رنگی را در تصاویر تلسکوپ‌ها و سایر ابزارهای نوری حل کند. برای انجام این کار، او تصمیم گرفت تا نور خورشید و طیف رنگ‌های مختلفی که هنگام عبور از یک منشور شیشه‌ای تولید می‌شوند را تجزیه‌وتحلیل کند. او برای بررسی دقیق این اثر، طیف نور خورشید را با استفاده از تلسکوپ بررسی کرد و بدین ترتیب اولین پایه‌های علم طیف‌سنجی بنیان نهاده شد.

او در مطالعه طیف خورشید، از یافتن خطوط تاریکی که در سراسر طیف پخش شده بود، شگفت‌زده شد. او بارها از خورشید طیف گرفت و هر بار از دیدن این خطوط تاریک که موقعیت ثابتی دارند بیشتر تعجب کرد. پیش از این در سال ۱۸۰۲ فردی به نام «ویلیام هاید ولاستون» تعدادی از خطوط مشابه را مشاهده کرده بود، اما به نتیجه خاصی در این باره نرسیده بود.

خطوط فرانهوفر

در سال ۱۸۱۴، جوزف فرانهوفر در یادداشتی با عنوان «توان پراش و پراکندگی در انواع مختلف شیشه» منتشر کرد که در آن نتایج تحقیقاتش در مورد خطوط تاریک طیف خورشید، ستاره‌ها، ماه و حتی شعله آتش جمع‌آوری شده بود. او ضریب شکست را برای خطوط مختلف اندازه‌گیری کرد که چون همیشه در یک مکان در طیف قرار داشتند – موقعیت آن‌ها ثابت بود – نشان‌دهنده نحوه شکست پرتوهای یک رنگ خاص بود. او از نتایج تحقیقات خود برای کاهش اثرات پراکندگی نور استفاده کرد که می‌تواند خطای رنگی را کاهش دهد – خطای رنگی سبب کاهش وضوح تصاویر می‌شود.

در سال ۱۸۲۰ فرانهوفر مالکیت شرکت خود را به‌طور تام در اختیار گرفت و مدیر مؤسسه شد. به دلیل کیفیت بالای ابزارهای نوری (اپتیکی) که ساخته بود، این مرکز در سراسر جهان شناخته شد – به عنوان مثال در انگلیس از شهرت بالایی برخوردار شد و حتی افرادی مانند «مایکل فارادی» نمی‌توانستند شیشه‌ای تولید کنند که بتواند چنین کیفیت بالایی داشته باشد.

در سال ۱۸۲۱، فرانهوفر از یک شبکه سیمی استفاده کرد تا اثرات پراکندگی ناشی از حضور شکاف‌های کوچک را بررسی کند. او دریافت این شبکه که آن را مِش می‌نامند، می‌تواند طیفی را تولید کند که او پیش از آن مشاهده کرده بود. درحقیقت او در طول زمان دریافت به‌دست‌آوردن یک طیف با عبور نور از یک شکاف بسیار نازک کاری معمول است. پس به دنبال روشی مبتکرانه رفت. در توری پراش هر سوراخ نقش یک شکاف بسیار نازک را ایفا می‌کرد. او از این مش که متشکل از ۲۶۰ سیم بود، برای محاسبه طول موج نور یک رنگ خاص استفاده کرد؛ کاری که پیش از این در سال ۱۸۰۲ توسط «توماس یانگ» انجام شده بود. فرانهوفر در ادامه این کار دریافت اگر فاصله سیم‌ها از یکدیگر کاهش یابد، می‌توان به پراکندگی گسترده‌تری دست یافت.

فرانهوفر بعداً از خطوطی استفاده کرد که روی یک صفحه شیشه‌ای پوشیده‌شده با ورق طلا حک شده بودند تا اثری مشابه مش ایجاد شود. چنین آرایشی «توری پراش» نامیده می‌شود و خواص آن برای اولین‌بار در سال ۱۷۸۶ توسط ستاره‌شناس آمریکایی «دیوید ریتنهاوس» مورد بررسی قرار گرفت. اما ریتنهاوس هیچ نتیجه‌ای از کشف خود نگرفت. فرانهوفر یافته‌های خود را در مقاله‌ای با عنوان «اصلاح نور توسط تاثیر متقابل پراش پرتوها و قوانین این اصلاح».

درمجموع فرانهوفر بیش از ۵۷۰ خط را ترسیم کرد. او خطوط اصلی را با توجه به ویژگی‌هایشان با حروف A تا K و خطوط ضعیف‌تر را با حروف دیگر مشخص کرد.

بعدها توسط «گوستاو کیرشهوف» مشخص شد خطوط تاریک در طیف خورشید به علت وجود عناصر به حالت گاز یا بخار در جو خورشید است. نور خورشید پیش از آنکه به ما برسد و آن را تجزیه‌وتحلیل کنیم، از میان این جو مملو از عناصر مختلف عبور می‌کند. او همچنین دریافت برخی از خطوط موجود در خورشید را می‌توان با عبور نور از میان بخار سدیم تولید کرد. بخار سدیم نیز از سوزاندن کلرید سدیم در آتش حاصل می‌شود. پس دانشمندان درنهایت نتیجه گرفتند که سدیم در خورشید وجود دارد و خطوط فرانهوفر در طیف خورشید به این دلیل تولید می‌شوند که نور خورشید در مسیر خود تا رسیدن به ما از این عناصر عبور می‌کند. عناصر نور در طول موج‌های خاص را جذب می‌کنند و خطوط ناشی از عدم وجود نور در آن طول موج خاص است. هر عنصر نور را در یک طول موج مخصوص جذب می‌کند. از این رو می‌توان گفت طیف اثرانگشت عناصر است.

این نکته را به یاد داشته باشید که تمام خطوط مشاهده‌شده در طیف خورشید، مرتبط با عناصر جو خورشید نیستند. نور در مسیر خود توسط برخی عناصر در جو زمین نیز جذب می‌شود. به بیان دیگر، برخی از خطوط در طیف خورشید ناشی از جذب نور در جو زمین است.

فرانهوفر در سال ۱۸۲۲ دکترای افتخاری خود را از دانشگاه «ارلانگن» دریافت کرد و در همان سال در موزه آکادمی سلطنتی علوم در مونیخ مشغول به کار شد. در سال ۱۸۲۴، شاهزاده نشان «شایستگی مدنی» را به وی اعطا کرد. فرانهوفر مانند بسیاری از شیشه‌سازان معاصر خود توسط بخار فلزات سنگین مسوم شد و درنهایت در سال ۱۸۲۶ در سن ۳۹ سالگی درگذشت.

لنزهای تلسکوپ

شرکت فرانهوفر بسیاری از رصدخانه‌های معتبر اروپا را در زمان خود مجهز کرد. یک تلسکوپ شکستی با قطر دهانه تقریبا ۲۵ سانتی‌متر توسط روسیه برای رصدخانه «دورپات» خریداری شد که در زمان خود از بزرگ‌ترین تلسکوپ‌ها بود. گفته می‌شود فرانهوفر در اواخر عمر خود در تلاش بود تا عدسی با قطر ۴۵ سانتی‌متر بسازد.

میراث فرانهوفر

فرانهوفر طیف‌سنجی را اختراع کرد و ۵۷۴ خط تاریک را در طیف خورشید کشف کرد. او همچنین به کشفی که ۴۰ سال بعد انجام شد، بسیار نزدیک شده بود؛ ارتباط میان ترکیب شیمیایی منبع نور به الگوی خطوط طیفی ایجاد شده.

فرانهوفر توری پراش را اختراع کرد و با انجام این کار، طیف‌سنجی از یک هنر به یک علم کمی تبدیل شد. او نشان داد که چگونه می‌توان طول موج را به دقت اندازه‌گیری کرد. او دریافت طیف ستاره «Sirius» و سایر ستارگان قدر یک با یکدیگر و همچنین با خورشید متفاوت است. پس او از بنیان‌گذاران طیف‌سنجی خورشید است.

با این‌حال، همچنان اشتیاق اصلی او اپتیک عملی بود. اگرچه فرانهوفر خطوط تاریک در طیف را برای هدف عملی بهبود اپتیک مورد بررسی قرار داد، اما برخی مفاهیم نظری را ناخواسته کشف کرد که ارزشمند هستند. این اطلاعات از زمان خود جلوتر بودند و تا زمانی که علم مکانیک کوانتومی در قرن بیستم ظهور کرد، مورد توجه خاصی قرار نگرفتند. زمانی که مکانیک کوانتومی رابطه بین موج و ذرات را مشخص کرد، تجزیه‌وتحلیل خطوط طیفی ارزشی دو چندان پیدا کرد.

متأسفانه فرانهوفر جزئیاتی در مورد نحوه ساخت توری پراش خود به جا نگذاشت. او باور داشت روش‌هایی که به کار می‌برد، از اسرار تجارت اوست. اگرچه او یک صنعتگر ماهر بود، اما در جامعه علمی، او را به عنوان یک تکنسین می‌شناختند. در آن زمان به دلیل نیاز به تجهیزات گران‌قیمت تکرار آزمایشات او دشوار بود. شاید به همین دلیل است که سال‌ها زمان برد تا دانشمندانی مانند کیرشهوف بتوانند خلاقیت و علم او در زمینه طیف‌سنجی را درک کنند.

درنهایت می‌توان گفت فرانهوفر در حوزه عملی نیز فردی مبتکر و پیشگام بود. او بسیاری از مشکلاتی را که دانشمندان فعال در حوزه اپتیک در مورد ابیراهی رنگی سیستم‌های نوری داشتند، حل کرد.

ما امروزه طراحی پیشرفته تلسکوپ‌ها و میکروسکوپ‌های چند میلیون دلاری را مدیون تلاش‌های فرانهوفر هستیم که همگی بر پایه و اساس کشفیات او ساخته می‌شوند.