الضوء

الضوء

*مفهوم الضوء:

الضوء أو الضوء المرئي هو إشعاع كهرومغناطيسي مرئي للعين البشرية، ومسؤول عن حاسة الابصار. للضوء المرئي طول موجي يقع بين نحو 740 نانومتر (الضوء الأحمر) و380 نانومتر (الضوء البنفسجي) مع تردد يقع بين نحو 790 تيرا هيرتز و 405 تيرا هيرتز، والعين تستطيع رؤية الأجسام غير الشفافة من خلال انعكاس الضوء عليها، يشير مصطلح الضوء عادة إلى الاشعاع الكهرومغناطيسي بأي طول موجي سواء كان مرئيا أو لا. كلمة الضوء تطلق على هذا الحيز الوسطي من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمتد من الموجات الراديوية (أو موجات الراديو) المستعملة في إرسال الراديو بطول موجة بين السنتيمتر وعدة كيلومترات، ويمتد من الناحية الأخرى للأشعة تحت الحمراء ثم إلى الطيف المرئي ثم إلى الأشعة الفوق بنفسجية، إلى الأشعة السينية، ثم إلى أشعة جاما التي تصدر من أنوية الذرات ولها طاقات عالية تُقاس بالمليون إلكترون فولت MeV ودرجة نفاذ عالية. الخصائص الأساسية للضوء هي الشدة، اتجاه الانتشار، التردد أو الطول الموجي للطيف، والاستقطاب، في حين أن سرعة الضوء في الفراغ، 299,792,458 م/ث (حوالي 300,000 كم/ث)، هي واحدة من الثوابت الأساسية في الطبيعة. يعرض الضوء الذي يشع ويمتص في هيئة حزم صغيرة تدعى الفوتونات كلا من خصائص الموجات والجزيئات. يشار إلى هذه الخاصية بالازدواجية الموجية الجزيئية. تعد دراسة الضوء، والمعروفة بعلم البصريات، مجال بحث ذوأهمية في الفيزياء الحديثة.

*سرعة الضوء:

عرفت سرعة الضوء بالفراغ بكونها تساوي بالضبط 299,792,458 م/ث (تقريباً 186,282 ميل/ث). نتجت السرعة الثابتة للضوء في نظام الوحدات الدولي من حقيقة أن المتر أصبح يعرف الآن على أنه المسافة التي يقطعها الضوء خلال زمن قدره 1/299,792,458 ثانية. عبر التاريخ حاول الكثير من الفيزيائيين قياس سرعة الضوء ومن ضمنهم جاليليو في القرن السابع عشر. أجريت إحدى التجارب المبكرة لقياس سرعة الضوء بواسطة الفيزيائي الدنماركي أوول رومو في العام 1676 م. باستخدام المقراب، رصد رومر المشتري وأحد أقماره، إيو. ملاحظاً تناقضاَ في فترة الظهور لمدار إيو، تمكن رومر من حساب أن الضوء يلزمه 22 دقيقة لاجتياز قطر مدار الأرض. لسوء الحظ لم تكن قيمة قطر مدار الأرض معروفة في ذلك الوقت، ولو علم رومر قيمة قطر مدار الأرض لتوصل إلى سرعة للضوء تساوي 227,000,000 م/ث. أجريت في أوروبا تجربة أخرى أكثر دقة لقياس سرعة الضوء على يد هيبوليت فيزو في العام 1849 م. حيث وجه فيزو حزمة من الضوء إلى مرآة تبعد عدة كيلومترات. بوضع ترس دوار في مسار سفر الضوء من المصدر إلى المرآة وبالعكس وجد فيزو عند معدل دوران محدد بأن الضوء سيعبر خلال إحدى فجوات الترس في طريقه إلى المرآة وسيعبر في الفجوة القادمة على الترس في طريق العودة إلى المصدر. بمعرفة المسافة إلى المرآة، عدد أسنان الترس، ومعدل الدوران، تمكن فيزو من حساب سرعة للضوء تساوي 313,000,000 م/ث. أجرى ليون فوكو تجربة باستخدام مرايا دوارة لتحدد سرعة للضوء تساوي 298,000,000 م/ث في العام 1862 م. أجرى ألبرت ميكلسون تجارب لقياس سرعة الضوء خلال الفترة بين عام 1877 م وحتى وفاته عام 1931 م. حيث كرر طريقة فوكو باستخدام مرايا دوارة مطورة لقياس الزمن اللازم للضوء لاتمام رحلة ذهاب وعودة من ماونت ويلسون إلى ماونت سان انطونيو في كاليفورنيا. أسفرت القياسات الدقيقة عن سرعة للضوء تساوي 299,796,000 م/ث.

*انكسار الضوء:

الضوء هو موجة عرضية كهرومغناطيسية. ويعد الانعكاس وانكسار الضوء وانحرافه، والتضارب أهم ظاهرة يتم ملاحظتها عن طريق الموجات. وتتحرك الموجة الميكانيكية المتكررة التي تعتبر بمثابة اضطراب أو تشويش متكرر من خلال موجة متوسطة. وتتحرك الموجة المتوسطة في أي مكان. كما تتقلب الذرات الفردية والجزيئات في موضعهم المتوازن، حيث لم يتغير موضعهم المتوسط. كما تنقل هذه الذرات الفردية والجزيئات بعض من طاقتهم لجيرانهم عند التفاعل معهم. وفي المقابل تنقل الذرات المجاورة طاقتها للذرات الأخرى التي تجاورهم أسفل الخط.وبذلك يتم نقل الطاقة بهذه الطريقة من خلال الموجات المتوسطة، دون نقل أي مواد أخرى. وبالتالي، تعتبر كل نقطة علي واجهة الموجة هي مصدر النقاط التي تعمل علي إنتاج موجات جديدة. وفي الثلاث أبعاد، تعتبر هذه الموجات الجديدة موجات كروية حيث تسمي (بالمويجات) التي تنتشر نحو الخارج بسرعة الموجات الموجودة في محيط الموجات المتوسطة. كما تنبعث المويجات عن طريق النقاط الموجودة علي واجهة الموجة حيث تتداخل مع كل مويجة(تصغير موجة) لتنتج الموجة المهاجرة أو المغادرة. وتسمي هذه القاعدة (بقاعدة هيجيين). وتقوم هذه القاعدة بالتحكم في الموجات الكهرومغناطيسية. وعندما نتعرض لدراسة انتشار الضوء، فإننا نحل أي واجهة موجيه محل مزيج من المصادر التي تم اضطرابها اعلي الواجهة الموحية، حيث يشع الضوء في هذه المرحلة نقطة علي صدر الموجة واجهة الموجة الأصلية واجهة الموجة الجديدة. وتمثل واجهة الموجة الموجودة علي الناحية الأخرى من الفتحة صدر الموجة الموضح بالأسفل، وذلك عندما يمر الضوء من خلال الفتحة الصغيرة، حيث يتماثل حجم الفتحة مع طول الموجة الضوئية. وينتشر الضوء علي حدود الحائل أو العارض. ويعتبر هذا العارض هو ظاهرة انحراف الضوء.

*تاريخ الضوء:

شكل اهتمام نيوتن بالميكانيكا دافعًا شديدًا لتفسير تركيبة الضوء على أساس ميكانيكي بحت. فقد افترض نيوتن أن الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة تسير وفق خطوط مستقيمة ما لم يعترضها مانع ما. من الناحية التجريبية فقد كانت خواص الضوء، كالانعكاس على سطح مصقول والانكسار على سطح الماء معروفة في ذلك الوقت لذا كان على نيوتن إعطاء تفسير لهذه الظواهر على أساس نظريته الجسيمية. وحسب نيوتن فإن انعكاس الضوء على السطوح المصقولة بحيث تكون زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط سببه التصادم المرن لهذه الجسيمات وارتدادها بنفس كمية الحركة. أما انكسار الأشعة الضوئية، فقد فسره باختلاف القوى المؤثرة على الجسيم في كلا الوسطين. لقد لاقت أفكار نيوتن نجاحًا في أول الأمر لكن سرعان ما اكتشفت ظواهر جديدة تناقض هذه الأفكار، لعل أهمها يتلخص في ظاهرة حيود الضوء. حيث إذا ما سلطنا منبع ضوئي على حاجز به ثقب فالملاحظ على شاشة وراء هذا الحاجز ظهور بقعة ضوئية أعرض من الثقب ويزداد حجمها كلما ابتعدنا عن الثقب. هذا يتعارض كلية مع قوانين نيوتن للحركة. فإذا افترضنا أن الضوء عبارة عن جسيمات تسير في خط مستقيم فإن ذلك يعني أن حجم البقعة الضوئية سيساوي حجم الثقب لأن الحاجز سوف يمنع الجسيمات التي لم تمر عبر الثقب من العبور. هذا دفع هوغنس إلى نتيجة أن الضوء عبارة في الحقيقة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث تصبح كل نقطة من صدر الموجة بدورها منبع لموجة أخرى. ثم جاء اكتشاف آخر ليدعم فرضية الطبيعة الموجية للضوء، ألا وهو ظاهرة التداخل في تجربة شقي يونغ، حيث تسلط حزمة ضوئية على حاجز به شقين عرضهما بضع ملليمترات والمسافة بينهما بضعة سنتيمترات، ووضعت شاشة مشاهدة للأشعة خلف الحاجز. وكانت نتيجة التجربة مذهلة فقد لوحظ على الشاشة مساحات عديدة مضيئة مستطيلة مثل الشقين وأخرى مظلمة بحيث يكون ظهورها متناوبا ،أي مضيئ مظلم مضيئ مظلم وهكذا. أثر الظاهرة كان أوضح كلما كان حجم الشقين أصغر ويختفي تماما إذا ما زاد حجمهما عن بضع عشرات من المليمترات. وكان هذا دليلا على الطبيعة الموجية للضوء.

*طبيعة الضوء وانتشاره:

ينتشر الضوء موجيًّا في جميع الاتجاهات وبسرعة فائقة جدًّا لدرجة أنه لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول إنه يتحرك أسرع من الضوء. ويكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. لذلك فان لكل جسيم ظلعند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه، لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء في خطوط مستقيمة هو مبدأ علمي يتحقق من مشاهدة الظل، وكذلك فإن تجمع الضوء بالعدسات وبالكاميرات هو تطبيق لهذه الحقيقة. تختلف حساسية العين باختلاف الطاقة الإشعاعية المستقبلة من الأجسام المضيئة أو المرئية، والعين قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة لضوء العادي ضوء الشمس المرئي الواصل لسطح الأرض حيث لكللون خواص مختلفة عن اللون الآخر. ويقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A أو 400 نانو متر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) أي هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية. لكن للعين أيضًا أن تكشف ضوء بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية. ويستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الإلكترونية الحساسة للكشف عنالإشعاع بدلاً عن العين البشرية وخاصة خارج الحدود المذكورة (4000-7000A) هذه الحدود تعرف بحدود الضوء المرئي (visible light).

وحسب تعريفنا السابق للضوء فيمكن أن نعرّف طبيعة الضوء استنادًا إلى معادلات ماكسويل ونظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريًّا، والجزء الآخر يتغير فيه المجال المغناطيسي دوريًّا أيضًا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي. والاثنان متعامدان على بعضهما.

موجة يتغير فيها المجال الكهربي E متعامدا على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي B.
وتنتشر الموجة في الاتجاه k العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين)

موجة يتغير فيها المجال الكهربي E متعامدا على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي B. وتنتشر الموجة في الاتجاه k العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين)

وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :

1- سعة الموجة (a) بالمتر.

2- طول الموجة (λ) بالمتر.

3- سرعة الموجة (υ) متر/ثانية.

4- التردد (f) هرتز أي دورة/ثانية.

5- العدد الموجي (k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2Π/ λ) (متر) (-1).

6- الترددالزاوي (ω) والذي يساوي (ω=2Πf).

العلاقة الخاصة بسرعة الموجات تعطى كالتالي (υ=λ.f)، وفي حالة الموجات الكهرومغناطيسية تكون العلاقة c =λ.f حيث c سرعة الضوء في الفراغ. وهي تقدر بنحو 300000 كيلومتر / ثانية.

وقد أثبت أينشتين في النظرية النسبية أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لا تتغير، وأنها أعلى سرعة على الإطلاق ولا تستطيع الأجسام الوصول إليها. حيث أن الأجسام تزيد كتلتها كلما إقتربت سرعتها من سرعة الضوء.

وفي علم البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر μm، والمللي ميكرومتر mm، أو النانومتر nm، أو الانجستروم A، حيث :

1A=10 (-10) meter

1μ=10 (-6) meter

1 nm = 10 (-3)µm=10 (-9) meter

فمثلاً طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤية (4000A-7000A) ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء الوحيد، فالنجوم والمجرات تـُصدر ضوءا. وفى حياتنا اليومية نحصل على الضوء بواسطة الكهرباء والمصابيح. ولاننسى النار فهي أيضا مصدر للضوء.

ضوء== سرعة الضوء ==

كان الفلكيون يعتقدون أن الضوء ينتقل بسرعة لانهائية كما كان يُعتقد أن أي حدث يحدث في أي مكان في الكون يلاحظ في جميع النقاط الأخرى في الكون في الوقت ذاته. ويٌقال أن جاليلو قد حاول أن يقيسسرعة الضوء عام 1600 م ولكنة لم ينجح في تلك الفترة إلا بعد محاولات متعددة وأقتنع أن سرعة الضوء لانهائية أي لا يوجد شي أسرع من الضوء. ولكن في عام 1849 م نجح العالم فيزو بإعطاء قيمة لسرعة الضوء على كوكب الأرض. أما في الفضاء فان سرعة الضوء المطلقة هي (3exp8 m/s). وفي الأوساط المادية فينتقل الضوء بسرعة معتمدة على خواص الوسط. والعلاقة بين سرعة الضوء في الوسط (v) وسرعة الضوء في الفراغ c هي:

(c/n) == v == c.(ε.μ) (1/2)

حيث (v) سرعة الضوء في الوسط المادي.

وc سرعة الضوء في الفراغ وهي تساوي (3exp8 m/s).

و(ε) معامل السماحية الكهربائية أي (معامل سماح المجال الكهربائي للوسط).

و(μ) معامل النفاذيه المغناطيسية أي (معامل النفاذ للمجال المغناطيسي للوسط).

و (n=(c/v معامل الانكسار للوسط حيث يمثل النسبة سرعة الضوء بالفراغ وسرعة الضوء في الوسط أو (n^2= ε.μ) لذلك قيمته دائماً أكبر من الواحد.

سرعة الضوء في الماء هي ثلاثة أرباع سرعة الضوء في الفراغ. سرعة الضوء في الزجاج هي ثلثي سرعة الضوء في الفراغ.

حسبت سرعة الضوء بالفراغ وكانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، أما عند مرور الضوء في أوساط شفافة فان سرعته تقل كما أنه من الممكن ان يتعرض للانكسار والانعكاس حسب طبيعة الوسطين الذين يعبرهما.