طبيعة الضوء ونظرياته المختلفة
يُعد الضوء من أهم أنواع الطاقة وله العديد من الخصائص والنظريات سنتحدث في هذا المقال عن الضوء وطبيعته ونظرياته المختلفة التي وضعها العلماء.
نبذة عن الضوء
- هو نوع من أنواع الطاقة، ويتكون من موجات كهرومغناطيسية، فهو مزيج من الطاقة الكهربية والطاقة المغناطيسية، ويضم جميع الأطوال الموجية.
- ويُعتبر العالم المسلم الحسن بن الهيثم هو منشئ علم الضوء، حيث قام بوضع القوانين الأساسية له، وتبلغ سرعة الضوء في الفراغ حوالي 3*10 مرفوعة لأس ثمانية متر في الثانية.
- وله العديد من الخصائص الموجية والكمية والهندسية والفيزيائية، ومن أشهرها الانتشار والحيود والانعكاس والانكسار والتداخل والاستقطاب، كما أن للضوء خصائص جسيمية.
طبيعة الضوء
- يتكون الضوء من موجات، لها خصائصها، وقد تختلف عن موجات الماء، ويمكن تمثيل موجته بشكل بسيط عبارة عن شعاع يُمثل بخط مستقيم ويوضح اتجاهه.
- وتوجد أسهم تشير أعلى وأسفل الخط المستقيم وكذلك متعامدة عليه، تعتبر بمثابة المجال الكهربي للموجة، وتختلف تلك الأسهم في الطول.
- ولموجة الضوء عوامل عدة تتميز بها،
1- الطول الموجي
الذي يُرمز له بالرمز λ، وهو عبارة عن المسافة من قمة الموجة إلى القمة التي بعدها في الخط المستقيم من نموذج الموجة.
2- التردد f
وهو عبارة عن عدد المرات التي تكمل فيها دورة في الثانية، والسعة a، وهي أقصى مسافة للقمة أو عكسه أعلى وأسفل الخط المستقيم.
3- الزمن الدوري T
وهو الزمن اللازم لإكمال دورة كاملة، أما سرعة الانتشار، فهي المسافة التي تقطعها الموجة في الثانية الواحدة، ويمكن حساب سرعة الضوء بواسطة المعادلة الآتية c=λ. f
الفوتونات
- قام العالم الألماني ألبرت أينشتاين بوضع نموذج للضوء عندما يتصرف على أنه جسيم، وذلك عام 1905م، وتُسمى جسيمات الضوء بالفوتونات.
- يُعتبر المسار الذي يسلكه الفوتون في نموذج أينشتاين هو شعاع الضوء، وعند وجود مصباح يعمل على إرسال حزمة من الأشعة لضوئية، فإن تلك الحزمة تتكون من عدد كبير جداً من الفوتونات.
- وكل فوتون يسير في خط مستقيم، ومن خلال هذان النموذجان من الممكن أن يتساءل البعض هل الضوء موجة أم جسيم، فيكون الرد على ذلك أنه يتصرف في بعض التجارب كموجة.
- بينما يتصرف في بعض التجارب الأخرى كجسيم، وللضوء سرعة واحدة عندما يسير في الفراغ، وبذلك فهو مختلف عن الموجات الأخرى التي تتغير سرعتها.
- ويُعتبر امتلاك الضوء سرعة واحدة من أسس النظرية النسبية لأينشتاين، وعندما يصطدم الضوء بذرات إحدى المواد التي تعمل على تعطيله، فإنه يسير بنفس السرعة خلال تلك الذرات.
الطيف المرئي والكهرومغناطيسي
- يتكون الطيف المرئي من عدد من الموجات الكهرومغناطيسية، وتختلف ألوان الطيف المرئي، وهي سبعة ألوان وهي الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والنيلي والأزرق والبنفسجي.
- ويوجد لكل لون من ألوان الطيف طول موجي مختلف، بينما تكون سرعة كل من الموجات ثابتة وهي سرعة الضوء في الفراغ، ويشكل الطيف المرئي جزء بسيط من طيف الموجات الكهرومغناطيسية.
- ويتراوح الطول الموجي للضوء عمومًا بين 400 نانومتر، وهو الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية، إلى 700 نانومتر، وهو الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء.
نظريات الضوء
1- نظرية الجسيمات الضوئية
- قام باقتراح هذه النظرية العالم الفرنسي بيير جاسندي، وفضَّلها العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن، وقام بدراستها، وافترض أن الضوء يتكون من جزيئات مثل جزيئات المادة، وتأتي من مصدر في كل الاتجاهات.
- وذكر أن من خصائص الموجة ظهور شكل الموجة على هيئة تموجات، بينما يسير الضوء في خط مستقيم، وقام بتصور أن الضوء تنبعث منه جسيمات كروية ودقيقة، ولها سرعة منتظمة كبيرة جداً تختلف حسب الوسط.
- وذكر أيضًا أن موجة الضوء تتميز بالمرونة التامة، أي عند قدومها على سطح عاكس، فإن زاوية قدومها تساوي نفس زاوية انعكاسها، ويشبه ذلك اصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس.
- وبالنسبة لخاصية الانكسار، فقام بتفسيرها أنه عند اختراق الضوء للأوساط ذات كثافة مختلفة كالزجاج، فإنها تنكسر داخل تلك الأوساط وتنحرف عن مسارها.
- فإذا انتقل الضوء من الهواء إلى الماء، وحيث أن للماء كثافة اقل من الهواء، فإن الجسيمات تنحرف لأسفل، فتقترب الجسيمات من العمودي على السطح بين كلا الوسطين.
- مما يؤدي إلى ارتفاع السرعة، مما يعني أن سرعة الضوء في الوسط ذي الكثافة العالية تزداد عنها في الوسط ذي الكثافة الأقل، وهذا يتعارض مع ثبات سرعة الضوء في الفراغ.
- وأدى ذلك التعارض إلى عدم توصل نظرية نيوتن لتفسير لظاهرة الحيود والاستقطاب والتداخل.
2- النظرية الكهرومغناطيسية
- قام العالم الأسكتلندي ماكسويل بإيجاد أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية، وتبلغ سرعتها سرعة الضوء المعروفة، أي أن لها طاقة.
- وعندما تكون الموجة ساكنة فيمكن للشحنات الكهربية أن تولد مجال كهربي حولها، بينما يمكن أن تولد مجال مغناطيسي حولها عندما تكون متحركة.
- ووفقًا لقانون أمبير يتولد أيضًا مجال مغناطيسي عند حدوث تغير في المجال الكهربي، ووفقًا لقانون فاراداي يتولد مجال كهربي عند حدوث تغير في المجال المغناطيسي.
- ويُعتبر هذا هو تكوين موجة الضوء الكهرومغناطيسية، فهي تنتج عن شحنة كهربائية متذبذبة في الفضاء، تعمل على توليد مجال كهرومغناطيسي، يتكون من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي.
- ويتغير هذا المجال، ويتحرك بسرعة هي نفسها سرعة الضوء الاعتيادية.
- بينما يمكن التعبير عن شدة الضوء I، بأنه شدة تلك الموجة الكهرومغناطيسية، وهي عبارة عن مقدار الطاقة المنتقلة في وحدة المساحات، خلال وحدة الزمن، وعمودية على اتجاه انتشار الموجة.
3- نظرية النسبية العامة
- قام العالم الألماني ماكس بلانك بدراسة الطاقة الإشعاعية التي تأتي من الأجسام الساخنة، وقام بوضع قانون لها E=h.f، حيث يُعبر E عن الطاقة، وf عن التردد، بينما يعبر h عن ثابت بلانك.
- وينبعث الضوء على هيئة فوتونات، وقام العالم أينشتاين بوضع اقتراح مبني على فرض بلانك، وهو أن طاقة الضوء تنتشر في الفراغ على هيئة حزم من الفوتونات، يمكن أن تنبعث بشكل دفعات أو كم.
- كما اقترح أن الضوء يسلك عند مروره في الفراغ سلوك الجسيم، وهو الفوتون، وذلك يتعارض مع مبدأ النظرية الموجية للضوء.
- ولكن بعدها بفترة، قام أينشتاين بتأييد فكرة النظرية الموجية، وعارض فكرة سلوك الضوء كجسيم.
- وقد قام العالم الفرنسي دي بروجلي بوضع مبدأ في غاية الأهمية، وذلك في عام 1924م، وينص المبدأ على أن للضوء صفة مزدوجة.
- حيث يتصرف كموجة تحت بعض الظروف، وذلك يتفق مع النظرية التي وضعها العالم ماكسويل، ويقوم بتفسير ظواهر الانعكاس والانكسار، والحيود والتداخل والاستقطاب للضوء.
- كما يتصرف كجسيم وهو الفوتون، تحت ظروف أخرى، وذلك يتفق مع النظريات التي وضعها كلا من أينشتاين وماكسويل، ويقوم بتفسير تفاعل الضوء مع المواد، وكذلك ظاهرة كومبتون، وغيرها.
4- النظرية الموجية الكمية
- عند انتقال الطاقة في صورة حركة موجية، فيجب وجود وسط ما يتم الانتقال خلاله عن طريق تذبذب جزيئاته، وتقوم الجزيئات بالتأثير على الجزيئات المجاورة، وتذبذب هي الأخرى.
- تعتبر هذه انتقال الطاقة الموجية داخل المادة، كانتقال الصوت في الهواء أو جزيئات الماء، وتعتبر فكرة الأثير التي تم ابتكارها مثال على عملية هذا الانتقال، ولكن بالنسبة للضوء.
- ولكن تبعًا للنظرية الكهرومغناطيسية، فإن الضوء لا يحتاج إلى وسط للانتقال، فهو ينتقل في الفراغ، بسرعة ثابتة.
- ومن خلال نفس تلك النظرية فإن الموجة الكهرومغناطيسية تنتج عن تغير مجالين متوافقا في نفس التردد، أحد هذين المجالين كهربائي والآخر مغناطيسي.
رد مع اقتباس