هل الضوء مادة ولماذا؟، منذ آلاف السنين تختلف وجهات نظر علماء الفيزياء حول طبيعة الضوء، هل هو مادة أم موجات كهرومغناطيسية، واستمر هذا الجدل لعدة قرون.
تعريف الضوء
- الضوء هو تشعب كهرومغناطيسي ينتشر على نطاق محدد من ترددات الإشعاع الكهرومغناطيسي.
- علاوة على ذلك، يمكن رؤية هذه الإشعاعات بالعين المجردة بوضوح تام، على العكس من الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى التي لا يستطيع الإنسان رؤيتها.
- هو حالة تنتشر بسرعة هائلة تصل إلى حوالي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية الواحدة، حيث ينتشر هذا الضوء على شكل موجات اهتزازية.
- بالإضافة إلى ذلك، طول الموجات الضوئية المرئية يتراوح حوالي ٧٠٠ ألف نانومتر، ويقع هذا الطول بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.
- تعتمد رؤية الإنسان للألوان على الضوء الواضح الذي يدخل عينه، بالإضافة إلى تحليل العين والدماغ لطبيعة هذه الألوان المختلفة.
خصائص الضوء
هناك العديد من الخصائص المختلفة للضوء وهي:
1- الانكسار
- يعد الانكسار خاصية للضوء، وهو عبارة عن تغير في مسار الأمواج الضوئية عند انتقالها من وسط مادي إلى وسط مادي آخر مختلف تماما عنه.
- أثناء انتقال الضوء بين المواد المختلفة، ينكسر بزاوية معينة تختلف وفقا لاختلاف سرعة انتشار الضوء، حيث ينكسر الضوء بشكل أكبر في الهواء بالمقارنة بالماء.
2- التداخل
- يعتبر التداخل من أهم خصائص الضوء، وذلك عندما يلتقي جسم معين بموجتين ضوئيتين في نفس المكان، فإن هذه الموجات ستتداخل مع بعضها البعض حيث تحتوي كل موجة منهم على ذروة وقاع.
- عندما يحدث التداخل، تتلاقى قمم الموجتين أو تتداخلان مع بعضهما، وفي هذه الحالة يصبح الضوء أقوى من الضوء الناتج عن موجة واحدة.
- بالإضافة إلى ذلك ، يوجد ما يسمى بالتداخل الهدام ، ويجب أن يحدث هذا النوع من التداخل عندما يلتقي قمة موجة ضوئية بقاع موجة أخرى ، حيث يقلل القاع من ارتفاع الموجة الأخرى بحيث تصبح نقطة الاجتماع بينهما مظلمة تماما.
3- الحيود والانتشار
- من المعروف أن الضوء يسلك مسارا مستقيما، ولكن عندما يمر الضوء من فتحة صغيرة، فإن موجات الضوء تنتشر عند حافتها الصغيرة. وهذه خاصية تعرف بـ `الحيود`.
- تكمن فائدة هذه الخاصية في الدراسات والأبحاث التي تركز على دراسة ألوان الإشعاع الضوئي المختلفة، ويتم ذلك من خلال استخدام جهاز الحزوز.
- تحتوي هذه الخاصية على فتحات صغيرة كثيرة، مما يسبب انحراف كميات ضئيلة جدا للموجات الضوئية عندما تمر عبر هذه الفتحات.
- بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذا الجهاز لمعرفة وتحليل الألوان المختلفة التي تأتي من النجوم، كما يمكن من خلاله معرفة المواد التي تتكون منها النجوم.
4- الانعكاس والتشتت
- الضوء يتميز بخاصية الانعكاس والتشتت عند تعرض جسم معين لأشعة الضوء، حيث يحتفظ الجسم بهذه الطاقة ويعكسها في جميع الاتجاهات المختلفة، وتسمى هذه الخاصية خاصية الانعكاس.
- وبالنسبة للتشتت، فإن هذه الخاصية تظهر عندما تختلف مؤشرات انكسار الضوء نتيجة لاختلاف طول الموجة لأشعة الضوء.
5- الاستقطاب
- يمكن للفرد أن يلاحظ خاصية الاستقطاب عن طريق تسليط الضوء على بلورة زجاجية محددة تكون موازية لبلورة أخرى شفافة، ويجب أن تكون إحدى البلورتين مائلة بزاوية قائمة.
- في هذا السياق، لا يمكن للضوء أن يمر، وبالتالي يمكن الحصول على الضوء المستقطب عن طريق انعكاسه، بالإضافة إلى ذلك، غالبا ما تكون زوايا السقوط للضوء مستقطبة.
هل الضوء مادة ولماذا؟
- تختلف آراء علماء الفيزياء حول طبيعة الموجات الضوئية، وكان العالم نيوتن أول من درس هذا المجال، إذ أشار إلى أن الموجات الضوئية تتألف من جسيمات مادية دقيقة تتحرك في تدفق كبير.
- وتمكن هذا العالم من تفسير جميع الظواهر الطبيعية الموجودة في ذلك الوقت استنادا إلى هذا المفهوم، وبناء على ذلك، فإن الموجات الضوئية تنعكس عندما تصطدم بالأسطح العادية، حيث تكون زاوية سقوط الأشعة الضوئية متساوية لزاوية الانعكاس.
- وكان للعالم الهولندي هيجنز رأي مختلف تماما عن نيوتن، حيث كان يرى أن الأشعة الضوئية عبارة عن موجات تنعكس مثلما تنعكس الموجات الصوتية.
- حينما يرى هذا العالم أن الضوء ينتشر بسرعة كبيرة في الماء، بينما يكون سرعة انتشار الضوء في الهواء أقل، وبالتالي ينكسر الضوء عند اجتيازه للواجهة، وفي هذه الحالة تتحول الأشعة الضوئية إلى موجات.
- بالإضافة إلى ذلك، يعتقد علماء الفيزياء بناء على رأي العالم نيوتن أن الأشعة الضوئية تتألف من ذرات مادية.
الضوء في القرن التاسع
- في بداية القرن التاسع، ظهر العالم الفيزيائي توماس. وقد رجح رأي العالم هيجنز، وقد استدل على ذلك بخاصية تداخل الضوء. ولم يكن لهذه الخاصية تفسير سوى أن الأشعة الضوئية عبارة عن موجات وليست جسيمات مادية.
- استمر هذا الجدل والنقاش بين هؤلاء العلماء لمدة ٢٥ عاما حتى ظهر العالم فريسنل في مجال الفيزياء، والذي نجح في قياس سرعة انتشار الأشعة الضوئية في الهواء والماء.
- حين أظ”(43087)” “حيث أظهرت صحة نظرية هيغنز بأن الضوء عبارة عن موجات وليست مادة، وبذلك سقطت نظرية نيوتن.
- لاحظ أينشتاين أن عند تسليط الأشعة الضوئية على سطح معدني، تنتشر الإلكترونيات الضوئية بشكل عشوائي ومتفرق، وهذا أمر غير طبيعي بالنسبة لهم، خاصة إذا كانت الضوء موجة.
- يجب أيضا أن نلاحظ أن الإلكترونيات الضوئية تبقى ثابتة ولا تتأثر سواء كانت شدة الشعاع الضوئي قوية أو ضعيفة، فإذا كانت الأشعة الضوئية تمثل موجات، فإن الضوء القوي سيؤدي إلى تشتت هذه الإلكترونيات الضوئية بشدة.
- لذلك، افترضت إينشتاين أن الأشعة الضوئية هي حزم ضوئية عالية الدقة تنتقل وتنشر على شكل موجات.
كيفية قياس سرعة الضوء
- حاول العديد من علماء الفيزياء ابتكار عدة طرق مختلفة لقياس وحساب سرعة الضوء، إذ يعتبر قانون السرعة هو أول ما اشتبكوا به، وينص هذا القانون على أن سرعة الضوء تساوي مسافة الضوء مقسومة على الزمن.
- لكن الأمر مختلف جدا وذلك بسبب سرعة الضوء الهائلة التي لا يمكن قياسها بسهولة. حاول العديد من العلماء إجراء العديد من التجارب لقياس سرعة الضوء بدقة، ولكنهم لم ينجحوا في ذلك.
- بعد ذلك، تم استخدام الساعات الذرية والليزر لقياس سرعة الضوء، وتوصلوا إلى نتائج دقيقة جدا أكثر من السابق.
- بعد مرور عام ١٩٧٠، تمكن العلماء من قياس سرعة الضوء ووصلوا إلى قيمة دقيقة عالية، وتم تحديد سرعة الضوء بقيمة ثابتة لا تتغير وهي 792.457.4 متر في الثانية الواحدة.
- بالإضافة إلى ذلك، سرعة الضوء ثابتة تماما في الفراغ ولا يمكن تغييرها، حيث تعد سرعة الضوء واحدة من أعلى السرعات الموجودة على الإطلاق.
مصادر الضوء
هناك العديد من مصادر الإضاءة، بما في ذلك المصادر الطبيعية والاصطناعية.
1- مصادر الضوء الطبيعية
- تعد الشمس والنجوم من أهم مصادر الإضاءة الطبيعية على سطح الأرض، حيث تنتج كلا من الشمس والنجوم الأشعة الضوئية بسبب ارتفاع حرارتها بشكل كبير.
- القمر أيضا من مصادر الضوء الطبيعية، حيث يعكس الأشعة الضوئية. يبدو القمر للمراقب كمصدر للضوء، ولكن الحقيقة تكمن في أنه يضيء بفضل الأشعة الضوئية الصادرة من الشمس.
- ومن بين المصادر الطبيعية المهمة للضوء هناك التلألؤ الحيوي لبعض الكائنات الحية، خاصة الكائنات البحرية مثل القناديل واليراعات، التي تنبت ضوءا مرئيا لجذب الكائنات الحية الأخرى.
2- مصادر الضوء الصناعية
هناك العديد من مصادر الإضاءة الصناعية والكهربائية، ومن أهم هذه المصادر.
المصابيح الزيتية
- استخدام هذه المصابيح يرجع إلى القرن الثامن عشر الميلادي، حيث تتألف من مصدر أساسي للوقود وإناء معدني للتحكم في حرق الوقود وضبط قوة وشدة الضوء.
- مع تطور المصابيح، تمت إضافة مداخن زجاجية لمنع انطفاء الشعلة وحمايتها من التأثيرات الجوية المحيطة بها.
مصابيح الوقود
- تعتبر مصابيح الوقود من أهم المصادر الصناعية في الحصول على النور، حيث تم استعمالها منذ القديم وكان الوقود المستخدم في تلك الفترة هو الشمع وزيت الزيتون وزيت السمك وزيت جوز الهند.
- ولكن مع بداية عام ١٨٥٩، ظهرت مصابيح الكيروسين ومصابيح الغاز والفحم، وذلك مع بدء عملية استخراج الفحم.
مصابيح الغاز
- يعتبر العالم الألماني فريدريك هو الشخص الذي اخترع أول مصابيح الغاز، حيث حصل هذا العالم في عام 1804 على براءة اختراع لاستخدام غاز الفحم في الإضاءة.
- انتشرت استخدام مصابيح الغاز بشكل واسع في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا، ولكن تم استبدالها بالمصابيح الكهربائية في أوائل القرن التاسع عشر.
المصابيح الكهربائية
- قدم العالم الفيزيائي توماس أديسون اختراع الإضاءة باستخدام المصابيح الكهربائية، وذلك عن طريق استخدام تيار كهربائي منخفض وبعض الخيوط الكربونية الصغيرة، بالإضافة إلى وجود فراغ لإظهار الضوء.
- قد نجح هذا العالم في ابتكار المصابيح الكهربائية التي استخدمت لفترات طويلة من الزمن.
مصابيح الفلورسنت
- قام كل من هانز وماير وجيرم بابتكار المصابيح الفلورسنت، وتتميز تلك المصابيح بتغليفها من الداخل لزيادة كفاءتها.
- بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مادة البريليوم في طلاء هذه المصابيح، ثم تم استبدال البريليوم بمواد كيميائية أخرى أكثر أمانا وكفاءة من هذه المادة.
مصابيح الهالوجين
- تعتبر مصابيح الهالوجين من الأنواع المتقدمة والمحسنة للمصابيح التقليدية المتوهجة، وتم ابتكار هذا النوع من المصابيح بواسطة المهندس موبي، الذي حصل على براءة اختراع من الولايات المتحدة الأمريكية لمصباح الهالوجين.
- يمكن استخدام مصباح التنغستن كقاعدة للمصباح الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك، تطورت العديد من الطرق لتصنيع وتطوير هذه المصابيح.
أنواع الضوء
هناك نوعين من الأشعة الضوئية وهما:
1- الضوء المرئي
- هو نوع واحد من الأشعة الضوئية الكهرومغناطيسية، وبالإضافة إلى ذلك، يتميز هذا النوع من الضوء بتردد واحد ويمكن للإنسان رؤيته.
- طول موجة هذا الضوء يتراوح بين ٤٠٠ و ٧٠٠ نانومتر، حيث يشمل الموجات الطويلة، وهي الموجات الحمراء، بينما تمثل الموجات القصيرة الأشعة فوق البنفسجية.
2- الضوء الغير مرئي
هذا الضوء هو طيف واسع وكبير من الأشعة الضوئية الكهرومغناطيسية وينقسم هذا الضوء إلى قسمين:
- تشمل الأمواج الطويلة أشعة الراديو والمايكرويف والأمواج تحت الحمراء.
- تشمل الموجات القصيرة الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية، والتي لا يمكن للعين البشرية رؤيتها بالعين المجردة، ولكن يمكن لبعض الحيوانات رؤية الأشعة فوق البنفسجية مثل النحل.
في نهاية المقال حول هل الضوء مادة ولماذا؟، قدمنا جميع المعلومات عن الضوء ومصادره الطبيعية والصناعية وإجابة على سؤال هل الضوء مادة ولماذا.
