ما هو الضوء الفيزيائي؟ اهتم العلماء والباحثون بدراسة الضوء على مر العصور نظرا لأهميته الكبيرة. سنتحدث في هذه المقالة عن الضوء الفيزيائي ومصادره وسرعته وخصائصه المتنوعة، وطبيعته الموجية والجسيمية.
نبذة عن الضوء الفيزيائي
- يهدف الضوء الفيزيائي إلى دراسة الضوء وطبيعته وخواصه الفيزيائية، والنظريات المختلفة التي وضعها العلماء، والضوء يعد واحدا من أولى الظواهر الطبيعية التي لفتت انتباه العلماء والباحثين.
- الضوء هو نوع من الطاقة، وهو عبارة عن مزيج من الموجات الكهربائية والمغناطيسية، ويتكون من موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة، حيث تتضمن جميع الأطوال الموجية.
- للقمر العديد من الخصائص التي يدرسها ويفسرها علم الفيزياء، ومن بين تلك الخصائص التداخل والانكسار والانتشار والتشتت والانعكاس والانتشار الكهروضوئي والاستقطاب.
شاهد أيضًا: إنجازات العلماء في سرعة الضوء وكيفية قياسه
مصادر الضوء
- يوجد العديد من مصادر الحرارة، ومن أشهرها المصادر الحرارية التي تصدر درجة حرارة معينة وتشترك في خصائص الطيف الضوئي، ومن بين أهم هذه المصادر الشمس.
- ويظهر هذا الانبعاث من الشمس عند درجة حرارة حوالي 6 آلاف درجة كلفانية، ومن مصادر الحرارة أيضا المصابيح المتوهجة.
- توجد مصادر إضاءة كيميائية، وتتمثل في الإشعاعات التي تنبعث عن المواد الكيميائية، وهناك مصادر إضاءة حيوية تتواجد في الكائنات الحية، مثل الخلايا التي تنتج الطاقة بهذه الطريقة.
- هناك آليات ضوئية حيوية وصوتية وكهربائية واحتكاكية، بالإضافة إلى الوميض والإشعاع الشيرينكوفي، وتعمل جميعها على إنتاج الضوء.
سرعة الضوء
- تكون سرعة الضوء في الفراغ ثابتة وتبلغ 3 × 10 مرفوعة لأس ثمانية أمتار في الثانية الواحدة، وعلى الرغم من تباين أطوال الموجة لأشعة الضوء، إلا أنها تتفق في السرعة.
- يتم تعبير سرعة الضوء في الفراغ بالحرف c، وتتعلق بالعلاقة c=λ، أما سرعة الضوء في وسط غير فراغي فتعبر عنها بالحرف v، وتكون سرعته أقل من سرعته في الفراغ.
- يعود ذلك إلى اختلاف معامل انكسار المادة الوسطى n، حيث يكون n=c/v، وبما أن قيمة c دائما أكبر من v، فإن معامل الانكسار للوسط يكون دائما أكبر من n>1.
الطبيعة الموجية للضوء
- الضوء يتألف من عدة موجات كهرومغناطيسية، وهي تختلف عن الموجات المعروفة مثل موجات الماء، وللضوء العديد من الخصائص المميزة.
- ومن خصائص موجات الطول مثل الطول الموجي λ، وهو المسافة بين قمتين في نموذج الموجة، والتردد f الذي يمكن تعريفه بعدد الدورات التي تتم خلال وحدة الزمن.
- وسعة الموجة أ، وهي أقصى مسافة بين القمة والنقطة المقابلة لها أعلى وأسفل خط نموذج الموجة، أما الزمن الدوري تي، فهو الزمن الذي يحدث خلاله دورة كاملة.
الضوء كجسيم
- اقترح العالم ألبرت أينشتاين في عام 1905 نموذجا يصف تصرف الضوء على أنه جسيم، وأطلق على هذه الجسيمات اسم الفوتونات.
- حيث يفترض أن الضوء القادم من مصدر مثل المصباح يكون عبارة عن حزمة تحتوي على عدد كبير من الفوتونات تسلك مسارا مستقيما.
- وفقا لما سبق حول طبيعة الضوء كموجة أو جسيم، يمكن تحديد أن الضوء يتصرف بشكل مزدوج بينهما، حيث يتصرف كموجة في بعض الظروف وكجسيم في ظروف أخرى.
خصائص الضوء
1- الحيود والانتشار
- يشير انكسار الضوء إلى انتشاره في خط مستقيم، ويعود هذا الانكسار إلى حقيقة أن الضوء يتصرف كموجة.
- تستخدم خاصية الانكسار لدراسة ألوان الضوء، وتكون ذات فائدة في تطوير التلسكوبات المستخدمة في أبحاث الفضاء، حيث تساعد على التعرف على المواد التي تتكون منها النجوم.
2- انعكاس الضوء
- يمكن تعريف انعكاس الضوء على أنه انعكاس أشعة الضوء عند ملامسة سطح ما، حيث يتم انعكاس جزء من الحزمة الضوئية، في حين يتم امتصاص جزء آخر، ويتم توجيه جزء ليكون ظاهرة الانكسار.
- عندما يصل شعاع إلى سطح عاكس بزاوية معينة، وليس عموديا عليه، فإنه ينكسر بزاوية تساوي زاوية الوصول، ويتم قياس الزاوية بواسطة الخط الرأسي على السطح.
يتم حساب قوة الشعاع المنعكس باستخدام قانون مقارنة مؤشري الانكسار لكل من الوسطين، وتوجد العديد من فوائد ظاهرة الانعكاس، ومن تطبيقات الانعكاس الكلي صناعة المنشور الثلاثي. - تتم صناعة الألياف البصرية التي تستخدم في مجال الاتصالات مثل الإنترنت، حيث تنقل المعلومات بسرعة كبيرة، وتستخدم أيضا في المجال الطبي.
3- انكسار الضوء
- يمكن تعريف ظاهرة انكسار الضوء على أنها تغير في مسار شعاع الضوء عندما يمر خلال وسطين ذوي كثافات مختلفة، فعندما تنتقل الأشعة الضوئية من وسط شفاف إلى وسط آخر، يحدث انكسار للضوء.
- يوضح قانونان يسميان سنيل-ديكارت كيفية حساب زاوية الانكسار، بواسطة العلاقة التالية، حيث n1 يمثل معامل انكسار الوسط الأول، وn2 يمثل معامل انكسار الوسط الثاني.
- يتضح من العلاقة أن زاوية الانكسار تقل كلما زاد معامل الانكسار، والعكس صحيح.
4- الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث هذه الظاهرة عندما يصطدم شعاع كهرومغناطيسي بسطح معدني، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات الموجودة في هذا السطح.
- وذلك يحدث بسبب امتصاص الإلكترونات المرتبطة بذرات السطح جزءا من طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى اكتساب الإلكترونات لطاقة حرارية وتحررها.
- طاقة الإلكترونات المتحررة لا تعتمد على شدة الإشعاع، ولكنها تعتمد على طول موجة الإشعاع. بالمقابل، يؤثر شدة الإشعاع على زيادة عدد الإلكترونات المتحررة.
- وقد شرح عالم الفيزياء ألبرت أينشتاين ذلك، حيث يتكون الضوء من جسيمات طاقة منفصلة يسمى فوتونات، ولكل فوتون طاقة تعبر عنها المعادلة E=hv، حيث h هو ثابت بلانك، وv هو التردد.
شاهد أيضًا: ما الفرق بين النور والضوء؟
استخدامات الضوء
للضوء العديد من الفوائد في مختلف المجالات الصناعية، ومنها:
- يستخدم الضوء فوق البنفسجي في عملية تطهير الأشياء، ويستخدم أيضا في صناعة التلسكوبات المستخدمة في أبحاث الفضاء وتحديد النجوم.
- يتم استخدام الأشعة السينية في الأشعة.
- تستخدم موجات الراديو في أجهزة الاتصال.
- تستخدم الألياف البصرية التي يعتمد عملها على انعكاس الضوء بالكامل في مجال الطب، وفي صناعة كابلات نقل المعلومات في مجال الاتصالات.
- تستخدم أشعة الجاما في صناعة قضبان الوقود في المحطات النووية.
- تستخدم موجات المايكروويف في تصنيع أجهزة المايكروويف لطهي الطعام.
النظرية النسبية العامة للضوء
- أجرى العالم بلانك دراسة للطاقة الإشعاعية المنبعثة من الأجسام الساخنة مثل الشمس، وحسب تلك الطاقة بواسطة القانون E=h.f، وتتألف أشعة الضوء من عدة فوتونات.
- استفاد العالم ألبرت أينشتاين بشكل كبير من هذا الاستنتاج، حيث قدم اقتراحا مبنيا على هذا الفرض، وهو أن الضوء ينتشر في الفراغ على شكل عدد كبير من الفوتونات.
- قد اقترح أن الضوء يتصرف كجسيم (الفوتون) في الفراغ، ولكن هذا يتعارض مع النظرية الموجية للضوء، ثم تم رفض فكرة سلوك الضوء كجسيم، وتم دعم فكرة النظرية الموجية.
- ثم قام العالم دي برويلي في عام 1924 م بتطوير مبدأ يتضمن أن الضوء يتصرف بطريقتين مختلفتين، حيث يتصرف كموجة في ظروف معينة ويتصرف كجسيم في ظروف أخرى.
- وبالتالي، تتفق تصرفات الضوء كموجة مع نظرية ماكسويل في الفيزياء، وهذا يساعد على شرح ظواهر الانعكاس والانكسار وغيرها من الخواص.
- فبينما تتفق نظريات ماكسويل وأينشتاين على تصرف الضوء كجسيم (الفوتون)، يساعد ذلك أيضا في تفسير ظاهرة كومبتون وظاهرة تفاعل الضوء مع المواد وغيرها.
شاهد أيضًا: بحث عن شرح نظرية انعكاس الضوء في المرايا
وفي نهاية هذا المقال حول ضوء الفيزياء؛ تمت مناقشة الضوء الفيزيائي ومصادره المتعددة وسرعته وخصائصه المختلفة والظاهرة الكهروضوئية ونظرية النسبية للضوء وبعض استخداماته.
