طبيعة الضوء والنظريات المختلفة حوله. الضوء يعد من أهم أنواع الطاقة، وله العديد من الخصائص والنظريات. سنتحدث في هذا المقال عن الضوء وطبيعته والنظريات المختلفة التي وضعها العلماء.
نبذة عن الضوء
- هو نوع من أنواع الطاقة، وهو يتكون من موجات كهرومغناطيسية؛ فهو تركيب من الطاقة الكهربائية والطاقة المغناطيسية، ويشمل جميع أطوال الموجات.
- يعد العالم المسلم الحسن بن الهيثم مؤسس علم الضوء، حيث وضع القوانين الأساسية له، وتقدر سرعة الضوء في الفراغ بحوالي 3*10 مرفعة لأس ثمانية متر في الثانية.
- وتتميز بخصائص موجية وكمية وهندسية وفيزيائية متعددة، ومن أبرز هذه الخصائص الانتشار والانحراف والانعكاس والانكسار والتداخل والاستقطاب، وهناك أيضا خصائص جسيمية للضوء.
شاهد أيضًا: ما الفرق بين النور والضوء؟
طبيعة الضوء
- الضوء يتألف من موجات، لها خصائصها الخاصة، ويمكن أن تختلف عن موجات الماء، ويمكن تمثيل الموجة بشكل بسيط عن طريق شعاع يرمز له بخط مستقيم يوضح اتجاهه.
- وهناك أسهم تشير إلى الأعلى والأسفل على الخط المستقيم وأسهم متعامدة عليه، وتعتبر هذه الأسهم المجال الكهربائي للموجة، وتختلف في الطول.
- ولموجة الضوء عوامل عدة تتميز بها،
1- الطول الموجي
يرمز إليه بالرمز λ، وهو المسافة بين قمة الموجة والقمة التالية على الخط المستقيم في نموذج الموجة.
2- التردد f
هو عدد المرات التي يتم فيها اكتمال دورة في الثانية، والسعة a هي أقصى مسافة للقمة أو النقطة العكسية فوق أو تحت الخط المستقيم.
3- الزمن الدوري T
وهو الزمن الضروري لاستكمال دورة كاملة، وبالنسبة لسرعة الانتشار، فإنها المسافة التي يقطعها الموجة في الثانية الواحدة، ويمكن حساب سرعة الضوء بواسطة المعادلة التالية c=λ. f
الفوتونات
- ألبرت أينشتاين، العالم الألماني، وضع نموذجا للضوء عندما يتصرف كجسيم، وذلك في عام 1905م، وتسمى جسيمات الضوء فوتونات.
- يتمثل مسار الفوتون في نموذج أينشتاين في شعاع الضوء، وعند وجود مصباح يرسل حزمة من الأشعة الضوئية، تتألف تلك الحزمة من عدد هائل من الفوتونات.
- يسلك كل فوتون خطا مستقيما، ومن خلال هاتين النموذجتين يمكن للبعض أن يتساءل هل الضوء موجة أم جسيم، والجواب على ذلك هو أنه يتصرف كموجة في بعض التجارب.
- أما في بعض التجارب الأخرى كجسيم، فإن للضوء سرعة واحدة عند سفره في الفراغ، وبالتالي يختلف عن الموجات الأخرى التي تتغير سرعتها.
- امتلاك الضوء سرعة ثابتة هو أحد أسس نظرية النسبية لأينشتاين، وعندما يتصادم الضوء بالجسيمات في المواد التي تعيقه، يستمر في السير بنفس السرعة خلال تلك الجسيمات.
الطيف المرئي والكهرومغناطيسي
- يتألف الطيف المرئي من مجموعة موجات كهرومغناطيسية مختلفة، وتتكون ألوان الطيف المرئي من سبعة ألوان وهي الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي.
- لكل لون من ألوان الطيف طول موجي مختلف، بينما تكون سرعة الموجات ثابتة وهي سرعة الضوء في الفراغ، ويشكل الطيف المرئي جزء صغير من طيف الموجات الكهرومغناطيسية.
- يتراوح طول الموجة للضوء بشكل عام بين 400 نانومتر، وهو طول الموجة للأشعة فوق البنفسجية، إلى 700 نانومتر، وهو طول الموجة للأشعة تحت الحمراء.
نظريات الضوء
1- نظرية الجسيمات الضوئية
- صاغ هذه النظرية العالم الفرنسي بيير جاسندي، وأعجب بها العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن ودرسها، وافترض أن الضوء يتألف من جزيئات مشابهة لجزيئات المادة وتأتي من مصدر في جميع الاتجاهات.
- وذكرت أنه من خصائص الموجة أن تظهر على شكل تموجات، في حين يسلك الضوء مسارا مستقيما، وقد تصور أن الضوء ينبعث منه جسيمات كروية صغيرة، وتتمتع بسرعة كبيرة وثابتة تختلف حسب الوسط.
- يذكر أيضا أن الموجة الضوئية تتميز بالمرونة الكاملة، وعندما تصل إلى سطح عاكس، يتم انعكاسها بنفس زاوية وصولها. يشبه هذا التفاعل اصطدام كرة مرنة بسطح مستو.
- بالنسبة لخاصية الانكسار، يمكن تفسيرها عندما يمر الضوء عبر وسط ذو كثافة مختلفة مثل الزجاج، فإنه ينكسر داخل تلك الوسط وينحرف عن مساره.
- عندما ينتقل الضوء من الهواء إلى الماء، ونظرا لأن كثافة الماء أقل من الهواء، فإن الجسيمات تنحرف نحو الأسفل، وتقترب من العمود الرأسي على سطح الوسطين.
- هذا يؤدي إلى زيادة السرعة، مما يعني أن سرعة الضوء في وسط ذي كثافة عالية تزداد عن سرعتها في وسط ذي كثافة أقل، وهذا يتعارض مع ثبات سرعة الضوء في الفراغ.
- وبسبب هذا التضارب، لم يتوصل نظرية نيوتن إلى تفسير لظاهرة الانكسار والاستقطاب والتداخل.
2- النظرية الكهرومغناطيسية
- اكتشف العالم الأسكتلندي ماكسويل أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية، وتسير بسرعة الضوء المعروفة، أي أن لديها طاقة.
- عندما تكون الموجة ثابتة، يمكن للشحنات الكهربائية أن تكون حقلا كهربائيا حولها، بينما عندما تكون متحركة، يمكن أن تكون حقلا مغناطيسيا حولها.
- ووفقا لقانون أمبير، ينشأ أيضا مجال مغناطيسي عند حدوث تغير في المجال الكهربائي، ووفقا لقانون فاراداي، ينشأ مجال كهربائي عند حدوث تغير في المجال المغناطيسي.
- وهذا هو تشكيل موجة الضوء الكهرومغناطيسية، إذ تتكون من تذبذب شحنة كهربائية في الفضاء، تعمل على إنتاج مجال كهرومغناطيسي يتألف من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي.
- يتغير هذا المجال بسرعة تعادل سرعة الضوء العادية.
- يمكن التعبير عن شدة الضوء I عن طريق كمية الطاقة التي تنتقل في وحدة المساحة خلال وحدة الزمن وعموديا على اتجاه انتشار الموجة.
3- نظرية النسبية العامة
- قام العالم الألماني ماكس بلانك بدراسة الطاقة الإشعاعية التي تأتي من الأجسام الساخنة، ووضع قانون لها E=h.f، حيث يعبر عن الطاقة بـ E، وعن التردد بـ f، وثابت بلانك بـ h.
- يتم إطلاق الضوء على شكل فوتونات، وقد قدم العالم أينشتاين اقتراحا مبنيا على فرضية بلانك، وهي أن طاقة الضوء تنتشر في الفراغ على شكل حزم من الفوتونات، ويمكن أن تطلق بشكل متقطع أو كمي.
- تم اقتراح أيضا أن الضوء يتصرف عند مروره في الفراغ على نحو يتعارض مع سلوك الجسيم، وهو الفوتون، وهذا يتعارض مع مبدأ النظرية الموجية للضوء.
- لكن بعد فترة، أينشتاين أيد فكرة النظرية الموجية وعارض فكرة سلوك الضوء كجسيم.
- قام العالم الفرنسي دي بروجلي بإقرار مبدأ هام جدا في عام 1924، وينص المبدأ على أن الضوء لديه صفة مزدوجة.
- يتصرف الضوء مثل الموجة في بعض الحالات، وهذا يتماشى مع النظرية التي وضعها العالم ماكسويل، حيث تشرح هذه النظرية ظواهر الانعكاس والانكسار والتداخل والانحراف والتداخل واستقطاب الضوء.
- يتصرف أيضا كذراع جسمي، وهو الفوتون، في ظروف أخرى، وهذا يتفق مع النظريات التي وضعها أينشتاين وماكسويل، ويقوم بتفسير تفاعل الضوء مع المواد، بالإضافة إلى ظاهرة كومبتون وغيرها.
شاهد أيضًا: بحث عن شرح نظرية انعكاس الضوء في المرايا
4- النظرية الموجية الكمية
- عند نقل الطاقة عبر الحركة الموجية، يجب أن يكون هناك وسط يتم نقل الطاقة من خلاله عن طريق اهتزاز جزيئاته، وتؤثر الجزيئات على الجزيئات المجاورة وتهتز بدورها.
- يتمثل هذا الانتقال في نقل الطاقة الموجية داخل المادة، مثل نقل الصوت في الهواء أو جزيئات الماء، وتعتبر فكرة الأثير، التي تم ابتكارها، مثالا على هذه العملية، ولكن بالنسبة للضوء.
- وفقا للنظرية الكهرومغناطيسية، الضوء لا يحتاج إلى وسط للانتقال، بل يمكنه التحرك في الفراغ بسرعة ثابتة.
- وبناء على نفس النظرية، تتولد الموجة الكهرومغناطيسية نتيجة تغيرات في مجالين متوافقين في نفس التردد، حيث يكون أحدهما كهربائيا والآخر مغناطيسيا.
شاهد أيضًا: موضوع عن انعكاس الضوء
في ختام هذه المقالة حول طبيعة الضوء والنظريات المختلفة المتعلقة به، قمنا بالحديث عن الضوء وطبيعته، سواء كان يعتبر موجة أو جسيم أو كلاهما، بالإضافة إلى التطرق إلى الفوتونات والنظريات المختلفة التي وضعها العلماء بشأن الضوء.
