النور: التاريخ ، الطبيعة ، السلوك ، التكاثر - جسدي - بدني - 2026

على ضوء هو الموجات الكهرومغناطيسية يمكن أن يتم الكشف عن طريق حاسة البصر. يشكل جزءًا من الطيف الكهرومغناطيسي: ما يعرف بالضوء المرئي. على مر السنين ، تم اقتراح نظريات مختلفة لشرح طبيعتها.

على سبيل المثال ، كان الاعتقاد بأن الضوء يتكون من تيار من الجسيمات المنبعثة من الأشياء أو من عيون المراقبين سائدًا لفترة طويلة. وقد شارك إسحاق نيوتن (1642-1727) هذا الاعتقاد لدى العرب والإغريق القدماء لشرح ظاهرة الضوء.

الشكل 1. السماء زرقاء بسبب تشتت ضوء الشمس في الغلاف الجوي. المصدر: Pixabay.

على الرغم من أن نيوتن توصل إلى الشك في أن للضوء صفات موجية وتمكن كريستيان هويجنز (1629-1695) من تفسير الانكسار والانعكاس باستخدام نظرية الموجة ، إلا أن الاعتقاد بأن الضوء كجسيم كان منتشرًا بين جميع العلماء حتى بداية القرن التاسع عشر..

في فجر ذلك القرن ، أوضح الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ دون شك أن أشعة الضوء يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض ، تمامًا كما تفعل الموجات الميكانيكية في الأوتار.

قد يعني هذا فقط أن الضوء كان موجة وليس جسيمًا ، على الرغم من عدم معرفة أي شخص لنوع الموجة حتى عام 1873 ، ادعى جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء كان موجة كهرومغناطيسية.

بدعم من النتائج التجريبية لهينريش هيرتز في عام 1887 ، تم تأسيس الطبيعة الموجية للضوء كحقيقة علمية.

ولكن في بداية القرن العشرين ، ظهرت أدلة جديدة حول الطبيعة الجسدية للضوء. هذه الطبيعة موجودة في ظواهر الانبعاث والامتصاص ، حيث يتم نقل الطاقة الضوئية في حزم تسمى "الفوتونات".

وهكذا ، نظرًا لأن الضوء ينتشر كموجة ويتفاعل مع مادة مثل الجسيم ، يتم التعرف حاليًا على الطبيعة المزدوجة في الضوء: الجسيم الموجي.

طبيعة الضوء

من الواضح أن طبيعة الضوء مزدوجة ، تنتشر كموجة كهرومغناطيسية ، تأتي طاقتها في الفوتونات.

هذه ، التي ليس لها كتلة ، تتحرك في فراغ بسرعة ثابتة تبلغ 300000 كم / ثانية. إنها السرعة المعروفة للضوء في الفراغ ، لكن الضوء يمكن أن ينتقل عبر وسائط أخرى ، وإن كان بسرعات مختلفة.

عندما تصل الفوتونات إلى أعيننا ، يتم تنشيط أجهزة الاستشعار التي تكتشف وجود الضوء. تنتقل المعلومات إلى الدماغ ويتم تفسيرها هناك.

عندما يصدر مصدر عددًا كبيرًا من الفوتونات ، نراه كمصدر ساطع. على العكس من ذلك ، إذا كان يصدر القليل منها ، يتم تفسيره على أنه مصدر غير شفاف. لكل فوتون طاقة معينة يفسرها الدماغ على أنها لون. على سبيل المثال ، الفوتونات الزرقاء أكثر نشاطًا من الفوتونات الحمراء.

يُصدر أي مصدر بشكل عام فوتونات ذات طاقات مختلفة ، ومن هنا يأتي اللون الذي يُرى به.

إذا لم يكن هناك شيء آخر يصدر فوتونات بنوع واحد من الطاقة ، فإنه يطلق عليه ضوء أحادي اللون. الليزر هو مثال جيد للضوء أحادي اللون. أخيرًا ، يسمى توزيع الفوتونات في المصدر بالطيف.

تتميز الموجة أيضًا بوجود طول موجي معين. كما قلنا ، ينتمي الضوء إلى الطيف الكهرومغناطيسي ، الذي يغطي نطاقًا واسعًا للغاية من الأطوال الموجية ، من موجات الراديو إلى أشعة جاما. توضح الصورة التالية كيف يقوم شعاع من الضوء الأبيض بتشتيت منشور مثلثي. ينفصل الضوء إلى موجات طويلة (حمراء) وقصيرة (زرقاء).

في المنتصف يوجد النطاق الضيق للأطوال الموجية المعروف بالطيف المرئي ، والذي يتراوح من 400 نانومتر (نانومتر) إلى 700 نانومتر.

الشكل 2. يظهر الطيف الكهرومغناطيسي مدى الضوء المرئي. المصدر: المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. المؤلف: هورست فرانك.

سلوك الضوء

للضوء سلوك مزدوج وموجي وجسيمي كما تم فحصه. ينتشر الضوء بنفس طريقة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية ، وعلى هذا النحو ، فهو قادر على نقل الطاقة. ولكن عندما يتفاعل الضوء مع المادة ، فإنه يتصرف مثل حزمة من الجسيمات تسمى الفوتونات.

الشكل 4. انتشار الموجة الكهرومغناطيسية. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. سوبر مانو.

في عام 1802 ، أوضح الفيزيائي توماس يونغ (1773-1829) أن الضوء كان له سلوك موجي باستخدام تجربة الشق المزدوج.

وبهذه الطريقة كان قادرًا على إنتاج أقصى وأدنى تدخل على الشاشة. هذا السلوك نموذجي للموجات ، وبالتالي كان يونغ قادرًا على إثبات أن الضوء كان موجة وكان أيضًا قادرًا على قياس طول موجته.

الجانب الآخر للضوء هو الجسيم ، الذي يمثله حزم من الطاقة تسمى الفوتونات ، والتي تتحرك في الفراغ بسرعة c = 3 x 10 ⁸ m / s وليس لها كتلة. لكن لديهم طاقة E:

وكذلك زخم الحجم:

حيث h هو ثابت بلانك ، وقيمته 6.63 × 10 ^-34 جول. ثانية و f هو تردد الموجة. الجمع بين هذه التعبيرات:

وبما أن الطول الموجي λ والتردد مرتبطان بـ c = λ.f ، يبقى:

مبدأ Huygens

الشكل 5. موجة أمامية وأشعة ضوئية تنتشر في خط مستقيم. المصدر: Serway. ر. الفيزياء للعلوم والهندسة.

عند دراسة سلوك الضوء ، هناك مبدأان مهمان يجب مراعاتهما: مبدأ Huygens ومبدأ Fermat. ينص مبدأ Huygens على ما يلي:

لماذا الموجات الكروية؟ إذا افترضنا أن الوسط متجانس ، فإن الضوء المنبعث من مصدر نقطي سينتشر في جميع الاتجاهات بالتساوي. يمكننا تخيل الضوء ينتشر في منتصف كرة كبيرة مع توزيع الأشعة بالتساوي. من يراقب هذا الضوء يدرك أنه ينتقل في خط مستقيم باتجاه عينه ويتحرك عموديًا على مقدمة الموجة.

إذا كانت أشعة الضوء تأتي من مصدر بعيد جدًا ، على سبيل المثال الشمس ، فإن مقدمة الموجة تكون مسطحة والأشعة متوازية. هذا ما يدور حوله نهج البصريات الهندسية.

مبدأ فيرمات

ينص مبدأ فيرمات على ما يلي:

يدين هذا المبدأ باسم عالم الرياضيات الفرنسي بيير دي فيرمات (1601-1665) ، الذي أنشأه لأول مرة في عام 1662.

وفقًا لهذا المبدأ ، ينتشر الضوء في وسط متجانس بسرعة ثابتة ، وبالتالي يكون له حركة مستقيمة منتظمة ويكون مساره خطًا مستقيمًا.

انتشار الضوء

يسافر الضوء مثل الموجة الكهرومغناطيسية. يولد كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي بعضهما البعض ، مما يشكل موجات مقترنة في الطور ومتعامدة مع بعضها البعض وعلى اتجاه الانتشار.

بشكل عام ، يمكن وصف موجة تنتشر في الفضاء من حيث مقدمة الموجة. هذه هي مجموعة النقاط التي لها نفس السعة والطور. من خلال معرفة موقع واجهة الموجة في لحظة معينة ، يمكن معرفة أي موقع لاحق ، وفقًا لمبدأ Huygens.

الانحراف

انعراج الليزر بشق سداسي. لينزوتشيان

يتضح السلوك الموجي للضوء بوضوح من خلال ظاهرتين هامتين تنشأ أثناء انتشاره: الانعراج والتداخل. في الحيود ، تتشوه الموجات ، سواء كانت من الماء أو الصوت أو الضوء ، عندما تمر عبر الفتحات أو تلتف حول العوائق أو تلتف حول الزوايا.

إذا كانت الفتحة كبيرة مقارنة بطول الموجة ، فإن التشوه ليس كبيرًا جدًا ، ولكن إذا كانت الفتحة صغيرة ، يكون التغيير في شكل الموجة أكثر وضوحًا. الانعراج هو خاصية حصرية للموجات ، لذلك عندما يُظهر الضوء حيودًا نعرف أن له سلوك موجي.

التداخل والاستقطاب

من جانبه ، يحدث تداخل الضوء عندما تتداخل الموجات الكهرومغناطيسية التي تتكون منها. عند القيام بذلك ، تتم إضافتها بشكل متجه وقد يؤدي ذلك إلى ظهور نوعين من التداخل:

- بنائية: عندما تكون شدة الموجة الناتجة أكبر من شدة المكونات.

- مدمرة إذا كانت شدتها أقل من شدة المكونات.

يحدث تداخل الموجة الضوئية عندما تكون الموجات أحادية اللون وتحافظ على فرق الطور نفسه طوال الوقت. هذا يسمى الاتساق. ضوء مثل هذا يمكن أن يأتي من الليزر على سبيل المثال. المصادر الشائعة مثل المصابيح المتوهجة لا تنتج ضوءًا متماسكًا لأن الضوء المنبعث من ملايين الذرات في الفتيل يتغير باستمرار.

ولكن إذا تم وضع غطاء معتم به فتحتان صغيرتان بالقرب من بعضهما البعض على نفس المصباح الكهربائي ، فإن الضوء الذي يخرج من كل فتحة يعمل كمصدر متماسك.

أخيرًا ، عندما تكون اهتزازات المجال الكهرومغناطيسي كلها في نفس الاتجاه ، يحدث الاستقطاب. الضوء الطبيعي غير مستقطب ، لأنه يتكون من عدة مكونات ، كل منها يتأرجح في اتجاه مختلف.

تجربة يونغ

في بداية القرن التاسع عشر ، كان الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ أول من حصل على ضوء متماسك بمصدر ضوء عادي.

في تجربته الشهيرة ذات الشق المزدوج ، مرر الضوء عبر شق في شاشة غير شفافة. وفقًا لمبدأ Huygens ، يتم إنشاء مصدرين ثانويين ، والذي يمر بدوره من خلال شاشة غير شفافة ثانية ذات شقين.

الشكل 6. رسم متحرك لتجربة يونج ذات الشق المزدوج. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

وهكذا أضاء الضوء الذي تم الحصول عليه جدارًا في غرفة مظلمة. ما كان مرئيًا كان نمطًا يتكون من تناوب الضوء والمساحات المظلمة. يفسر وجود هذا النمط بظاهرة التداخل الموصوفة أعلاه.

كانت تجربة يونغ مهمة للغاية لأنها كشفت عن طبيعة موجة الضوء. بعد ذلك تم إجراء التجربة مع الجسيمات الأساسية مثل الإلكترونات والنيوترونات والبروتونات ، وكانت النتائج مماثلة.

ظواهر الضوء

انعكاس

انعكاس الضوء في الماء

عندما يصطدم شعاع الضوء بسطح ما ، يمكن أن ينعكس بعض الضوء ويمتص البعض الآخر. إذا كان وسيطًا شفافًا ، فإن بعض الضوء يستمر في طريقه من خلاله.

أيضًا ، يمكن أن يكون السطح أملسًا ، مثل المرآة ، أو خشنًا وغير مستوٍ. الانعكاس الذي يحدث على سطح أملس يسمى الانعكاس المرآوي ، وإلا فهو انعكاس منتشر أو انعكاس غير منتظم. يمكن أن يعكس السطح المصقول للغاية ، مثل المرآة ، ما يصل إلى 95٪ من الضوء الساقط.

انعكاس مرآوي

يوضح الشكل شعاعًا من الضوء ينتقل في وسط قد يكون عبارة عن هواء. يقع عند الزاوية θ ₁ على سطح مرآوي مستو وينعكس بزاوية θ ₂. الخط الذي يشير إلى الوضع الطبيعي عمودي على السطح.

زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس. المصدر: Serway. ر. الفيزياء للعلوم والهندسة.

كل من الحادث والشعاع المنعكس والعادي على السطح المرآوي في نفس المستوى. لاحظ الإغريق القدماء بالفعل أن زاوية الوقوع تساوي زاوية الانعكاس:

هذا التعبير الرياضي هو قانون انعكاس الضوء. ومع ذلك ، فإن الموجات الأخرى مثل الصوت على سبيل المثال ، قادرة أيضًا على الانعكاس.

معظم الأسطح خشنة ، وبالتالي فإن انعكاس الضوء منتشر. وبهذه الطريقة يتم إرسال الضوء الذي تعكسه إلى جميع الاتجاهات ، بحيث يمكن رؤية الأشياء من أي مكان.

نظرًا لأن بعض الأطوال الموجية تنعكس أكثر من غيرها ، فإن الكائنات لها ألوان مختلفة.

على سبيل المثال ، تعكس أوراق الأشجار الضوء الموجود تقريبًا في منتصف الطيف المرئي ، والذي يتوافق مع اللون الأخضر. يتم امتصاص باقي الأطوال الموجية المرئية: من الأشعة فوق البنفسجية القريبة من اللون الأزرق (350-450 نانومتر) والضوء الأحمر (650-700 نانومتر).

الانكسار

ظاهرة الانكسار. جوزيل 7

يحدث انكسار الضوء لأن الضوء ينتقل بسرعات مختلفة حسب الوسيط. في الفراغ ، تكون سرعة الضوء c = 3 x 10 ⁸ m / s ، ولكن عندما يصل الضوء إلى وسط مادي ، تنشأ عمليات الامتصاص والانبعاث التي تتسبب في انخفاض الطاقة ومعها السرعة.

على سبيل المثال ، عند التحرك في الهواء ، ينتقل الضوء بسرعة مساوية تقريبًا لـ c ، ولكن في الماء ، ينتقل الضوء عند ثلاثة أرباع c ، بينما في الزجاج ينتقل عند حوالي ثلثي c.

معامل الانكسار

يُشار إلى معامل الانكسار n ويُعرّف على أنه الحاصل بين سرعة الضوء في الفراغ c وسرعته في الوسط المذكور v:

دائمًا ما يكون معامل الانكسار أكبر من 1 ، لأن سرعة الضوء في الفراغ تكون دائمًا أكبر من سرعة وسط المادة. بعض القيم النموذجية لـ n هي:

-الهواء: 1.0003

- الماء: 1.33

-الزجاج: 1.5

-الماس: 2.42

قانون سنيل

عندما يضرب شعاع الضوء الحد الفاصل بين وسيطين بشكل غير مباشر ، مثل الهواء والزجاج على سبيل المثال ، ينعكس جزء من الضوء ويستمر جزء آخر في طريقه داخل الزجاج.

في هذه الحالة ، يتغير الطول الموجي والسرعة عند المرور من وسيط إلى آخر ، ولكن ليس التردد. بما أن v = c / n = λ.f وأيضًا في الفراغ c = λo. و ، ثم لدينا:

أي أن الطول الموجي في وسط معين يكون دائمًا أقل من الطول الموجي في الفراغ λ o.

الشكل 8. قانون سنيل. المصدر: الشكل الأيسر: رسم تخطيطي لانكسار الضوء. ريكس ، أ. أساسيات الفيزياء. الرقم الصحيح: ويكيميديا ​​كومنز. جوزيل 7.

لاحظ المثلثات التي لها وتر مشترك باللون الأحمر. في كل وسيط ، يقيس الوتر λ ₁ / sin θ ₁ و λ ₂ / sin θ ₂ على التوالي ، لأن λ و v متناسبان ، لذلك:

منذ λ = λ _o / n لدينا:

والتي يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

هذه هي صيغة قانون سنيل ، تكريما لعالم الرياضيات الهولندي ويلبرورد سنيل (1580-1626) ، الذي اشتقها تجريبيًا من خلال مراقبة الضوء الذي يمر من الهواء إلى الماء والزجاج.

بدلاً من ذلك ، يتم كتابة قانون سنيل من حيث سرعة الضوء في كل وسيط ، مع الاستفادة من تعريف معامل الانكسار: n = c / v:

تشتت

كما هو موضح أعلاه ، يتكون الضوء من فوتونات ذات طاقات مختلفة ، ويُنظر إلى كل طاقة على أنها لون. يحتوي الضوء الأبيض على فوتونات من جميع الطاقات ، وبالتالي يمكن تقسيمها إلى أضواء ملونة مختلفة. هذا هو تشتت الضوء الذي درسه نيوتن بالفعل.

تتصرف قطرات الماء في الغلاف الجوي مثل المنشورات الصغيرة. المصدر: Pixabay.

أخذ نيوتن منشورًا بصريًا ، ومرر شعاعًا من الضوء الأبيض خلاله ، وحصل على خطوط ملونة تتراوح من الأحمر إلى البنفسجي. هذا الهامش هو طيف الضوء المرئي في الشكل 2.

تشتت الضوء ظاهرة طبيعية نحب جمالها في السماء عندما يتشكل قوس قزح. يسقط ضوء الشمس على قطرات الماء في الغلاف الجوي ، والتي تعمل مثل موشورات صغيرة تشبه نيوتن ، وبالتالي تشتت الضوء.

اللون الأزرق الذي نرى به السماء هو أيضًا نتيجة للتشتت. غني بالنيتروجين والأكسجين ، ويشتت الغلاف الجوي بشكل أساسي ظلال اللون الأزرق والبنفسجي ، لكن العين البشرية أكثر حساسية للأزرق وبالتالي نرى السماء بهذا اللون.

عندما تكون الشمس منخفضة في الأفق ، أثناء شروق الشمس أو غروبها ، تتحول السماء إلى اللون البرتقالي بفضل حقيقة أن أشعة الضوء يجب أن تمر عبر طبقة سميكة من الغلاف الجوي. تتفاعل النغمات المحمرّة ذات الترددات المنخفضة بشكل أقل مع عناصر الغلاف الجوي وتستفيد من الوصول إلى السطح مباشرةً.

تتميز الأجواء الغزيرة بالغبار والتلوث ، مثل تلك الموجودة في بعض المدن الكبيرة ، بسماء رمادية بسبب تشتت الترددات المنخفضة.

نظريات حول الضوء

تم اعتبار الضوء بشكل أساسي كجسيم أو كموجة. اعتبرت النظرية الجسيمية التي دافع عنها نيوتن الضوء كحزمة من الجسيمات. في حين يمكن تفسير الانعكاس والانكسار بشكل كافٍ بافتراض أن الضوء كان موجة ، كما جادل Huygens.

لكن قبل هؤلاء العلماء البارزين بوقت طويل ، كان الناس قد تكهنوا بالفعل حول طبيعة الضوء. من بينهم الفيلسوف اليوناني أرسطو لا يمكن أن يكون غائبًا. فيما يلي ملخص موجز لنظريات الضوء بمرور الوقت:

نظرية أرسطو

منذ 2500 عام ادعى أرسطو أن الضوء يخرج من عيون المراقب ، ويضيء الأشياء ، ويعود بطريقة ما مع الصورة بحيث يمكن أن يقدرها الشخص.

نظرية الجسيمات نيوتن

اعتقد نيوتن أن الضوء يتكون من جسيمات دقيقة تنتشر في خط مستقيم في جميع الاتجاهات. عندما يصلون إلى العين ، يسجلون الإحساس كضوء.

نظرية موجة Huygens

نشر Huygens عملاً يسمى مقالة على الضوء اقترح فيه أن هذا كان اضطرابًا في الوسط مشابهًا للموجات الصوتية.

نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية

على الرغم من أن تجربة الشق المزدوج لم تترك أي شك في طبيعة موجة الضوء ، فقد كانت هناك تكهنات حول نوع الموجة في معظم القرن التاسع عشر ، حتى ذكر ماكسويل في نظريته الكهرومغناطيسية أن الضوء يتكون من انتشار المجال الكهرومغناطيسي.

الضوء كموجة كهرومغناطيسية يشرح ظاهرة انتشار الضوء كما هو موضح في الأقسام السابقة وهو مفهوم مقبول من قبل الفيزياء الحالية ، وكذلك الطبيعة الجسدية للضوء.

نظرية الجسيمات لآينشتاين

وفقًا للمفهوم الحديث للضوء ، فهو يتكون من جسيمات عديمة الكتلة وغير مشحونة تسمى الفوتونات. على الرغم من عدم وجود كتلة لديهم ، إلا أنهم يتمتعون بالزخم والطاقة ، كما هو موضح أعلاه. تشرح هذه النظرية بنجاح الطريقة التي يتفاعل بها الضوء مع المادة ، من خلال تبادل الطاقة بكميات منفصلة (كمية).

اقترح ألبرت أينشتاين وجود كوانتا الضوء لشرح التأثير الكهروضوئي الذي اكتشفه هاينريش هيرتز قبل بضع سنوات. يتكون التأثير الكهروضوئي من انبعاث الإلكترونات بواسطة مادة يصطدم بها نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وغالبًا ما يكون في النطاق من الأشعة فوق البنفسجية إلى الضوء المرئي.

المراجع

1. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 7. الموجات والفيزياء الكمومية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
2. فيزيائي. نظريات الضوء. تم الاسترجاع من: fisic.ch.
3. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. السادس. إد برنتيس هول.
4. حركة الموجة. مبدأ فيرمات. تم الاسترجاع من: sc.ehu.es.
5. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون.
6. روميرو ، O. 2009. الفيزياء. Santillana Hypertext.
7. Serway، R. 2019. الفيزياء للعلوم والهندسة. العاشر. الإصدار. المجلد 2. Cengage.
8. شيبمان ، ج. 2009. مقدمة في العلوم الفيزيائية. الطبعة الثانية عشرة. بروكس / كول ، إصدارات Cengage.
9. ويكيبيديا. ضوء. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.