الفيزياء البصرية: التاريخ ، المصطلحات المتكررة ، القوانين ، التطبيقات - جسدي - بدني - 2026

و البصريات الفيزيائية هي جزء من بصري دراسة الطبيعة الموجية للضوء والظواهر الفيزيائية التي فهمها إلا من نموذج الموجة. كما يدرس ظواهر التداخل والاستقطاب والانعراج والظواهر الأخرى التي لا يمكن تفسيرها من البصريات الهندسية.

يُعرِّف نموذج الموجة الضوء على أنه موجة كهرومغناطيسية تتأرجح مجالاتها الكهربائية والمغناطيسية بشكل عمودي على بعضها البعض.

موجه كهرومغناطيسية

يتصرف المجال الكهربائي (E) للموجة الضوئية بطريقة مشابهة لحقلها المغناطيسي (B) ، لكن المجال الكهربائي يسود على المجال المغناطيسي بسبب علاقة ماكسويل (1831-1879) ، والتي تحدد ما يلي:

حيث c = سرعة انتشار الموجة.

لا تفسر البصريات الفيزيائية طيف الامتصاص والانبعاث للذرات. من ناحية أخرى ، تتناول البصريات الكمومية دراسة هذه الظواهر الفيزيائية.

التاريخ

يبدأ تاريخ البصريات الفيزيائية بالتجارب التي أجراها جريمالدي (1613-1663) ، الذي لاحظ أن الظل الذي يلقيه جسم مضاء بدا أوسع ومحاطًا بخطوط ملونة.

دعا ظاهرة الانعراج المرصودة. قاده عمله التجريبي إلى اقتراح الطبيعة الموجية للضوء ، على عكس تصور إسحاق نيوتن الذي ساد خلال القرن الثامن عشر.

أثبت النموذج النيوتوني أن الضوء يتصرف مثل شعاع من الجسيمات الصغيرة ينتقل بسرعة عالية في مسارات مستقيمة.

دافع روبرت هوك (1635-1703) عن الطبيعة الموجية للضوء ، في دراساته حول اللون والانكسار ، مشيرًا إلى أن الضوء يتصرف مثل موجة صوتية تنتشر بسرعة على الفور تقريبًا عبر وسط مادي.

لاحقًا هيغنز (1629-1695) ، استنادًا إلى أفكار هوك ، عزز نظرية موجات الضوء في كتابه Traité de la lumière (1690) الذي افترض فيه أن موجات الضوء المنبعثة من الأجسام المضيئة تنتشر من خلال لوسط دقيق ومرن يسمى الأثير.

تشرح نظرية الموجات Huygens ظاهرة الانعكاس والانكسار والحيود بشكل أفضل بكثير من نظرية نيوتن الجسدية ، وتوضح أن سرعة الضوء تتناقص عند الانتقال من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة.

لم يقبل العلماء أفكار Huygens في ذلك الوقت لسببين. الأول كان استحالة شرح تعريف الأثير بشكل مرض ، والثاني هو مكانة نيوتن حول نظريته في الميكانيكا التي أثرت على الغالبية العظمى من العلماء لاتخاذ قرار بدعم النموذج الجسيمي للضوء.

ولادة جديدة لنظرية الموجة

في أوائل القرن التاسع عشر ، نجح توماس يونغ (1773-1829) في إقناع المجتمع العلمي بقبول نموذج هيغنز الموجي بناءً على نتائج تجربته في التداخل الضوئي. أتاحت التجربة تحديد الأطوال الموجية للألوان المختلفة.

في عام 1818 ، أعاد فرسنيل (1788-1827) صياغة نظرية موجة هيغنز من حيث مبدأ التداخل. كما شرح ظاهرة انكسار الضوء ، مما سمح له بالتأكيد على أن الضوء هو موجة عرضية.

في عام 1808 شرح أراغو (1788-1853) ومالوس (1775-1812) ظاهرة استقطاب الضوء من النموذج الموجي.

أتاحت النتائج التجريبية لـ Fizeau (1819-1896) في عام 1849 و Foucalt (1819-1868) في عام 1862 التحقق من أن الضوء ينتشر في الهواء أسرع منه في الماء ، بما يتعارض مع التفسير الذي قدمه نيوتن.

في عام 1872 ، نشر ماكسويل أطروحته حول الكهرباء والمغناطيسية ، والتي ذكر فيها المعادلات التي تصنع الكهرومغناطيسية. من معادلاته حصل على معادلة الموجة التي سمحت له بتحليل سلوك الموجة الكهرومغناطيسية.

وجد ماكسويل أن سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية مرتبطة بوسط الانتشار وتتزامن مع سرعة الضوء ، مستنتجًا أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية.

أخيرًا ، نجح هيرتز (1857-1894) عام 1888 في إنتاج واكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية وتأكيد أن الضوء نوع من الموجات الكهرومغناطيسية.

ماذا تدرس البصريات الفيزيائية؟

تدرس البصريات الفيزيائية الظواهر المتعلقة بالطبيعة الموجية للضوء ، مثل التداخل والحيود والاستقطاب.

التشوش

التداخل هو الظاهرة التي تتداخل بها موجتان أو أكثر من موجات الضوء ، تتعايش في نفس المنطقة من الفضاء ، وتشكل نطاقات من الضوء الساطع والداكن.

يتم إنتاج العصابات الساطعة عند إضافة موجات متعددة معًا لإنتاج موجة سعة أكبر. هذا النوع من التداخل يسمى التدخل البناء.

عندما تتداخل الموجات لإنتاج موجة ذات سعة أقل ، يسمى التداخل بالتداخل المدمر ، ويتم إنتاج نطاقات من الضوء الداكن.

التشوش

الطريقة التي يتم بها توزيع النطاقات الملونة تسمى نمط التداخل. يمكن رؤية التداخل في فقاعات الصابون أو طبقات الزيت على طريق مبلل.

الانحراف

ظاهرة الانعراج هي التغيير في اتجاه الانتشار الذي تتعرض له الموجة الضوئية عندما تصطدم بعائق أو فتحة ، مما يغير اتساعها ومرورها.

مثل ظاهرة التداخل ، فإن الانعراج هو نتيجة تراكب الموجات المتماسكة. اثنتان أو أكثر من موجات الضوء تكون متماسكة عندما تتأرجح بنفس التردد مع الحفاظ على علاقة طور ثابتة.

عندما يصبح العائق أصغر وأصغر مقارنة بطول الموجة ، تسود ظاهرة الانعكاس على ظاهرة الانعكاس والانكسار في تحديد توزيع أشعة الموجة الضوئية بمجرد اصطدامها بالعائق.

الاستقطاب

الاستقطاب هو الظاهرة الفيزيائية التي تهتز بها الموجة في اتجاه واحد عمودي على المستوى الذي يحتوي على المجال الكهربائي. إذا لم يكن للموجة اتجاه انتشار ثابت ، يقال أن الموجة ليست مستقطبة. هناك ثلاثة أنواع من الاستقطاب: الاستقطاب الخطي ، والاستقطاب الدائري ، والاستقطاب الإهليلجي.

إذا اهتزت الموجة موازية لخط ثابت يصف خطًا مستقيمًا في مستوى الاستقطاب ، فيُقال إنها مستقطبة خطيًا.

عندما يصف متجه المجال الكهربائي للموجة دائرة في المستوى عموديًا على نفس اتجاه الانتشار ، مع الحفاظ على حجمها ثابتًا ، يُقال إن الموجة مستقطبة دائريًا.

إذا كان متجه المجال الكهربائي للموجة يصف القطع الناقص في المستوى العمودي على نفس اتجاه الانتشار ، يقال إن الموجة مستقطبة بشكل بيضاوي.

مصطلحات متكررة في علم البصريات الفيزيائية

استقطاب

إنه مرشح يسمح فقط لجزء من الضوء الموجه في اتجاه واحد محدد بالمرور من خلاله دون السماح لتلك الموجات الموجهة في اتجاهات أخرى بالمرور.

جبهة الموجة

إنه السطح الهندسي الذي تكون فيه جميع أجزاء الموجة لها نفس المرحلة.

سعة الموجة والمرحلة

السعة هي أقصى استطالة للموجة. طور الموجة هو حالة اهتزاز في لحظة زمنية. موجتان في الطور عندما يكون لديهم نفس حالة الاهتزاز.

زاوية بروستر

إنها زاوية سقوط الضوء التي تنعكس بها موجة الضوء من المصدر مستقطبة بالكامل.

الأشعة تحت الحمراء

الضوء غير المرئي للعين البشرية في طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي من 700 نانومتر إلى 1000 ميكرومتر.

سرعة الضوء

هو ثابت سرعة انتشار الموجة الضوئية في الفراغ وقيمته 3 × 10 ⁸ م / ث. تختلف قيمة سرعة الضوء عندما ينتشر في وسط مادي.

الطول الموجي

مقياس للمسافة بين قمة وقمة أخرى أو بين واد ووادي آخر للموجة أثناء انتشارها.

فوق بنفسجي

الإشعاع الكهرومغناطيسي غير المرئي مع طيف أطوال موجية أقل من 400 نانومتر.

قوانين البصريات الفيزيائية

نورد أدناه بعض قوانين البصريات الفيزيائية التي تصف ظواهر الاستقطاب والتداخل

قوانين فرينيل وأراغو

1. لا تتداخل موجتان ضوئيتان ذات استقطابات خطية ومتماسكة ومتعامدة مع بعضها البعض لتشكيل نمط تداخل.

2. يمكن أن تتداخل موجتان من الضوء مع استقطابات خطية ومتماسكة ومتوازية في منطقة من الفضاء.

3. لا تتداخل موجتان من الضوء الطبيعي مع استقطابات خطية وغير متماسكة ومتعامدة مع بعضها البعض لتشكيل نمط تداخل.

قانون مالوس

ينص قانون Malus على أن شدة الضوء المنقول بواسطة المستقطب تتناسب طرديًا مع مربع جيب تمام الزاوية التي تشكل محور انتقال المستقطب ومحور استقطاب الضوء الساقط. بعبارات أخرى:

أنا = شدة الضوء المنقول بواسطة المستقطب

θ = الزاوية بين محور الإرسال ومحور الاستقطاب للحزمة الساقطة

أنا ₀ = شدة ضوء الحادث

قانون مالوس

قانون بروستر

يكون شعاع الضوء المنعكس عن سطح ما مستقطبًا بالكامل ، في الاتجاه الطبيعي لمستوى سقوط الضوء ، عندما تكون الزاوية التي تشكلها الحزمة المنعكسة مع الحزمة المنكسرة تساوي 90 درجة.

قانون بروستر

التطبيقات

بعض تطبيقات البصريات الفيزيائية هي في دراسة البلورات السائلة ، في تصميم الأنظمة البصرية ، وفي القياس البصري.

بلورات سائلة

البلورات السائلة هي المواد التي يتم الاحتفاظ بها بين الحالة الصلبة والحالة السائلة ، والتي تحتوي جزيئاتها على عزم ثنائي القطب يؤدي إلى استقطاب الضوء الذي يسقط عليها. من هذه الخاصية ، تم تطوير شاشات للآلات الحاسبة والشاشات وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة.

ساعة رقمية مع شاشة الكريستال السائل (LCD)

تصميم الأنظمة البصرية

غالبًا ما تستخدم الأنظمة البصرية في الحياة اليومية والعلوم والتكنولوجيا والرعاية الصحية. تسمح الأنظمة البصرية بمعالجة المعلومات وتسجيلها ونقلها من مصادر الضوء مثل الشمس أو LED أو مصباح التنجستن أو الليزر. من أمثلة الأنظمة الضوئية مقياس الحيود ومقياس التداخل.

علم القياس البصري

إنه مسؤول عن إجراء قياسات عالية الدقة للمعلمات الفيزيائية بناءً على الموجة الضوئية. يتم إجراء هذه القياسات بمقاييس التداخل وأجهزة الانكسار. في المجال الطبي ، يتم استخدام المترولوجيا لمراقبة العلامات الحيوية للمرضى باستمرار.

الأبحاث الحديثة في البصريات الفيزيائية

تأثير كيركر البصري الميكانيكي (AV Poshakinskiy1 و AN Poddubny ، 15 يناير 2019)

أظهر Poshakinskiy و Poddubny (1) أن الجسيمات النانوية ذات الحركة الاهتزازية يمكن أن تظهر تأثيرًا ميكانيكيًا بصريًا مشابهًا للتأثير الذي اقترحه Kerker وآخرون (2) في عام 1983.

تأثير كيركر هو ظاهرة بصرية تتمثل في الحصول على اتجاه قوي للضوء المنتشر بواسطة الجسيمات المغناطيسية الكروية. يتطلب هذا الاتجاه أن يكون للجسيمات استجابات مغناطيسية بنفس شدة القوى الكهربائية.

تأثير كيركر هو اقتراح نظري يتطلب جسيمات مادية بخصائص مغناطيسية وكهربائية غير موجودة حاليًا في الطبيعة ، وقد حقق بوشاكينسكي وبودوبني نفس التأثير على الجسيمات النانومترية ، دون استجابة مغناطيسية كبيرة ، تهتز في الفضاء.

أظهر المؤلفون أن اهتزازات الجسيمات يمكن أن تخلق استقطابات مغناطيسية وكهربائية متداخلة بشكل مناسب ، لأن مكونات قطبية مغناطيسية وكهربائية من نفس الحجم يتم تحفيزها في الجسيم عند النظر في تشتت الضوء غير المرن.

يقترح المؤلفون تطبيق التأثير الميكانيكي البصري على الأجهزة البصرية النانوية بجعلها تهتز عن طريق تطبيق الموجات الصوتية.

الاتصالات البصرية خارج الجسم (DR Dhatchayeny و YH Chung ، مايو 2019)

يقترح Dhatchayeny و Chung (3) نظام اتصال بصري تجريبي خارج الجسم (OEBC) يمكنه نقل معلومات الإشارات الحيوية للأشخاص من خلال التطبيقات على الهواتف المحمولة التي تعمل بتقنية Android. يتكون النظام من مجموعة من أجهزة الاستشعار ومحور الصمام الثنائي (مجموعة LED).

يتم وضع أجهزة الاستشعار في أجزاء مختلفة من الجسم لاكتشاف ومعالجة وإبلاغ العلامات الحيوية مثل النبض ودرجة حرارة الجسم ومعدل التنفس. يتم جمع البيانات من خلال مصفوفة LED ويتم نقلها عبر كاميرا الهاتف المحمول باستخدام التطبيق البصري.

تشع مصفوفة LED الضوء في نطاق الطول الموجي المتشتت لـ Rayleigh Gans Debye (RGB). يرتبط كل لون ومجموعات ألوان للضوء المنبعث بعلامات حيوية.

يمكن للنظام الذي اقترحه المؤلفون تسهيل مراقبة العلامات الحيوية بطريقة موثوقة ، نظرًا لأن الأخطاء في النتائج التجريبية كانت ضئيلة.

المراجع

1. تأثير كيركر البصري الميكانيكي. Poshakinskiy، AV and Poddubny، A N. 1، 2019، Physical Review X، Vol. 9، pp. 2160-3308.
2. التشتت الكهرومغناطيسي بواسطة المجالات المغناطيسية. Kerker، M، Wang، DS and Giles، C L. 6، 1982، Journal of the Optical Society of America، Vol.73.
3. اتصال بصري خارج الجسم باستخدام كاميرات الهواتف الذكية لنقل الإشارات الحيوية البشرية. Dhatchayeny، D and Chung، Y.15، 2019، Appl. Opt.، Vol. 58.
4. العزاوي ، أ.مبادئ وممارسات البصريات الفيزيائية. بوكا راتون ، فلوريدا: CRC Press Taylor & Francis Group ، 2006.
5. غراتان غينيس ، الموسوعة المصاحبة لتاريخ وفلسفة العلوم الرياضية. نيويورك ، الولايات المتحدة: روتليدج ، 1994 ، المجلد الثاني.
6. Akhmanov، SA and Nikitin، S Yu. البصريات الفيزيائية. نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد ، 2002.
7. Lipson، A، Lipson، SG and Lipson، H. البصريات الفيزيائية. كامبريدج ، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج ، 2011.
8. ميكلسون ، أ ر. البصريات الفيزيائية. نيويورك: Springer Science + Business Media ، 1992.
9. جينكينز ، اتحاد كرة القدم ووايت ، إتش إي. أساسيات البصريات. نيويورك: ماكجرو هيل للتعليم العالي ، 2001.