الضوء هو شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يسمح لنا برؤية الأشياء من حولنا. لها خصائص كل من الموجات والجسيمات.
ينتقل الضوء على شكل موجات. الخصائص الرئيسية لموجات الضوء هي:
- الطول الموجي - المسافة بين قمم الموجات المتتالية. يحدد لون الضوء المرئي. الأطوال الموجية الأقصر تقع في اتجاه الطرف البنفسجي من الطيف، في حين أن الأطوال الموجية الأطول تقع في اتجاه الطرف الأحمر.
- التردد - عدد دورات الموجة التي تمر بنقطة واحدة لكل وحدة زمنية. يتم قياسه بالهرتز. يحدد التردد لون الضوء المرئي، حيث تكون الترددات الأعلى باللون البنفسجي والترددات المنخفضة باللون الأحمر.
- السعة - ارتفاع الموجة من القمة إلى القاع. فهو يحدد شدة أو سطوع الضوء. السعة الأعلى تعني ضوءًا أكثر سطوعًا.
- السرعة - تنتقل موجات الضوء بسرعة عالية جدًا تبلغ 300000 كيلومتر/ثانية في الفراغ. يشار إلى هذه السرعة عادةً باسم سرعة الضوء ويشار إليها بالحرف c.
يعرض الضوء خصائص كل من الموجات والجسيمات. يتم تفسير الطبيعة الموجية والجسيمية المزدوجة للضوء بواسطة ميكانيكا الكم. يتم تكميم الجانب الجسيمي للضوء في حزم منفصلة تسمى الفوتونات.
سرعة الضوء
سرعة الضوء في الفراغ، والتي يشار إليها عادةً بـ c، هي ثابت فيزيائي عالمي مهم في العديد من مجالات الفيزياء. ينتشر الضوء بهذه السرعة في الفراغ بغض النظر عن حركة المصدر أو الإطار المرجعي بالقصور الذاتي للمراقب.
تبلغ سرعة الضوء في الفراغ بالضبط 299,792,458 مترًا في الثانية. وتمثل هذه السرعة الحد الأعلى لجميع المواد والمعلومات في الكون للسفر. السبب وراء وجود حد لسرعة الضوء هو أن الضوء، مثل الفوتونات، يُظهر خصائص كل من الموجة والجسيم. كموجة، لا يحتاج الضوء إلى وسط للانتشار ويمكنه الانتقال عبر الفراغ. كجسيم، الفوتونات ليس لها كتلة ولكنها لا تزال تحتفظ بالزخم والطاقة.
في حين أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة، فإن سرعة الضوء عبر المواد الشفافة المختلفة يمكن أن تختلف. وذلك لأنه عندما ينتقل الضوء عبر وسط ما، تمتصه ذرات المادة ثم يعاد إصداره بسرعة، مما يبطئه مقارنة بسرعته في الفراغ. على سبيل المثال، تبلغ سرعة الضوء في الماء حوالي 225.000.000 م/ث وفي الزجاج حوالي 200.000.000 م/ث. ومع ذلك، عندما يخرج الضوء من المادة، فإنه يستعيد سرعته الأصلية في الفراغ.
كيف ينتقل الضوء
ينتقل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. تحتوي هذه الموجات على مجال كهربائي متذبذب ومجال مغناطيسي متذبذب متعامدين مع بعضهما البعض وعلى اتجاه انتشار الموجة. تتسبب المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة في انتشار بعضها البعض بشكل مستمر عبر الفضاء بسرعة الضوء.
أثناء انتقال الموجة الكهرومغناطيسية، ترتفع وتنخفض شدة المجال الكهربائي والمغناطيسي بشكل دوري. المسافة بين القمم أو القيعان المتعاقبة للموجة الكهرومغناطيسية تسمى الطول الموجي. ويسمى عدد دورات الموجة التي تمر بنقطة واحدة لكل وحدة زمنية بالتردد.
تمتد موجات الضوء على نطاق واسع من الأطوال الموجية والترددات عبر الطيف الكهرومغناطيسي، من موجات الراديو على نهاية الطول الموجي الطويل إلى أشعة جاما على الطول الموجي القصير، نهاية التردد العالي. الضوء المرئي الذي يمكن للبشر رؤيته يحتل شريحة صغيرة فقط في المنتصف. لكن كل هذه الأنواع المختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي تنتقل بنفس السرعة في الفراغ - الحد الأقصى للسرعة العالمية هو حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية.
تتمتع المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة لموجة الضوء الكهرومغناطيسية بالقدرة على نقل الطاقة من خلال التفاعلات مع الجسيمات المشحونة. وهذا يسمح بإصدار موجات الضوء، وامتصاصها، وانعكاسها، وانكسارها، وحيودها، وتشتتها، والمزيد أثناء انتشارها. باختصار، ينتقل الضوء كموجة كهرومغناطيسية ذاتية الانتشار مع مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة متعامدة مع اتجاه السفر.
الانعكاس والانكسار
يتفاعل الضوء مع المادة بطرق مختلفة. التفاعلان الرئيسيان هما الانعكاس والانكسار.
انعكاس
عندما يسقط الضوء على سطح أملس، ينعكس بعض الضوء. وهذا يعني أن الضوء يرتد عن السطح ويستمر في السفر في اتجاه جديد. الزاوية التي ينعكس بها الضوء تساوي الزاوية التي يسقط بها الضوء على السطح. وهذا ما يعرف بقانون الانعكاس.
ويحدث الانعكاس عندما يكون هناك تغير في الوسط ولا يستطيع الضوء المرور من خلاله. على سبيل المثال، لا يمكن للضوء المرئي أن يمر عبر المعادن. عندما يسقط الضوء على سطح معدني، ينعكس كل الضوء. تعكس معظم الأسطح اللامعة مثل المرايا الضوء بهذه الطريقة، مما يسمح لنا برؤية الانعكاسات.
الانكسار
يحدث الانكسار عندما ينتقل الضوء من وسط شفاف إلى آخر، مثل الهواء إلى الماء. عندما يتحرك الضوء بين الوسائط، تتغير سرعته وينحني أو ينكسر.
يعتمد مقدار الانحناء على معاملات الانكسار للوسطين. على سبيل المثال، يتحرك الضوء عبر الماء بشكل أبطأ من الهواء. عندما يمر الضوء في الماء، فإن التغير في سرعته يؤدي إلى انحناءه نحو الخط الطبيعي. عندما يخرج الضوء من الماء عائداً إلى الهواء، فإنه يتسارع وينحني بعيداً عن الخط الطبيعي.
الانكسار هو المسؤول عن مجموعة متنوعة من الظواهر البصرية مثل العدسات، المنشور، وقوس قزح. إنها تمكن الضوء من السفر حول الزوايا وتسمح بنقل المعلومات عبر الألياف الضوئية. إن فهم مبادئ الانكسار هو المفتاح لكثير من البصريات الحديثة.
الحيود والتداخل
يُظهر الضوء خصائص تشبه الموجة مثل الحيود والتداخل عندما يواجه عوائق أو شقوقًا.
يشير الحيود إلى قدرة موجات الضوء على الانحناء حول الزوايا والانتشار بعد مرورها عبر فتحات صغيرة. سوف تنحرف موجات الضوء وتنتشر عندما تمر عبر فتحة ضيقة أو حول عائق. يؤدي هذا إلى تداخل الموجات مع بعضها البعض وإنتاج نمط حيود مع نطاقات ساطعة ومظلمة متناوبة. يسمح الحيود لموجات الضوء بالانحناء والانتشار، مما يمكنها من الانتقال إلى مناطق الظل.
يحدث التداخل عندما تتداخل وتتحد موجتان ضوئيتان أو أكثر. إذا كانت الموجات في الطور، فإنها تتداخل بشكل بناء وتضخم بعضها البعض، مما يؤدي إلى ظهور أشرطة ساطعة. إذا كانت خارج الطور، فإنها تتداخل بشكل مدمر وتلغي بعضها البعض، مما يؤدي إلى ظهور خطوط داكنة. يعتمد نمط التداخل على الطول الموجي للضوء والفرق في أطوال المسار. يمكن أن تتداخل موجات الضوء بشكل بناء أو هدام لإنتاج أهداب مشرقة ومظلمة.
يوضح الحيود والتداخل الخصائص الموجية للضوء. عندما ينتشر الضوء، يمكن أن ينحني حول الأشياء، وينتشر، ويتداخل مع نفسه بشكل بناء أو هدّام. تسمح سلوكيات الموجات هذه للضوء بالانتقال إلى مناطق الظل وإنتاج أنماط التداخل.
انبعاث الضوء
يمكن أن ينبعث الضوء بعدة طرق. واحدة من أكثرها شيوعا هي من خلال تسريع الرسوم. عندما تتسارع الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات، فإنها تنبعث منها إشعاعات كهرومغناطيسية على شكل فوتونات. تتضمن بعض الأمثلة على انبعاث الضوء عبر الشحنات المتسارعة ما يلي:
الثنائيات الباعثة للضوء (LED)
تحتوي مصابيح LED على شريحة شبه موصلة مغطاة بالبلاستيك. عندما يمر التيار عبر شبه الموصل، يتم تسريع الإلكترونات وإطلاق الفوتونات. يعتمد لون الضوء على مادة أشباه الموصلات المستخدمة. تعتبر مصابيح LED مصادر إضاءة موفرة للطاقة وطويلة الأمد، وتستخدم في شاشات العرض واللافتات والإضاءة.
المصابيح الفلورية
تحتوي مصابيح الفلورسنت على بخار الزئبق الذي ينبعث منه ضوء فوق بنفسجي عند إثارة الكهرباء. يتم امتصاص ضوء الأشعة فوق البنفسجية بواسطة طبقة فوسفورية داخل المصباح، مما يؤدي إلى تألقه وإصدار ضوء مرئي. يحدد طلاء الفوسفور لون الضوء.
الإشعاع الحراري
عندما يتم تسخين المواد، تهتز ذراتها بشكل أسرع. تتسارع الجسيمات المشحونة في الذرات أثناء اهتزازها، مما ينبعث منها إشعاع كهرومغناطيسي. كلما كان الجسم أكثر سخونة، زادت سرعة اهتزاز ذراته، كما قل طول الموجة (التردد الأعلى) للإشعاع الحراري الذي ينبعث منه. تبعث الأجسام الساخنة مثل الشمس والمصابيح المتوهجة إشعاعًا حراريًا في الطيف المرئي الذي تكتشفه أعيننا على أنه ضوء.
باختصار، يمكن إنتاج الضوء من خلال الشحنات المتسارعة عندما تتسبب الطاقة في تحرك الإلكترونات الموجودة في الذرات والجزيئات بشكل أسرع وإصدار الفوتونات. يتم استخدام هذه العملية في العديد من مصادر الضوء التي تعتبر ضرورية للتكنولوجيا الحديثة والإضاءة.
امتصاص الضوء
عندما يواجه الضوء مادة، مثل الغازات والسوائل والمواد الصلبة والبلازما، قد يتم امتصاص بعض الضوء. يحدث امتصاص الضوء عندما تمتص المادة الطاقة والإشعاع الكهرومغناطيسي الصادر عن الضوء.
على وجه التحديد، يحدث امتصاص الضوء عندما تصطدم الفوتونات، وهي الجانب الجسيمي لموجات الضوء، بالذرات داخل المادة. يؤدي هذا إلى قيام الفوتونات بنقل طاقتها إلى إلكترونات الذرات. ثم تمتص الإلكترونات الطاقة وتتحمس إلى حالات طاقة أعلى، وتقفز إلى المدارات الخارجية بعيدًا عن نواة الذرة.
المبدأ الأساسي هو أن المادة تمتص أطوال موجية محددة من الضوء. مستويات الطاقة لإلكترونات الذرة، والاختلافات بين مستويات الطاقة تلك، تحدد الأطوال الموجية التي يمكن امتصاصها. يمكن للضوء الذي يتطابق مع اختلافات مستويات الطاقة أن يرفع الإلكترونات إلى حالات مثارة. لكن الضوء ذو الأطوال الموجية الأخرى يمر لأنه لا يوجد انتقال إلكتروني مقابل.
على سبيل المثال، عندما يسطع الضوء الأبيض على ورقة الشجر، تمتص جزيئات صبغة الكلوروفيل الموجودة في النبات الضوء الأحمر والأزرق بقوة. لكن الضوء الأخضر يتم امتصاصه بشكل ضعيف، وبدلاً من ذلك ينعكس مرة أخرى. هذا الامتصاص الانتقائي يعطي الأوراق لونها الأخضر. كما أنه يتيح عملية التمثيل الضوئي في النباتات عن طريق توجيه الضوء الأزرق والأحمر لتشغيل التفاعلات الكيميائية.
باختصار، يحدث امتصاص الضوء لأن المادة تحتوي على إلكترونات يمكن زيادة مستويات طاقتها عن طريق الفوتونات الواردة. يتم تحويل هذه الطاقة الكهرومغناطيسية الممتصة إلى طاقة داخلية في الذرات والجزيئات. يعد امتصاص الضوء جزءًا لا يتجزأ من العديد من التقنيات المعتمدة على الضوء مثل الخلايا الكهروضوئية والتصوير الفوتوغرافي والليزر والمزيد. إن فهم التفاعلات بين الضوء والمادة يفتح القدرة على التحكم في امتصاص الضوء للعديد من التطبيقات.
تشتت الضوء
يشير تشتت الضوء إلى ما يحدث عندما يضرب الضوء جزيئات صغيرة في الغلاف الجوي أو الأشياء ويتم إعادة توجيهه في اتجاهات مختلفة. وهذا التأثير هو ما يجعل السماء تبدو زرقاء أثناء النهار. يحتوي ضوء الشمس على جميع ألوان قوس قزح، لكن الأطوال الموجية الأقصر للضوء الأزرق والبنفسجي تتبدد أكثر من الألوان الأخرى بواسطة الغازات التي تشكل غلافنا الجوي. هذا الضوء الأزرق المبعثر هو ما يجعل السماء تبدو زرقاء لأعيننا.
إن تشتت الضوء مسؤول أيضًا عن خلق الألوان الجميلة التي نراها عند شروق الشمس وغروبها. ومع انتقال ضوء الشمس عبر المزيد من الغلاف الجوي بالقرب من شروق الشمس وغروبها، فإن المزيد من الضوء الأزرق يتناثر بعيدًا. ويبدو الضوء غير المبعثر المتبقي أكثر احمرارًا، مما يتسبب في ظهور تلك الألوان البرتقالية والحمراء الزاهية. تشتت الجسيمات ذات الأحجام المختلفة في الغلاف الجوي الضوء بشكل مختلف، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من ألوان غروب الشمس التي نلاحظها. يمكن أن يؤثر الغبار والتلوث والرطوبة الموجودة في الهواء على الألوان أثناء غروب الشمس أيضًا.
إن تشتت الضوء عن الأشياء هو الطريقة التي نرى بها ألوانها. فالقميص الأحمر، على سبيل المثال، يبعثر الضوء الأحمر الذي يضربه بينما يمتص الألوان الأخرى. يعد تشتيت الضوء من المواد أمرًا انتقائيًا، مما يعني أن بعض الألوان تنعكس أكثر من غيرها. يدخل هذا الضوء المتناثر إلى أعيننا، مما يسمح لنا بإدراك لون ذلك الجسم. لذا فإن تشتت الضوء يعد جزءًا لا يتجزأ من الطريقة التي نلاحظ بها الألوان في العالم من حولنا.
الطبيعة الكمومية للضوء
يُظهر الضوء خواص الموجة والجسيمات، والتي يشار إليها باسم ازدواجية موجة الضوء والجسيمات. يمكن ملاحظة الخصائص الموجية للضوء من خلال ظواهر مثل التداخل والحيود، والتي تثبت أن الضوء يتصرف كموجة.
ومع ذلك، يوضح الضوء أيضًا خصائص الجسيمات. يمكن ملاحظة الطبيعة الجسيمية للضوء من خلال التأثير الكهروضوئي، حيث يقوم الضوء بإخراج الإلكترونات من المعادن كما لو كانت مكونة من جسيمات منفصلة تسمى الفوتونات. تعتمد طاقة الإلكترونات المنبعثة على تردد الضوء، وليس على شدته. لن يكون هذا منطقيًا إذا كان الضوء مجرد موجة، إذ يجب أن تحدد الشدة طاقة الإلكترون. ولكن بما أن الضوء له طبيعة جسيمية أساسية، فإن كل فوتون يحتوي على كمية كمية من الطاقة بناءً على تردده.
لذا فإن الضوء ليس موجة أو جسيمًا محضًا، بل يوضح خصائص الموجة والجسيمات. تعد ازدواجية الموجة والجسيم هذه سمة أساسية لفيزياء الكم التي تتحدى حدسنا اليومي حول طبيعة الضوء والمادة. تمثل تجربة الشق المزدوج أفضل مثال على هذا التأثير الكمي الغريب. عندما تمر الكميات الفردية من الضوء (الفوتونات) عبر شقين، فإنها تنتج نمط تداخل لا يمكن أن يكون سببه إلا موجة. ومع ذلك، يصل الضوء على شكل فوتونات منفصلة، مثل الجسيمات. تظل كيفية إظهار الضوء لخصائص الموجة والجسيمات أحد الألغاز العميقة لميكانيكا الكم.
خاتمة
الطريقة التي ينتقل بها الضوء رائعة حقًا. باختصار، لقد استكشفنا عدة نقاط رئيسية:
- ينتقل الضوء بسرعة مذهلة، حيث تصل سرعته الكونية إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية. وهذه السرعة ثابتة في الفراغ.
- يُظهر الضوء خصائص تشبه الموجة وخصائص تشبه الجسيمات. كموجة، يمكن أن تنحني حول الأجسام (الحيود)، وتنعكس عن الأسطح (الانعكاس)، وتنحني عند المرور بين الوسائط (الانكسار).
- يمكن أن تتفاعل موجات الضوء مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى أنماط تداخل من الأطراف الساطعة والداكنة.
- يمكن للمادة أن تمتص ترددات معينة من الضوء، وتصدر الترددات المتبقية التي نراها على شكل لون. يحدث الإسفار عندما تعيد المادة إصدار الضوء الممتص.
- لا تزال الطبيعة الكمومية للضوء مجالًا نشطًا للبحث، مع آثار على الحوسبة الكمومية والتشفير والمزيد. الفوتونات عبارة عن حزم منفصلة من الضوء تعمل كجسيمات وموجات.
إن فهم كيفية انتقال الضوء قد مكّن العديد من التقنيات التي تشكل عالمنا الحديث - الكاميرات والتلسكوبات والمجاهر والليزر واتصالات الألياف الضوئية والمزيد. ويعتمد التقدم في إضاءة LED والخلايا الشمسية أيضًا على تطبيق هذه المعرفة.
ومن خلال الفهم الأساسي لسرعة الضوء وسلوكياته وخصائصه الكمومية، يمكننا الاستمرار في دفع حدود البصريات والضوئيات لبناء مستقبل أكثر إشراقًا.
