الفرق بين الطبيعة الموجية والجسيمية للضوء

الضوء هو موجة كهرومغناطيسية عرضية يمكن للإنسان العادي رؤيتها. تم توضيح طبيعة موجة الضوء لأول مرة من خلال التجارب على الانكسار والتداخل، مثل باقي الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن للضوء أن ينتقل عبر الفراغ، ويمكن توضيح خاصية العرضية للضوء من خلال الاستقطاب. في الأزمنة القديمة كان يعتقد أن الضوء يتصرف فقط كموجة، ولكن في الواقع يتصرف الضوء بشكل أساسي كموجة، ومع ذلك يمكن اعتباره أيضا مكونا من حزم صغيرة من الطاقة تسمى الفوتونات. تحمل الفوتونات كمية ثابتة من الطاقة وليس لها كتلة، وتعتمد طاقة الفوتون على طوله الموجي. فوتونات طولها الموجي الأطول لديها طاقة أقل، في حين أن فوتونات طولها الموجي الأقصر لديها طاقة أكبر. على سبيل المثال، الفوتونات الحمراء لديها طاقة أقل من الفوتونات الزرقاء.

الفرق بين الطبيعة الموجية للضوء والجسيمية 

ينتقل الضوء كموجة، وتحديداً تنتقل كموجة كهرومغناطيسية، وهي موجة تتألف من موجات كهربائية وموجات مغناطيسية، وتتفاعل هذه الموجات مع بعضها البعض.

عندما تنتشر الموجة الكهربائية وتنكمش، تنتج موجة مغناطيسية، وعندما تنتشر الموجة المغناطيسية وتنكمش، تنتجموجة كهربائية، وهذا الأمر يتكرر عدة مرات.

يستخدم الفيزيائيون مصطلح الضوء لوصف جميع الموجات الكهرومغناطيسية، بما في ذلك الضوء المرئي الذي يمكننا رؤيته، والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والميكروويف وموجات الراديو التي تحمل إشارات التلفزيون والراديو، والفرق بين الموجات المختلفة هو طول الموجة.

لذلك ، يمكن أن يعني مصطلح الفوتون جسيمًا من الضوء المرئي ولكن أيضًا جسيمًا مرتبطًا بالأشعة السينية أو الموجات الدقيقة أو أي جزء آخر من الطيف الكهرومغناطيسي اذا يعتبر الضوء عبارة عن موجة وأيضًا جسيم ، وعندما يصطدم الضوء ، أي موجة كهرومغناطيسية ، بجسم ما ، فإنه ينهار على الفور إلى أجزاء صغيرة أو جزيئات من الطاقة ، كل من هذه الجسيمات عبارة عن فوتون  يبدو الأمر كما لو أن موجة المحيط تضرب صخرة وتتحطم في إلى قطرات صغيرة كل قطرة من الموجة الضوئية عبارة عن فوتون ، وكل منها يحمل القليل من الطاقة ،إذا ضربت موجة من الضوء المرئي قطعة من فيلم فوتوغرافي ، فسنكون قادرين على رؤية آثار كل الفوتونات التي ضربتها. ينشئ كل فوتون نقطة صغيرة ، جزء صغير من الصورة ، وعادة ما يكون جزءًا صغيرًا من بكسل معًا ، تشكل الفوتونات الصورة.

تنتشر الموجات، بما في ذلك موجات الضوء، في الفضاء، ولكن عندما تصطدم بالفيلم، لم يعد الضوء يعمل كموجة بل يعمل كجسيم، وتختلف الجسيمات عن الموجات في أنها مترجمة ولها موقعًا صغيرًا ومحددًا.

خصائص الضوء الشبيهة بالموجه

على الرغم من أن الضوء يُقال عمومًا أنه موجة ، على عكس الموجات التي تحدث على سطح جسم مائي ، إلا أنه لا يتطلب وسيطًا ، ويتكون الضوء من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي يتقاطعان بزاوية قائمة أثناء تحركهما عبر فراغ ، المسافة بين القمم المتتالية للمجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي هي الطول الموجي.

عند التعامل مع الضوء ، يواجه المرء ظواهر خاصة بالموجات ، مثل التداخل والانحراف ، التجربة التي اكتشف فيها يونغ تداخل الضوء وخلص إلى أن الضوء شكل موجة معروفة جيدًا ، يمر الضوء أحادي اللون المنبعث من مصدر الضوء عبر شق واحد ، ثم يمر عبر شقين آخرين ، نتيجة لذلك ، يتم ملاحظة هامش التداخل على الشاشة في الخلف كنمط من شرائط متناوبة من السطوع والظلام. يمكن تفسير ذلك بالتفكير أن مصدرين الضوء في الطور مع بعضها البعض ، تنتقل الموجات من مصادر الضوء هذه إلى الشاشة في الخلف ، في النقاط التي تكون فيها الموجات في الطور ، فإنها تعزز بعضها البعض ، بينما في النقاط التي تكون فيها الموجات خارج الطور ، تلغي بعضها البعض ، إذا فكر المرء في سطح هذه الورقة على أنه سطح جسم مائي ، وكانت الشقوق بمثابة أقسام بها ثقوب ، فإن الموجات التي تتحرك من اليسار إلى اليمين سوف تتصرف بنفس الطريقة ، بهذا المعنى ، توضح تجربة يونغ الطبيعة الشبيهة بالموجة للضوء بطريقة بديهية.

وتتكون الضوء من أنواع محددة من الموجات الكهرومغناطيسية. يشير المصطلح `الموجات الكهرومغناطيسية` إلى أسماء مختلفة وفقا لطول الموجة. عادة، يشير مصطلح `الضوء` إلى الموجات الكهرومغناطيسية في النطاق الذي يمتد من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية. ولكن في بعض الحالات، يشير فقط إلى الضوء المرئي. يشار إلى الضوء ذي الأطوال الموجية التي تتراوح بين 400 و 800 نانومتر بمصطلح `الضوء المرئي`. هذا هو الضوء الذي يمكن للبشر رؤيته بالعين المجردة.

على سبيل المثال، يمكن وصف الأضواء ذات الطول الموجي 470 نانومتر باللون الأزرق، والأضواء ذات الطول الموجي 540 نانومتر باللون الأخضر، والأضواء ذات الطول الموجي 650 نانومتر باللون الأحمر. يمكن وصف الضوء المرئي على أنه النوع من الضوء الذي يمكننا كبشر رؤيته.

خصائص الضوء الشبيهة بالجسيمات

من بين التطورات التي ساهمت في فهم هذا السلوك، كانت سلسلة من التجارب على التأثير الكهروضوئي التي أجريت في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. لم يمكن تفسير نتائج هذه التجارب بتصور الضوء كموجة، ولكن يمكن تفسيرها بتصوره كجسيم. عند التركيز على جوانب الضوء المشابهة للجسيمات، يستخدم مصطلح “الفوتونيات.

التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة يحدث فيها خروج الإلكترونات من سطح معدني عندما يتعرض للضوء. تسمى هذه الإلكترونات الناتجة إلكترونات ضوئية. عندما يتعرض السطح لضوء شديد، لا يحدث خروج إلكترونات. ومع ذلك، عندما يتعرض السطح لضوء ذي طول موجي أقصر، يحدث خروج الإلكترونات. إذا قصر طول الموجة للضوء المسقط على السطح، فإن عدد الإلكترونات الناتجة لا يتغير، ولكن طاقتها تزداد. إذا تم تكثيف الضوء المسقط على السطح، يزداد عدد الإلكترونات الناتجة، ولكن طاقتها تبقى ثابتة. لا يمكن تفسير هذه الظواهر بتصور الضوء كموجة، ولكن يمكن تفسيرها باعتباره جسيما مع وجود تفاعل بين الإلكترونات والمعدن. بناء على نتائج تجارب تأثير كومبتون وتجارب أخرى، تم التعرف على خصائص مشابهة للجسيمات. ويستخدم الأنبوب المضاعف الضوئي ككاشف في مقاييس الطيف الضوئي UV-VIS لكشف الضوء باستخدام التأثير الكهروضوئي.

متى تم اكتشاف أن الضوء له طبيعة موجية وجسيمية

بدأ اكتشاف هذه النظرية في أوائل القرن التاسع عشر، حين لعب العالم الإنجليزي توماس يونغ بالضوء في بعض الألعاب، تسليط بعض الحزم من خلال فتحتين ضيقتين على شاشة خلفهما. وجد أنه يمكن تشكيل نمط تداخل كلاسيكي مع خطوط متفاوتة الشدة على الشاشة، وهذا ما ستفعله موجات الماء عند المرور عبر قناتين ضيقتين، حيث تجمع بعض موجات الضوء معا وتلغي بعض الموجات، مما يترك نمطا مخططا على الشاشة الخلفية. ويعد هذا دليلا قويا على أن الضوء يعمل كموجة، وذلك لأن هذا بالضبط ما تفعله الأمواج.

تم تعزيز هذه الفكرة بعد بضعة عقود عندما اكتشف الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل أن الكهرباء والمغناطيسية هما في الواقع وجهان لعملة واحدة وهي الكهرومغناطيسية، وفي أثناء ذلك، أدرك أن الضوء عبارة عن موجات من الكهرباء والمغناطيسية، مما يعطي صورة قاطعة لما يفعله التلويح عندما يتعلق الأمر بالضوء، وهو أن الكهرباء والمغناطيسية هما الوجهان لموجة الضوء. 

في وقت متأخر من القرن التاسع عشر، قدم الفيزيائي الألماني ماكس بلانك مفتاحا مهما عند دراسته لإشعاع الجسم الأسود. اقترح أن الضوء لا يمكن أن ينبعث إلا في أجزاء صغيرة منفصلة. وبعد بضع سنوات، قدم ألبرت أينشتاين تفسيرا آخر لهذه المسألة من خلال دراسة التأثير الكهروضوئي. اقترح أن الضوء لا ينبعث فقط في أجزاء صغيرة، بل يتكون الضوء نفسه من حزم صغيرة من الطاقة تسمى الفوتونات. ببساطة، يسلك الضوء سلوكا جسيميا في هذه التجارب، وأظهرت التجارب الفيزيائية المختلفة أن الضوء له خصائص مختلفة. في بعض الأحيان، يسلك الضوء سلوكا موجيا، وأحيانا يسلك سلوكا جسيميا.