ما هي خصائص الضوء الجسيمية ؟ “

ما هو الضوء

الضوء هو مجرد شكل واحد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية وهذه الموجات موجودة في كل مكان حولنا وتأتي في أحجام كثيرة وأكبر هذه الموجات الكهرومغناطيسية لها أطوال موجية طولها يبدأ من بضعة سنتيمترات حتى أكثر من 100 متر وتسمى موجات الراديو وأصغر الموجات الكهرومغناطيسية ولها أطوال موجية بحجم النواة الذرية وتسمى (أشعة غاما) وتوجد أنواع أخرى من هذه الموجات الدقيقة مثل الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والضوء فوق البنفسجي والأشعة السينية.

في القرن السابع عشر قام كل من “إسحاق نيوتن” و”غاليليو” بدراسة الضوء واستخدم “نيوتن” المنشور لفصل الضوء المرئي في ألوانه المختلفة وحاول “غاليليو” قياس سرعة الضوء وخلص إلى أن سرعته كانت كبيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بردود الفعل البشرية، الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة هما العنصران الرئيسيان للكون وجميع موجات الإشعاع الكهرومغناطيسي تتكون بفعل ذبذبة المجالات الكهربائية والمغناطيسية وهذه التذبذبات أو الموجات تشبه تمامًا الموجات الصوتية أو الموجات التى تحدث في الماء عند إلقاء شيء فيه، وفى معظم الحالات يتصرف الضوء مثل موجة لها خصائص الطول الموجي والتردد وتخضع للانعراج والتدخل وفي بعض الحالات الاخرى يمكن اعتبار أن الضوء يتصرف مثل الجسيمات التى تسمى الفوتون وهذه الجسيمات ليس لها كتلة ولكنها تحمل كمية ثابتة من الطاقة.

الضوء كجسيمات

الضوء يتصرف أساسًا مثل موجة ولكن يمكن أيضا أن نعتبر أنه يتكون من حزم صغيرة من الطاقة وتدعى (الفوتونات)، الفوتونات تحمل كمية ثابتة من الطاقة ولكن ليس لها كتلة وتعتمد طاقة الفوتون على طول الموجةحيث أن الفوتونات الأطول موجيًا لديها طاقة أقل والفوتونات ذات الطول الموجي الأقصر لديها طاقة أكبر فعلى سبيل المثال الفوتونات الحمراء لديها طاقة أقل من الفوتونات الزرقاء، وحتى حوالي عام 1900 كان العلماء يفهمون فقط أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يتكون من موجات ثم قام ماكس بلانك وعلماء آخرون بدراسة تأثير الكهروضوئية ووجدوا أن أنواعًا معينة من المعادن والمواد الأخرى تقذف الإلكترونات عندما يلمع الضوء عليها

وتوقعوا أن عدد الإلكترونات التي تقذف من المعدن ستزداد مع شدة أو سطوع الضوء الموجه نحو ذلك المعدن، وما استنتجوه من ذلك هو أن الطول الموجي للضوء هو ما يؤثر على عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها ووجدوا أن  الأطوال الموجية الأكثر نشاطاً مثل الأزرق والأشعة فوق البنفسجية تسببت في إخراج الإلكترونات أكثر من الأطوال الموجية الحمراء أو الأشعة تحت الحمراء كما وجدوا أن زيادة كثافة الضوء تزيد من عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها ولككنها لا تؤثر على سرعتها، وأدرك بلانك أن طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي كانت متناسبة مع تردده لكنه اعترف بأنه لا يفهم لماذا حدث ذلك

كان (آينشتاين) أول من شرح ما كان يحدث فقال أن الطاقة الكهرومغناطيسية تأتى فى حزم وهو ما نُسميه الآن فوتونات، حتى أن الضوء يتصرف كموجة وكجسيمات اعتمادًا على الظروف والتأثير الذي لوحظ ويعرف هذا المفهوم الآن باسم (ازدواجية الجسيمات الموجية) وفاز آينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 لخدماته في الفيزياء النظرية وخاصة لاكتشافه لقانون التأثير الكهروضوئي.

ما أبرز خصائص الضوء

يسافر الضوء في الفراغ بسرعة 299,792,458 متر في الثانية، وهو أسرع شيء يمكنه التحرك في الكون، بينما تبلغ سرعة الصوت حوالي 300 متر في الثانية فقط، وهذا يفسر سبب رؤية البرق قبل سماع الرعد خلال العواصف. للضوء خصائص متعددة وسنناقش بعضها في هذا المقال.

الانعكاس و الانكسار

الانعكاس والانكسار هما من أهم خصائص الضوء، حيث تقوم الأشعة الخفيفة للضوء بتغيير اتجاهها عندما تنعكس عن سطح أو تمر من وسط شفاف إلى آخر، أو عندما تسافر خلال مادة تتغير تركيبتها باستمرار. ينص قانون الانعكاس على أنه عندما ينعكس الضوء من سطح أملس، تكون زاوية الشعاع المنعكس متساوية لزاوية الشعاع الساقط (يتم قياس جميع الزوايا في البصريات الهندسية بالنسبة للسطح العادي ويتم قياس أي خط عمودي على السطح). ويتم تحديد الشعاع المنعكس دائما بناء على الشعاع الأصلي المسقط على السطح. يمكن استخدام قانون الانعكاس لفهم الصور التي تنتجها العدسات والمرايا المنحنية. وعلى عكس المرايا، تكون معظم الأسطح الطبيعة مضبوطة بالنسبة لطول موجة الضوء، ونتيجة لذلك، يتم انعكاس الأشعة (الضوء المتساقط بشكل مواز) في اتجاهات متعددة ومنتشرة

إن الانعكاس المنتشر هو المسؤول عن القدرة على رؤية معظم الأسطح المضيئة من أي موضع حيث تصل الأشعة إلى العينين بعد انعكاسها من على كل جزء من السطح، وعندما يسافر الضوء في وسط شفاف فإنه يواجه الحدود مع المادة الثانية الشفافة (مثل الهواء والزجاج) وينعكس جزء من الضوء ويتم نقل جزء منه إلى المادة الثانية، كما يتحرك الضوء المنقول إلى المادة المتوسطة الثانية فإنه يغير اتجاهه عند سفره أي أنه يقوم بقانون الانكسار وهو المعروف أيضاً بقانون (سنيل) وهو قانون يصف العلاقة بين زاوية الإصابة (θ1) وزاوية الانكسار (θ2) ومن الناحية الرياضية: n1 sin θ1 = n2 sin θ2، حيث N1 و n2 هما مؤشر الانكسار في الوسائط الأولى والثانية، ومؤشر الانكسار لأي وسيط هو ثابت بلا أبعاد يساوي نسبة سرعة الضوء في فراغ إلى سرعته في تلك الوسيلة.

التشتت

كيف تتحطم وتتوزع أشعة الشمس التي تسقط على قطرات من المطر وتكوّن قوس قزح وتلك الألوان التي نراها؟ نفس العملية تؤدي إلى تقسيم الضوء الأبيض إلى ألوان متعددة، نرى حوالي ستة ألوان في قوس قزح: ( الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي) أحيانًا يتم رؤية اللون النيلي أيضًا وترتبط هذه الألوان مع أطوال موجية مختلفة من الضوء وعندما تتلقى عيننا ضوء الطول الموجي النقي فإننا نميل إلى رؤية لون واحد فقط من الألوان الستة اعتمادًا على الطول الموجي له، الآلاف من الألوان الأخرى التي يمكننا رؤيتها في حالات أخرى هى استجابة عيننا لمختلف الخلائط من الأطوال الموجية

على سبيل المثال ، الضوء الأبيض هو خليط متجانس إلى حد ما من كافة الأطوال الموجية المرئية. والشمس، التي تعتبر بيضاء وتبدو قليلا صفراء في الواقع بسبب اختلاط الأطوال الموجية، لكنها لا تحتوي على جميع الأطوال الموجية المرئية. ومن المقصود بهذا أن الضوء الأبيض ينتشر وفقا لطول الموجة في قوس قزح. ويعرف التشتت على أنه انتشار الضوء الأبيض في طيفه الكامل من الأطوال الموجية. ومن الناحية التقنية، يحدث التشتت عندما يتغير اتجاه الضوء بطريقة تعتمد على الطول الموجي. ويمكن أن يحدث التشتت كظاهرة عامة لأي نوع من الموجات، وينطوي دائما على عمليات تعتمد على الطول الموجي.

الامتصاص

عملية امتصاص الضوء تتم من خلالها امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة، وأمثلة على هذه العملية تشمل التمثيل الضوئي في النباتات. ومع ذلك، لا يحدث امتصاص الضوء فقط في النباتات، بل في جميع المخلوقات بما في ذلك المواد غير العضوية. يعتمد امتصاص الضوء على تردد الضوء الكهرومغناطيسي وطبيعة الذرات. لذلك، فإن امتصاص الضوء في الفيزياء يتناسب مباشرة مع التردد. إذا كانت الذرات مكملة، يتم امتصاص الضوء، وإذا لم تكن مكملة، يمر الضوء عبر الكائن ثم ينعكس. عادة، تحدث هذه العمليات في نفس الوقت لأن الضوء ينتقل بترددات مختلفة. على سبيل المثال، تشمل أشعة الشمس أضواء من مختلف الترددات التي تتراوح بين 400 و800 نانومتر. لذلك، تمتص معظم الكائنات الضوء انتقائيا أو تنقله أو تعكسه. وعندما يتم امتصاص الضوء، يتولد الحرارة. لذلك، يحدث امتصاص الضوء انتقائيا بواسطة مادة معينة نظرا لتطابق تردد الموجة الخفيفة مع تردد اهتزاز الإلكترونات في ذرات تلك المادة.