مؤسس علم الضوء
يُعَدُّ الحسن بن الهيثم مؤسسًا لعلم الضوء وتفسير كيفية رؤية الأشياء، وقد كان هو من اكتشف الخزانة ذات الثقب التي تشكلت بداية عمل الكاميرا.
تعريف الضوء وأمثلة عليه
يعتبر الضوء المرئي شكلا من أشكال الطاقة، وهو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية مرئية ويعتبر جزءا من الطيف الكهرومغناطيسي وهو نوع من الأطياف المختلفة، ويعرف الضوء بأنه موجات كهرومغناطيسية تتراوح أطوال موجاتها بين 380 و700 نانومتر.
هناك العديد من الأمثلة على الضوء المرئي :
- ضوء الشمس
- ضوء القوس الكهربائي
- المصابيح الكهربائية
- المصابيح المتوهجة
- مصابيح الإفراغ الغازي
- المصابيح الفورية
- مصابيح النيون
- مصابيح الصوديوم
- مصابيح بخار الزئبق
خصائص الضوء
يتميز الضوء بخصائص عديدة منها :
انعكاس الضوء
ويعرف انعكاس الضوء على أنه انعكاس الأشعة الضوئية عندما تقابل سطح عاكس أو سطح مصقول وتصنع زاوية تسمي بزاوية الانعكاس وهي تقع بين الشعاع الساقط والعمود المقام وتكون هذه زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط ويحدث الانعكاس على الأسطح العاكسة أو المصقولة ،ويمكننا رؤية هذا الانعكاس من خلال سقوط أشعة الضوء علي الاجسام ذات البريق أو المعدنية مثل المرآه.
انكسار الضوء
تعرف باسم تغيير اتجاه الشعاع الضوئي عند انتقاله من وسط شفاف إلى وسط آخر ذي كثافة ضوئية مختلفة، ويحدث انكسار الضوء نتيجة لتغير الكثافة والسرعة في الوسط المختلف عن الوسط الأصلي، ويحدث ذلك بسبب اختلاف سرعة الضوء في الهواء عن غيرها من الوسط مثل الزجاج والماء.
تشتت الضوء
تعتمد هذه الخاصية على تفكيك الضوء الأبيض إلى ألوانه المكونة والمعروفة بألوان الطيف السبع، حيث يختلف انكسار كل لون من هذه الألوان عن الآخر.
استقطاب الضوء
يحدثُ استقطابُ الضوء عندما تصطدمُ الأشعةُ الضوئيةُ بسطحٍ غير معدنيٍ أو عند مرورها من خلالِ جسمٍ شبه مُنفذٍ أو من خلال مادةٍ تمتصُ الضوءَ الساقِطَ ما عدا جزءٍ مُعينٍ منه ينفذُ من خلالِها ولا يحدثُ له امتصاصٌ.
تداخل الضوء
يحدث هذا العملية نتيجة لتداخل الموجات المنعكسة الداخلة والخارجة من السطح، وينقسم هذا التداخل إلى نوعين: التداخل البنائي والتداخل الهدام.
حيود الضوء
يحدث انحراف الضوء عن اتجاهه الأصلي عندما يمر عبر فتحة أو ثقب معين، وبالتالي يتغير مسار حركته
الصفات الأساسية للضوء
تعتبر الضوء ظاهرة تاريخية تمتد إلى القدم، وتتميز ببعض الخصائصالأساسية التي كانت معروفة منذ منتصف القرن السابع عشر، وهي:
- الضوء ينتشر في خطوط مستقيمة
- يتم انتشار الضوء في الفراغ على العكس من الصوت، حيث لا يستطيع الصوت الانتقال في الفراغ ويحتاج إلى وسط مادي للانتقال خلاله.
- يتم انعكاس الضوء على الأسطح المصقولة وفقًا لقوانين الانعكاس.
- يتم كسر الضوء أثناء مروره من سطح يفصل بين وسطين شفافين مختلفين وفقًا لقوانين الانكسار.
- يتألف الضوء الأبيض من عدة ألوان مختلفة تسمى ألوان الطيف، ولكل منها معامل انكسار يختلف عن الآخر لنفس الوسط.
- الضوء هو شكل من أشكال الطاقة، ويمكن نقل الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر عن طريق الضوء، فمثلاً ينتقل حرارة الشمس إلى الأرض عن طريق امتصاص الأرض للضوء الذي ينبعث من الشمس
- ينتشر الضوء في الفراغ بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية، التي تتطلب وجود وسط مادي للانتشار
- يتداخل الضوء المنبعث من مصدرين متقاربين.
- يحيد الضوء عن مساره فيخطوط مستقيمة عندما يصادف حاجزًا معتمًا أو عندما يمر من فتحة ضيقة.
- يتم استقطاب الضوء عند ممره خلال بعض البلورات.
- عندما يسقط الضوءُ على سطحٍ ما، فإنّ الضوءَ ينعكسُ، أو ينكسرُ، أو يمتصّ، ويتوقّف حدوثُ ذلك على عدةِ عواملِ، بما في ذلكِ طبيعةِ السطحِ.
- تتفاوت سرعة الضوء بين الوسطيات المختلفة، حيث تكون سرعة الضوء في الماء أقل من سرعته في الفراغ أو الهواء. أثبت ميكلسون ذلك في عام 1883، حيث تساوت النسبة بين سرعة الضوء في الماء إلى سرعته في الهواء 1.33، وتسمى هذه النسبة معامل انكسار الماء.
نظريات الضوء
نظرية الجسيمات لنيوتن
وقد صاغها العالم نيوتن، وتستند إلى الافتراض بأن الطاقة الضوئية تنبعث من المصدر الضوئي على شكل جسيمات صغيرة جدا تنتشر في خطوط مستقيمة بسرعة عالية، وتتفاوت حجمها اعتمادا على لون الضوء، ولديها القدرة على اختراق بعض المواد والتفاعل مع سطحها، وحتى عندما تصطدم بالعين وتصل إلى الشبكية، فإنها تحمل تأثيرا على المصدر أو الجسم العائد منه.
النظرية الموجبة لهجينز
وضع هيجنز نظرية الموجات الموجبة التي تفترض أن الطاقة الضوئية تنتشر من المصدر الضوئي على شكل موجات يختلف طولها باختلاف لون المصدر. وتنص تلك النظرية على أن يكون الضوء في الوسط الكثيف ضوئيًا أقل منه في الوسط الأقل كثافة.
ويقاس مدى صلاحية كل نظرية بنجاحها في تفسير الظواهر الضوئية ، وليس من المتوقع أن تنجح أن تنجح إحدى النظريتين على طول الخط وتفشل الأخرى ، من الطبيعي أن تلاقي كلا منهما بعض الصعوبات عند التطبيق ، ولهذا السبب ظلت كلتا النظريتين متنافستين لفترة طويلة جداً ،وعند تطبيق نظرية الانكسار لنيوتن نجحت في تفسير الانكسار عند السطح الفاصل بين وسطين وكان يفترض أن تكون سرعة الضوء في الوسط الثقيل ضوئياً اكبرمنها في الوسط الأقل كثافة وهذا عكس ما تم إثباته في التجارب رغم نجاحها في تفسير انتشار الضوء في خطوط مستقيمة.
لا تستطيع تلك النظرية تفسير التداخل والانحراف والاستقطاب، بينما نجحت النظرية الموجية لهيجنز في تفسير الانعكاس والانحراف والتداخل والانحراف والاستقطاب، ولكنها واجهت صعوبة في تفسير انتشار الضوء في خطوط مستقيمة وانتشاره في الفراغ لأن الحركة الموجية تحتاج إلى وسط مادي للانتشار.
نظرية الموجات الكهرومغناطيسية لماكسويل
تعتمد هذه النظرية على إثبات أن الدائرة الكهربائية المتذبذبة تشع موجات كهرومغناطيسية، وأن سرعة هذه الموجات يمكن حسابها من خلال القياسات الكهربائية والمغناطيسية، وهي تساوي سرعة الضوء.
نظرية الكم لأينشتين
تنص هذه النظرية على أن الضوء ينبعث على شكل دفعات متتابعية من الموجات، وليس على شكل موجة مستمرة، وتسمى كل دفعة بفوتون وتحمل طاقة معينة تسمى طاقة الكم.
نظرية الكم لماكس بلانك
في عام 1900 كان ماكس بلانك يحاول تعريف طبيعة الانبعاث الكهرومغناطيسي من الأجسام السوداء ، ويعرف الجسم الاسود بأنه الجسم الذي يمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي بأي تردد والإشعاع المنبعث منه يسمى إشعاع الجسم الاسود وهو يعتمد فقط على درجة حرارة سطح الجسم ، وعرف بلانك طبيعة هذه الإشعاعات بناء على الفرض التالي:
عندما يتذبذب الإلكترون بتردد معين، فإنه ينتج موجات كهرومغناطيسية لها نفس التردد، ولكن هذه الموجات غير مستمرة وتنبعث على شكل دفعات تسمى فوتونات، ويتناسب طاقة الفوتون مع تردد الإشعاع.
التفسير الحديث للضوء
افترض دي براولى أن المادة المتحركة بسرعة كبيرة تقترن بها موجات وعليه فإن الفوتون يمكن اعتباره جسيم مرتبط بحركة موجية ، وان الموجه الضوئية تتكون من جسيمات منفصلة من الفوتونات ولايوجد تأثير متبادل بين الفوتونات ويجب الأخذ في الاعتبار أن الفوتون ذو خاصية مزدوجة فهو يتصرف أحياناً كموجة واحيانا يتصرف كجسيم.
هناك العديد من الأمثلة على الضوء المرئي :
- ضوء الشمس
- ضوء القوس الكهربائي
- المصابيح الكهربائية
- المصابيح المتوهجة
- مصابيح الإفراغ الغازي
- المصابيح الفورية
- مصابيح النيون
- مصابيح الصوديوم
- مصابيح بخار الزئبق