[البالود]

"المقالة الثانية"

محاضرة للسنة الرابعة في كلية طب الأسنان كتبها : م.د.عمار مشلح

الليزر وتطبيقاته في طب الأسنان Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث القسري للأشعة : الضوء هو لغة الكون وروحه فهو ينشأ من أصغر القطع البناءة للكون وهي الذرات ثم ينطلق منها ليجوب مجراته , وتمر السنون وتظهر القدرة التنبؤية لكتاب الخيال العلمي فيتمكن العلماء فعلاً من اختراع هذا الشعاع الضوئي ولكن تم ذلك عام 1960م وأطلقوا عليه ضوء الليزر . لقد بدأت المحاولات الجدية العلمية لوضع العديد من الفرضيات والنظريات حول طبيعة الضوء وماهيته منذ ما يقرب من ألف عام على يد العلماء العرب أمثال جابر بن حيان وابن الهيثم الذين كانت نظرياتهم نقطة تحول في مفهوم الضوء وأساساً إلى النظريات الحديثة ، وبعد ذلك على يد علماء أوربا أمثال بيكون ونيوتن وماكسويل وبلانك وأنيشتاين . نظرية اسحاق نيوتن (نظرية الانتشار المستقيم )عام 1650م شرح فيها الكيفية التي يتصرف فيها الضوء فأوضح مثلاً لماذا نرى أقواس قزح بعد المطر , فقطيرات الماء تعمل كمواشير تأخذ الضوء الأبيض وتحلله إلى ألوان الطيف , ومازال هذا الكشف هاماً حتى يومنا هذا لكل من يعمل في صناعة العدسات أو المرايا أو الليزر . باختصار تفترض نظرية نيوتن أن الضوء عبارة عن حبيبات صغيرة جداً من النور تصدر عن الأجسام , وتلك الحبيبات تنتشر وفق خطوط مستقيمة تدعى بالأشعة الضوئية وهي تنعكس على سطوح المرايا وتنحرف عن مسارها المستقيم عندما تغير سرعتها لدى اجتيازها سطحاً فاصلاً بين وسطين شفافين كالماء والهواء . ثم تمكنت مجموعة من العلماء بحلول أوائل القرن التاسع عشر ( هويغنز و يونغ ) عام 1801م من وضع أسس نظرية جديدة أطلقوا عليها اسم النظرية الموجية حيث تم التأكيد بوضوح بأن الضوء لا يتألف ببساطة من كريات صغيرة بل ينتشر بصورة موجات كموجات البحيرة ولهذه الموجات أطوالاً موجية مختلفة مقاسة من ذروة لأخرى كما أن لموجات الضوء ترددات مختلفة مقاسة بعدد الموجات التي تعبر نقطة معينة أثناء فترة محدودة من الزمن وهي عادة ثانية واحدة. وقد افترض هؤلاء العلماء وجود وسط مادي يحمل الأمواج الضوئية دعوه بالأثير , ولكن بعد إجراء العديد من التجارب تبين لهم عدم وجود مثل هذا الوسط المادي أي الأثير . إن فهم الطبيعة الموجية لم يحدث إلا بقدوم القرن التاسع عشر حيث بدأ فهم الظواهر الضوئية المختلفة نتيجة للأعمال الهامة التي قام بها يونغ وفرنيل وبعض العلماء الآخرين في أواخر القرن السابع عشر . في عام 1877م ظهرت نظرية ( ماكسويل وهيرتز) أو النظرية الموجية الكهرطيسية القائلة بأنه تتم عملية إثارة ذرة ما بتطبيق طاقة خارجية عليها ( التسخين مثلاً ) فينتقل أحد ألكتروناتها من مدار لآخر أبعد منه عن النواة وبعد فترة وجيزة يعود لمداره الأصلي مطلقاً الطاقة التي امتصها بشكل موجة كهرطيسية لها تردد معين وطول موجة معين ولون معين وهي لا تحتاج لوسط يحملها كالأثير . ومن الأمواج الكهرطيسية ما هو مرئي وما هو غير مرئي كالأمواج الراديوية والميكروية , وقد ثبت فعلاً صحة هذه النظرية والدليل على ذلك هو استعمالها في الاتصالات الراديوية والتلفزيونية وغيرها . في عام 1916م ظهرت نظرية ( بلانك وأنشتاين) أو النظرية الفوتونية التي تنص على أن الضوء هو حبيبات من الطاقة المهتزة ، واهتزازاتها كهرطيسية وقد سمي كل جسيم مهتز بهذه الطريقة بالفوتون , وإن لكل فوتون طول موجة ودور وتواتر ( لون ) . وبهذه النظرية أمكن تفسير طبيعة الضوء ومعرفة كينونته . وتوالت الدراسات في هذا المجال وكانت نتائجها بداية المرحلة الحديثة للأطياف التي لا تزال تتطور حتى الآن , ومن المفيد في نظرية الأطياف أنها تخبرنا أن لكل جسم يشع طيفاً معيناً , أي يعطي مجموعة من الألوان ( ونقصد بالألوان هنا الألوان الأساسية المعروفة وهي البنفسجي والأزرق والأخضر والأحمر, أما الألوان الأخرى فهي مزيجاً منها ) , وكل لون يتميز بطول موجي معين . اللون طول الموجة( أنغستروم) بنفسجي 3800-4500 الأزرق 4500-4900 الأخضر 4900- 5600 الأصفر 5600- 5900 البرتقالي 5900 - 6300 الأحمر 6300-7600 يعتمد الليزر على الإصدار المحثوث إذ تجبر الذرة المهيجة لإعطاء جزء من طاقتها للحقل الكهرطيسي المتفاعل معها وهذه الظاهرة أشار إليها اينشتاين عام 1917م عندما نشر مقالاً عن الإشعاع الكوانتي . لقد كان أول عرض معروف لتكبير الانبعاث المحرض ما تضمنه طلب براءة اختراع عالم سوفيتي عام 1951م بواسطة العالم فابركانت من معهد الطاقة ولم تنشر تلك البراءة إعلامياً حتى عام 1959م وبالتالي يعتقد أنها لم تؤثر على الباحثين الآخرين , ويبقى فابركانت لغزاً حتى الآن وأحد الجنود المجهولين في أبحاث الليزر . ربما وقع أهم الحوادث تأثيراً في نيسان عام 1951م عندما أجرى العالم الأمريكي ( تاونس ) تجاربه لمعرفة الشروط المطلوبة للتكبير بالانبعاث المستحث للموجات الميكروية .وبعد ثلاثة أعوام نجح ثلاثة علماء هم تاونس وغوردون و زيغر في تشغيل مولد من هذا النوع في جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة وذلك باستخدام حزمة من جزيئات النشادر وقد سمى العالم تاونس الإشعاع الناتج ( الميزر ) Maser … وهو اختصار لجملة باللغة الإنكليزية ترجمتها ( الأمواج الميكروية المضخمة بواسطة الإصدار المحثوث للإشعاع ) ولهذا العمل الأساسي فقد نال كل من باسوف و بروكوف و تاونس جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1964م وبذلك يمكن اعتبار الميزر أبو الليزر . في السابع من تموز 1960م قام عالم فيزيائي شاب أمريكي هو ( تيودور مايمان ) بانتاج جهاز الليزر العملي الأول , وقد تركب هذا الجهاز من قطعة من الياقوت ) وهو نوع من بلورة أكسيد الألمنيوم ) أخضعت للمعاملة الإشعاعية بواسطة مصباح ومضي يعمل بغاز الزينون الثقيل الخامل وأسفرت التجربة عن توليد شعاع ضوئي متماسك ذي ضوء أحمر غامق لم يسبق مثيل لإنتاجه من قبل . الأمواج الكهرطيسية : تتكون هذه الأمواج من اهتزاز الحقلين الكهربائي والمغناطيسي وإن الأمواج الضوئية ليست الأمواج الكهرطيسية الوحيدة بل هناك الأمواج الراديوية وماتحت الحمراء وما فوق البنفسجية والأشعة السينية , والفرق بين هذه الأمواج ناتج عن الاختلاف في طول أمواجها فطول الأمواج الراديوية مئات الأمتار بينما طول أمواج الأشعة السينية لا يتجاوز عدة أنغسترومات ( نسبة إلى العالم أندروس أنغستروم حيث أن 1 أنغستروم = 10-10 متر) وطول الأشعة الكونية أصغر بكثير من طول موجة الأشعة السينية . وبين الأمواج الراديوية وأمواج الأشعة السينية هناك مجموعة من الأمواج تتحسس بها العين يطلق عليها اسم الأمواج المرئية وتتراوح ما بين 4000- 7000 أنغستروم وتعطينا الألوان الأساسية المعروفة , أما المجال الذي لا تتحسسه العين فنطلق عليه اسم المجال اللامرئي. الذرات والأمواج الضوئية : إن الضوء يصدر عن الذرة وقد افترض (بوهر) بأن الذرة تتألف من نواة تدور حولها الألكترونات في مدارات معينة وإن انتقال الألكترون من مدار إلى آخر قريب من النواة يصحبه انطلاق إشعاعات موجية على شكل فوتونات أو ضوء . الإصدر التلقائي : إذا شغل الإلكترون سوية أعلى من سوية الطاقة الدنيا فإننا نقول عن الذرة بأنها في حالة مثارة وتكون الذرة عندها في وضع غير مستقر . ولا تبقى الذرات مثارة دوماً بل تمضي وهي مثارة فترة زمنية مقدارها جزء من مليون من الثانية الواحدة وبعدها تعود تلقائياً لسوية طاقتها الأصلية ومطلقة الفوتون الذي أثارها بشكل فوتون ضوئي وتدعى هذه المرحلة بالإصدار التلقائي والتي تتم دون أن يتدخل فيها أي مؤثر خارجي وهي المسؤولة عن المنابع الضوئية العادية . ولا تتمتع الفوتونات الضوئية الصادرة بهذه الطريقة بأي ترابط فيما بينها لأنها تصدر بشكل إفرادي وفي إيقاعات زمنية مختلفة , فلا يتحقق أي انسجام أو تماسك في طاقاتها لذلك تكون موجاتها لا مترابطة ومثال على ذلك هو ضوء لمبة النيون العادية أو مصباح السيارة . الإصدار المحثوث : في عام 1917م توقع العالم ألبرت انشتاين أنه بالإضافة للإصدار التلقائي السابق للضوء يوجد نوع آخر من الإصدار وهو الإصدار القسري أو المحرض STIMULATED فقد يحدث أن يصطدم فوتون مار من المادة بذرة مثارة فيها فيسبب خللاً في توازنها ويجعلها تهبط اضطرارياً لسويتها الأصلية وذلك قبل أن تمضي فترتها الزمنية وهي مثارة فلا تلبث أن تفقد فوتونها الذي أثارها أول مرة عندئذ يحدث ترابط وتماسك للفوتون المتحرر منها والفوتون الصادم وبالنتيجة ينطلق فوتونان من الذرة وهما على قدر كبير من الترابط والانسجام, ويؤدي التواقت الزمني المدهش في عملية انطلاقهما من الذرة المثارة إلى اتحاد طاقتيهما وتضخيمهما وهما بدورهما سوف يصطدمان بذرات أخرى مثارة في المادة ويجبرونها على التخلي عن فوتوناتها بحيث تنضم أفواجها المتماسكة و المتحررة حديثاً إلى الفوتونات الصادمة مما يؤدي لغزارة أعدادها وصلابة تماسكها وتضخيم طاقاتها . شروط حدوث الإشعاع المحثوث ( الليزري) : 1- أن تثار ذرات المادة لسويات طاقة عالية وبأعداد هائلة ويتم ذلك بتطبيق طاقة إثارة مناسبة عليها . 2- أن تكون المادة الفعالة المستعملة ذات ثلاث مستويات للطاقة أو أكثر . 3- أن توضع المادة الفعالة بين مرآتين كي يتحقق انعكاسات متعددة للشعاع بينهما وبالتالي تحقيق أكبر عدد ممكن من الإصدارات المحثوثة ذات الفوتونات المتماسكة . 4- أن تطبق على الجملة طاقة حقن خارجية كي تحدث إثارة لذرات المادة وشحنها بالطاقة وبالتالي لجعلها جاهزة ومهيأة لإطلاق الفوتونات المتماسكة حال حدوث اصطدامات مع فوتونات سريعة تعبر المادة .
.
.
تابع