[grade="0000FF FF6347 008000 4B0082"]نظريات تفـسر سلوك الضوء :[/grade]
ظهرت عدة نظريات لتفسير ظواهر الضوء عند اصطدامه أو إختراقه أو امتصاصه في الأوساط منها :
1- نظرية الدقائق لنيوتن.
2- نظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية.
3- نظرية اينشتاين للفوتـون.
4- النظرية الموجية الكمية.
لقد كان يٌعـتقد حتى نهاية القرن الثامن عشر بأن الضوء شبيه بالصوت ويحتاج إلى وسط مادي حتى ينتقل ويسمى هذا الوسط بالأثير الذي كان يعرفه العلماء بأنة مادة رقيقة جداً ذات كثافة متناهية في الصغر وذلك لتبرير إن الأثير لا يمكن ملاحظته ولكن تجربة ( ميكلسون- مورلي) اثبتت أن الأثير غير موجود.
ففي عام 1905م وضع اينشتاين فرضاً لحل هذه المشكلة والفرض يقول :
(إذا كان هناك عدد من الراصدين يتحركون بسرعة منتظمة كل منهم بالنسبة للآخر وأيضاً بالنسبة للمصدر الضوئي وإذا كل من الراصدين يقيس سرعة الضوء الخارج من المصدر فأنهم جميعاً سيحصلون على نفس القيمة لسرعة الضوء ) .
وهي نفس فكرة جاليلو عام 1600م وهذا الفرض هو أساس النظرية النسبية الخاصة والتي استغنت عن فكرة وجود الأثير. وأثبت أن سرعة الضوء ثابتة في جميع المراجع.
1- نظرية الدقائق لنيوتن :
تصور نيوتن أن الجسم المضيء تنبعث منة جسيمات دقيقة كروية تامة المرونة و تسير بسرعة منتظمة كبيرة جداً وتختلف من وسط إلى آخر حسب كثافته. وتكون حركة هذه الجسيمات الكروية في خطوط مستقيمة في الوسط المتجانس الواحد وقد استدل نيوتن على أن الأشعة الضوئية عندما تصطدم بسطح عاكس فأن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس كاصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس مرتدة بحيث زاوية سقوطها تساوي زاوية انعكاسها.
أما في ظاهرة الانكسار فأنه قد فسره نيوتن عندما تخترق هذه الجسيمات الكروية الضوئية اوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أو الزجاج فأنها تنكسر داخل كل وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها. فعند انتقال الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل ومعنى ذلك أن المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر سوف تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين .
وبذلك سوف تزداد السرعة المحصلة أي أن سرعة الضوء في الوسط الكثيف سوف تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي أن سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط).
وهذا غير صحيح ويخالف التجارب العلمية حيث أن سرعة الضوء تكون اكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد كلما قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.
2- نظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية :
وجد ماكسويل أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية سرعتها تساوي سرعة الضوء. أي أن الضوء موجات كهرومغناطيسية لها طاقة إشعاعية وقد أتضح أنة ليست الشحنة الكهربائيه تولد مجالاً كهربائياً وهي ساكنة أو مجالاً مغناطيسياً وهي متحركة بل أيضا أن التغير في المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً وهذا نص قانون (أمبير) وأن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجال كهربائي وهذا نص قانون (فاراداي).
هذه الحقيقة هي نص أو أصل تكوين الموجات الكهرومغناطيسية حيث أن شحنة كهربائية متذبذبة تولد في الفضاء مجالين كهربائي و مغناطيسي أي مجالاً (كهرومغناطيسي) متغير وهذا المجال يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء نفسها
(3exp8).
C =1/ ((ε.μ)^(1/2)) = 3 exp8
أما شدة الضوء (I) أو شدة الموجة الكهرومغناطيسية فهي
(الطاقة في وحدة الزمن لوحدة المساحة وعمودية على اتجاه انتشار الموجة)
.
I= ε . (Eexp2) . c
حيث (E) شدة المجال الكهربائي أو المغناطيسي (B).
يحدد المدى التقريبي لطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديو ذات الطول الموجي الطويل إلى اشعة جاما ذات الطول الموجي القصير جداً والطاقة العالية.
والضوء المرئي( أي الذي يمكن للعين البشرية رصد موجاته) يقع بين مدى من فوق البنفسجي إلى تحت الأحمر ..
ومن الجدير بالذكر أنة لا توجد حدود تفصل مناطق الطيف من بعضها البعض.
عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية على سطح ما وبصورة عمودية فأن الجسم يمتص تلك الأشعة وأن هناك قوة تسمى قوة الأشعاع سوف تظهر وتحسب من خلال العلاقة التالية :
F= P/ ©
حيث P هي الطاقة لكل وحدة زمن أي القدرة للموجة الكهرومغناطيسية الممتصة ويمكن الحصول على P من خلال العلاقة التالية:
P= (u) / c
حيث u هي الطاقة الكهرومغناطيسية.
3- نظرية اينشتين للفوتون :
من أهم العلماء الفيزيائيين الذين قاموا بتفسير سلوك الضوء حول العالم بلانك الذي درس الطاقة الأشعاعية المنبعثة من الاجسام الساخنة واستطاع حسابها بالقانون التالي:
E= h . f
حيث (E) هي الطاقة
و (h) هو ثابت يسمى ثابت بلانك ويساوي 6.635exp-34 J.s)).
و (f) هو التردد الضوء المنبعث.
ووجد أن الضوء ينبعث على شكل كمات صغيرة سماها الفوتون واقترح اينشتاين على اساس فرض بلانك أن الطاقة في الحزم الضوئية تسير في الفراغ بشكل حزم مركزة من الطاقة وهي الفوتونات ويكون انبعاثها على شكل كمات أي دفعات واقترح أن الضوء المار خلال الفراغ لا يسلك سلوك الموجة اطلاقاَ بل سلوك جسيم الفوتون ..وبذلك تعارض اينشتاين في أول الأمر مع مبدأ النظرية الموجية للضوء التي حققت نتائج مخبريه عظيمة ولكن بعد مرور فترة زمنية أيد اينشتاين فكرة النظرية الموجية وعارض نفسه أي عارض مبدأ سلوك الجسيمات.
وفي عام 1924م وضع العالم (ديبرولي) مبدأ هام جداً وهو المبدأ السائد حتى الآن والذي نال على أثرة شهادة الدكتوراه في الفيزياء وينص على:
( أن للضوء صفة مزدوجة فهو يسلك سلوك الموجة تحت ظروف معينة - (وهذا يفسر الانعكاس والانكسار والاستقطاب و الحيود و التداخل وهذا ما يتفق مع نظرية ماكسويل)- وأن الضوء يسلك سلوك الجسيم (الفوتون) تحت ظروف أخرى -(وهذا يفسر تفاعل الضوء مع المواد والظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كومبتون وغيرها وهذا ما يتفق مع نظريات اينشتين- نيوتن ) .
وهذا يعني أن للمادة صفة مزدوجة فإذا كان لدينا جسم كتلته (m) يتحرك بكمية حركة (p) فأن طول الموجة المصاحبة له تعطى من خلال القانون التالي :
: λ = (h) / P
و هذا القانون مهم جداً وهو محور النظرية الكمية..
لاحظ في القانون أن :
P. λ= h
حيث أن (p) تمثل الاعتبارات الجسيمية و (λ) الاعتبارات الموجة وحاصل ضربهم هو ثابت بلانك (h).
ويعني بشكل أدق أنه يمكن القول بأن حزمة أي حزمة ضوئية لها تردد وطول موجي ويمكن اعتبارها موجة ويمكن القول أن الحزمة الضوئية مشكلة من الفوتونات أي لها طاقة حركة وكمية حركة.
4- النظرية الموجية الكمية :
لدراسة انتقال الطاقة كحركة موجية يتطلب عادة وسط حيث تتذبذب جزيئات الوسط.
فالجسيم المتذبذب يؤثر بقوة على جارة فتجعله يتذبذب ايضاً وبهذه الطريقة فأن الحركة من جسيم إلى آخر وبالتالي يتم انتقال الطاقة الموجية وهي حالة مشابهة لما يحدث في الماء عندما تنقل الطاقة إلى الضفة دون أن تنتقل جسيمات الماء نفسه.
وفكرة الأثير ابتكرت كي يكون هذا الوسط هو الوسط الناقل لضوء بالطريقة السابقة. ولكن الضوء حسب النظرية الكهرومغناطيسية لا يحتاج إلى وسط فهو يأتي من الشمس أي في الفراغ الذي لا وسط فيه وبسرعة الضوء المطلقة وقد استبدل في النظرية الكهرومغناطيسية الجسيمات المتذبذبة في حركة منتظمة وتوافقية بتغير المجالين الكهربائي (E) والمغناطيسي (B).
وقد عرفت جبهة الموجة على أساس ذلك بأنها المحل الهندسي لجميع النقاط ذات الطور الواحد.
يتبع..