[Diamond]

طبيعة الضوء - ( Light ( visual spectrum



يقصد بالضوء الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، و من الممكن ايضا ان يقصد به اشكال اخرى من الاشعاع الكهرومغناطيسي ،ومن المعروف أن الطيف الكهرومغناطيسي ينبع من الشمس وتختلف تردداته من الأشعة تحت الحمراء والأشعة المرئية (الضوء) وهو الجزء من الأشعة الكهرومغناطيسية التي يتفاعل معها جهازنا البصري ويميزها ، والقسم الثالث وهو الأشعة فوق البنفسجية .

الابعاد الثلاثة الاساسية للضوء (وكل اشكال الاشعاع الكهرومغناطيسي) هي الشدة (او المطال) و اللون (او التواتر) و الاستقطاب (او زاوية الاهتزاز). نتيجة لطبيعته ( موجة-جسيم)، يبدي الضوء سلوك الدقائق و الامواج بآن واحد ، وتبلغ سرعة انتقال الضوء في الفراغ ما يساوي 300 ألف كيلومتر في الثانية.

ارتبط تفسير طبيعت الضوء بنظريتين فيزيائيتين، الأولى (النظرية الجسيمية - الدقائقية – لنيوتن) وتتحدث عن الجسيمات "particles"، و يتم التعبير عن جسيمات الضوء هنا بما يعرف بالـ "الفوتون" أو جسيم الضوء فائق السرعة فائق الصغر، والنظرية الثانية (النظرية الموجية للعالم الهولندي هيجنز) و تفسر الضوء باعتباره موجات "waves"، والحقيقة أن كلنظرية منهما تصلح لمجال معين من الدراسة وتحقق نتيجة صحيحة ضمن ذلك المجال ، وتفسير طبيعة الضوء في "ضوء" نظرية واحدة فقط يعتبر تفسيرا قاصراً ومغلوطاً والصحيح ان الضوء ذو سلوك مادي وموجي بأن واحد .

التطور الزمني والتقني للاكتشافات الضوئية

*منذ البدء اهتمّ الإنسان بالظواهر الطبيعية، وعبر تاريخ البشرية تفاوتت ردود أفعال الناس بين تقديس وعبادة الظواهر التي كانت تثير فيهم الرعب أو الاندهاش لآثارها وتجلّياتها، وبين الأخذ بأسباب الحيطة في التعامل معها والاستفادة من بعض أحوالها وتغيّـراتها، وكانت (الشمس) أساساً لأنواع من العبادات مختلفة، كما كانت (النار) منطلقاً لدرجات من التقديس متفاوتة، وانهمك الفلاسفة منذ القدم في محاولات تحليل (الضوء) مصدراً وآثاراً وماهية،وقد ساد الاعتقاد منذ عهد الفلاسفة اليونانيين بأن (الضوء) عبارة عن جسيمات تنبعث من الأجرام المضيئة.
وأمـا (أفلاطون) و(بطليموس) وعدد غير قليل من فلاسفة اليونان فقد اعتقدوا أن الإبصار يتم بخروج نور من العين إلى الجسم المرئي مما ينجم عنه إحساس بالرؤية.

*وهذا ما نفاه ابن الهيثم بعد ذلك ليقف بوجه الإعتقادات الفلسفية اليونانية ويضرب بافتراضاتهم عرض الحائط ، فقد وضع اساسا لعلم لم يكن موجودا
(علم البصريات ) كما سمّاه حينه ، معتمدا على التجربة والبرهان والبحث العلمي في إثبات صحة نظرياته، فقد قال ابن الهيثم بــ ( نظرية الورود)، أي إن الضوء يرد من الأجسام المرئية إلى العين لتحصل الرؤية بذلك .

ويرى ابن الهيثم أنه إذا صدر الضوء عن جسم مضيء بذاته أو مضاء بنور واقع عليه، فإنه يقع على جميع الأجسام المقابلة لذلك الجسم. والأضواء الصادرة عن الأجسام تختلف قوة وضعفا ، فالأضواء الذاتية أقوى من الأضواء العرضية؛ والأضواء العرضية الثواني المنعكسة عن سطح وقع عليه ضوء ذاتي، أقوى من الأضواء العرضية الثوالث المنعكسة على سطح وقع عليه ضوء عرضي.

وأشار إلى أن الضوء لا ينفذ في الأجسام الكثيفة وينفذ في الأجسام الشفيفة . والجسم الشفيف يقبل الصور التي ترد عليه مع الضوء قبول تأدية، إذ يستطيع نقلها من مكان إلى آخر؛ لا قبول استحالة، أي لا يستحيل بها لا يتبدل بسببها من حال إلى حال.

*ظلت نظرية ابن الهيثم هي السائدة طوال قرون ثلاث، ثم جاء عالم الرياضيات والفيزيائي الإنجليزي إسحاق نيوتن ، الذي وصف الضوء بأنه انبعاث جسيمات،ومن الناحية التجريبية فقد كانت خواص الضوء , كالإنعكاس على سطح مصقول و الإنكسار على سطح الماء, معروفة من خلال ما قدمه ابن الهيثم لذا كان على نيوتن إعطاء تفسير لهذه الظواهر على أساس نظريته الجسيمية.

وبحسب ابحاث نيوتن فإن انعكاس الضوء على السطوح المصقولة بحيث تكون زاوية الإنعكاس تساوي زاوية الورود سببه التصادم المرن لهذه الجسيمات وارتدادها بنفس كمية الحركة. أما إنكسار الأشعة الضوئية, فقد فسره بإختلاف القوى المؤثرة على الجسيم في كلا الوسطين.

وقد كان إسحاق نيوتن (Isaac Newton) من مؤيدي النظرية الجسيمية ، فهو يعتقد أن الضوء عبارة عن جسيمات "Particles" مستندا عل حقيقتين:
1- أن الضوء يسير في خطوط مستقيمة في الأوساط المتشابهة، وظاهرة تكون الظلال دليل يؤيد هذه الحقيقية.
وكان نيوتن يدرك أنه إذا كان الضوء عبارة عن حزمة من الموجات فعليه أن يعاني من الانحراف حول الزوايا "الأركان" وهذا ما لم يثبته عمليا ولم يشاهده تجريبيا ،مما جعل النظرية الموجية مرفوضة لدية رفضا تاماً.

2- عند مرور الضوء الأبيض في الموشور فإنه يتحلل إلى عدة ألوان، وتبعا للنظرية الجسيمية فإن كل لون يتبع لنوع معين من الجسيمات ، كل جسيم يسير بسرعة مختلفة عن الآخر وينكسر بزاوية مختلفة أيضاً مما يسبب ظهور الألوان المميزة لكل جسم ،وهذا ما استنتجه نيوتن تجريبياً .



اهتمّ (نيوتن) بظاهرة (الضوء) وأجرى مجموعة من التجارب للخـــلوص إلى فهم علمي دقيق لسلوك (الضوء) وطبيعته، وكان البحث الذي نشره (نيوتن) في عام 1672م، تحت عنوان (نظرية جديدة عن الضوء والألوان)،يتلخّص في تجربة أجراها (نيوتن) إذ وضع منشوراً ثلاثياً مصنوعاً من زجاج في غرفة مظلمة، وسمح لشعاع رقيق من ضوء الشمس بالمرور عبر ثقب في نافذة الغرفة، فسقط هذا الشعاع على أحد وجوه المنشور، وخرج من الطرف الآخر ليسقط على حاجز، وكانت النتيجة أن تحلّل الضوء الأبيض وتفرّق إلى سبعة أضواء ملوّنة، وهي الأحمر، فالبرتقالي، فالأصفر، فالأخضر، فالأزرق، فالنيلي، فالبنفسجي.وقد أطلق (نيوتن) على هذه الأضواء الملونة اسم ( الطيــــــــف)

لقد لاقت أفكار نيوتن نجاحاً في أول الأمر لكن سرعان ما أكتشفت ظواهر جديدة تناقض هذه الأفكار: لعل أهمها يتلخص في ظاهرة( إنتشار الضوء ), حيث إذا ما سلطنا منبع ضوئي على حاجز به ثقب ، فالملاحظ على شاشة وراء هذا الحاجز ظهور بقعة ضوئية أعرض من الثقب و يزداد حجمها كلما ابتعدنا عن الثقب.
هذا يتعارض كلياً مع فرضية نيوتن فإذا افترضنا أن الضوء عبارة عن جسيمات تسير في خط مستقيم فإن ذلك يعني أن حجم البقعة الضوئية سيساوي حجم الثقب لأن الحاجزسوف يمنع الجسيمات التي لم تمر عبر الثقب من العبور .

*طور الفلكي والرياضي والفيزيائي الهولندي كريستيان هويجنز النظرية التي مؤداها أن الضوء ينتقل بحركة الموجات. والذي فسر الكثير من الظواهر الطبيعية للضوء كالتداخل والحيود والانكسار والانعكاس وغيرها.
هذا التفسير لمشاكل نيوتن في انتشار وتداخل الضوء دفع هويغنز إلى نتيجة أن :

الضوء عبارة في الحقيقة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث كل نقطة من صدر الموجة تصبح بدورها منبع لموجة أخرى .

ثم جاء إكتشاف آخر ليدعم فرضية الطبيعة الموجية للضوء ألا وهو ظاهرة التداخل في تجربة شقي يونج, حيث تسلط حزمة ضوئية على حاجز به شقين أبعادهما من رتبة بضع ملمترات والمسافة بينهما بضعة سنتمترات, خلف الحاجز وضعت شاشة مشاهدة للأشعة العابرة للشقين ، فلوحظ على الشاشة مساحات مضيئة والأخرى مظلمة بحيث يكون ظهورها متناوبا أي مضيئ مظلم مضيئ مظلم... وهكذا .

*وبعد فترة من الزمن وبينما كان ماكسويل(James Clerk Maxwell) يقوم بتجاربه المتعددة على المغناطيس والكهرباء ،استنتج أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية حيث أثبت نظريا أن سرعة هذه الموجات تساوي تقريبا سرعة الضوء ، وبالتالي يمكن القول أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية. وهذا ما جعل ( النظرية الموجية )مقبولة عالميا على الرغم من أنها لا تفسر بعض الظواهر كانبعاث الضوء من الذرات.

وظل الأمر هكذا إلى أوائل القرن العشرين حيث أعطى بور(Bohr) أول تفسير منطقي صحيح لميكانيكية انبعاث الضوء من الذرات، كما أشار آينشتاين(Einstein) إلى حقيقة أن الضوء مكون من جسيمات مكممة تدعى بــ الفوتونات "Photons" وبهذا فإنه أعط تفسير للظاهرة الكهروضوئية. ومن المعروف أن الطاقة الكهرومغناطيسية طاقة مكممة أي أنها تفقد وتكتسب بكميات معينة تعرف بالفوتون وذلك حسب النظرية الكمية للضوء وروادها بلانك وبور وآينشتاين.

*وحديثاً يمكن القول أن:

المفهوم الحديث للضوء يجمع بين نظرية نيوتن الجسيمية ونظرية هايجنز الموجية ، فالضوء ذو طبيعة ازدواجية (dual nature)

ومع التطور العلمي تعدّدت اكتشافات عناصر (الطيف) بعد ذلك لتتجاوز الألوان السبعة التي اكتشفها (نيوتن)، فبرزت في الساحة معطيات جديدة ليشمل (الطيف) نطاقاً واسعاً من (الموجات غير المرئية) التي تتفق مع موجات (الضوء) في كلّ خصالها وسلوكياتها، ولكنها تختلف فيما تحمله من طاقة، وتتمايز في أطوال موجاتها، وكـلّها أصبحت تنضوي تحت اسـم (الطيف الكهرومغناطيسي).




وأصبح (الـضـوء) يـحتلّ منطقة ضيقة جدّاً من ذلك (الطيف الكهرومغناطيسي) الرحب، فهناك أشعة جاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية، وهي التي تحتل مرتبة أعلى في الطاقة وأقصر في طول الموجة من موجات الضوء، وأمـا الأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة (المايكرويف) وموجات الراديو فإنها تحتل موقعاً أدنى في الطاقة وأطول في طول الموجة من موجات الضوء.