[عادل الثبيتي]

توصف جميع الخواص المعروفة للضوء بدلالة التجارب التي اكتشفت بها و كذلك من خلال التجارب الإيضاحية وبالرغم من اتخاذ التجارب خواص متعددة إلا انه يمكن تصنيف التجارب تحت ثلاثة عناوين وهي:


1- البصريات الهندسـية.
2- البصريات الموجية (الطبيعة).
3- البصريات الكمية.

البصريات الهندسية وتشمل دراسة انتشار الضوء في خطوط مستقيمة، سرعة الضوء، خواص الضوء، الانعكاس، الانكسار، التشتت، خواص الضوء عند السطوح، والأجهزة البصرية، العدسات والمرايا وهذا الذي يهمنا في هذا البحث.

البصريات الموجية هي التداخل، الحيود، الاستقطاب، الانكسار المزدوج والأطياف الضوئية.

البصريات الكمية وتشمل دراسة المدرات الذرية وكثافة الاحتمالية وتوزيعات الالكترونات ومستويات الطاقة و كمية الإشعاع الصادرة عن الأجسام والكمان حسب نظرية الكم لبللنك وأشعة الليزر وأشعة اكس وجسيمات إلفا وبيتا وجاما.

تعريف الضوء

الضوء : هو ذلك الإشعاع الذي يؤثر على العين ويسبب الرؤية وقد مر هذا التعريف بمراحل تاريخية متعددة إلى أن أصبح بصيغة هذه وهو تعريف طبيعي لا يتدخل في التفاصيل الدقيقة أو الطبيعية لضوء .
ولكن التعريف الدقيق لضوء أو التعريف العلمي لضوء هو ( أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية لها طاقه تظهر على شكل صورة إشعاعية وتتحول هذه الطاقة الإشعاعية إلى الأنواع الأخرى المعروفة من الطاقة تحقيقاً لمبداء حفظ الطاقة ( الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم إلا بمشيئة الله ).

طبيعة الضوء وانتشاره

ينتشر الضوء في جميع الاتجهات وبسرعة فائقة جداً لدرجة لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول أنه يتحرك أسرع من الضوء يكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة لذلك فان لكل جسيم معين هناك ظل عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه - كما سنلاحظ ذلك لاحقاً - لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء بخطوط مستقيمة هو مبدأعلمي يتحقق من مشاهدة الظل وكذلك فإن تكون الضوء بالكاميرات هو تطبيق أو تحقيق آخر لهذا المبدأ.
تختلف حساسية العين باختلاف الطاقة الإشعاعية المستقبلة من الأجسام المضيئة أو المرئية والعين قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة لضوء العادي ضوء الشمس المرئي الواصل لسطح الأرض حيث لكل لون خواص مختلفة عن اللون الآخر حيث تقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A) وإلى (7000A) أي هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية.
لكن للعين ايضاً أن تكشف ضوء بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية وتستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الالكترونية الحساسة للكشف عن الإشعاع بدلاً عن العين البشرية وخاصة خارج الحدود المذكورة
(4000-7000A) هذه الحدود تعرف بحدود الضوء المرئي
(visible light).

وحسب تعريفنا السابق للضوء فيمكن أن نعطي تعريف حسب طبيعة الضوء واستناداً (إلى النظريات) بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة وتتميز الموجة عامة بالعوامل التالية :

1- سعة الموجة (a) بالمتر.
2- طول الموجة (λ) بالمتر.
3- سرعة الموجة (υ) متر/ثانية.
4- التردد (f) بالهرتز أي دورة/ثانية.
5- العدد الموجي(k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2Π/ λ) (متر)^(-1).
6- السرعة الزاوية(ω) والذي يساوي (ω=2Πf).

العلاقة الخاصة بسرعة الموجات تعطى كالتالي (υ=λ.f).

وفي علم البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر والمللي مايكرومتر أو النانومتر او الانجسترون حيث :

1A=10^(-10) meter
1μ=10^(-6) meter
1mμ=1nm=10^(-9) meter

فمثلاً طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤيا (4000A-7000A) ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء الوحيد فمثلاً نحصل على الضوء من الكهرباء ومن المصابيح الزيتية مثل مصابيح الإنارة.

سرعة الضوء
كان الفلكيون يعتقدون أن الضوء ينتقل بسرعة لانهائية كما كان يُعتقد أن أي حدث يحدث في أي مكان في الكون يلاحظ في جميع النقاط الأخرى في الكون في الوقت ذاته.
ويٌقال أن جاليلو قد حاول أن يقيس سرعة الضوء عام 1600م ولكنة لم ينجح في تلك الفترة إلا بعد محاولات متعددة وأقتنع أن سرعة الضوء لانهائية أي لا يوجد شي أسرع من الضوء.
ولكن في عام 1849م نجح العالم فيزو بإعطاء قيمة مطلقة لسرعة الضوء على كوكب الأرض وهي(2.9999 × 10^8 m/s) أما في الفضاء فان سرعة الضوء المطلقة هي (3×10 ^8 m/s) أما هذا الفرق البسيط لا قيمة له في الحسابات لأنة يساوي فقط (87000 m/s) أما في الأوساط المادية فينتقل بسرعة معتمدة على خواص الوسط حيث نستطيع وضع معادلة بين سرعة الضوء بالوسط (v) وسرعة الضوء في الفراغ © حيث

(c/n) =(v=c (ε.μ)^(1/2)

حيث (v) سرعة الضوء في الوسط المادي.
و© سرعة الضوء في الفراغ وهي تساوي (3exp8 m/s).
و(ε) معامل السماحية الكهربائيه أي (معامل سماح المجال الكهربائي للوسط ).
و(μ) معامل النفاذيه المغناطيسية أي (معامل النفاذ للمجال المغناطيسي للوسط).
و (n=(c/v معامل الانكسار للوسط حيث يمثل النسبة سرعة الضوء بالفراغ وسرعة الضوء في الوسط أو (n^2= ε.μ) لذلك قيمته دائماً اكبر من الواحد.

سرعة الضوء في الماء هي ثلاثة أرباع سرعة الضوء في الفراغ.
سرعة الضوء بالزجاج هي ثلثي سرعة الضوء في الفراغ.

نظريات تفـسر سلوك الضوء
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) اثبت إن 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 ) .

هي 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
(3 × 10 ^8).
C =1/ ((ε.μ)^(1/2)) = 3× 10^8

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 قوة تسمى قوة الأشعاع 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 6.635×10^-34 J.s)).
و (f) هو التردد الضوء المنبعث.

وأن 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

ومن وجه نظري فأن 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.

مبدأ هيجنز

افترض هيجنز أن الضوء على هيئة موجات ولم يتعرض لطبيعة هذه الموجات ولا لخواصها الكهرومغناطيسية و أنما وضع مبدأ على أساس هندسي وينص المبدأ :

( أن جميع النقاط التي تقع على جبهة الموجة يمكن اعتبارها مصادر لأمواج نقطية ثانوية تصدر منها مويجات ثانوية كروية وأن السطح المماس لكل هذه المويجات الثانوية يشكل جبهة الموجة الجديدة).

معامل الانكسار

يعرف معامل الانكسار أي وسط ضوئي بأنــــــــه :

(النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الضوء في ذلك الوسط ويرمز له بالرمز(n).

n = © / v

وهو عديم الوحدة وهذه بعض قيمــه :

للزجاج = 1.520
للماء =1.333
للهواء = 1.000001

الكثافة البصرية

تعرف الكثافة البصرية لأي وسط شفاف مقياسا معامل انكساره. فيقال أن الكثافة البصرية عالية للوسط إذا كان معامل انكساره كبير. ويقال أن الكثافة البصرية للوسط صغيرة إذا كان معامل انكساره صغير.

المسار الضوئي

لكي نعرف أساسيات البصريات الهندسية يجب التعرف على كمية جديدة تسمى المسار الضوئي.
ويمكن أعطاء تعريف للمسار الضوئي بأنــه :

(هو المسافة التي يقطعها الشعاع في الفراغ في نفس الزمن الذي يستغرقه اختراق الضوء أو الشعاع وسط مادي).
فإذا اخترق شعاع وسط معامل انكساره (n) لمسار هندسي (I) فيكون الزمن الذي استغرقة الشعاع في الوسط هو (t) ويساوي

t = (I) / v

(v) سرعة الضوء في ذلك الوسط.
ولكن

v = (c) / n

إذا

t = (L) / (v) = ( nI) / ( c) = ( L) / c

حيث L=n.l هي المسافة التي يقطعها الشعاع بسرعة (c ) أي في الفراغ
وبشكل عام فأن :

المسار الضوئي = المسار الهندسي * معامل الانكسار
وعند وجود عدة اوساط معامل انكساراتها و ( ni) ( n2)(n1)

مبدأ فيرمات

استناداً لتعريف المسار الضوئي اكتشف العالم فيرمات مبدأ مهم في البصريات الهندسية يمنح أي شعاع ضوئي مسارا من نقطة إلى أخرى ليكون الزمن للازم له اقصر ما يمكن أو اكبر ما يمكن أو يضل ثابت إذا قورن بالمسارات المتجاورة أي أنة مسار موقوف وباستخدام العلاقة التالية

t = L / c

يمكن القول بأن الشعاع الضوئي يسلك مسارا ضوئي اقصر ما يمكن أو اكبر ما يمكن أو مقدار ثابت. أي (L) تكون في نهاية عظمى أو صغرى أو مقدار ثابت بالنسبة لمتغير مستقل يعتمد على (L)
وبفرض أن

L= f x

ويكون

dL / (dx) = 0

وهذا هو التعبير الرياضي للمبدأ.