كل مايخص الضـــــــــــــــــــوء

كل مايخص الضـــــــــــــــــــوء

الضـــــــــــــوء


مألوف جدًا إلى درجة أننا نراه من المسلمات، في حين أن العالم سيتغيربسرعة لو كان الضوء غير موجود، فنحن لا نستطيع أن نرى بدون الضوء وذلك لأن الضوءيقع على الأشياء ثم ينعكس إلى عيوننا مما يجعل الرؤية ممكنة. وبدون الضوء لايمكنناأن نملك طعامًا لنأكله ولا هواء لنتنفسه. و تعتمد النباتات الخضراء على ضوء الشمسللنمو وتكوين الطعام. ويأتي جميع الطعام الذي نأكله من النباتات أو من الحيواناتالتي تأكل النباتات. وعند نمو النباتات فإنها تعطي الأكسجين الضروري بوصفه جزءًا منالهواء الذي نتنفسه.
ويعطينا الضوء الوقود، وخزنت الطاقة الموجودة في ضوء الشمس والتي تشرق على الأرضمنذ ملايين السنين في النباتات. وعندما تموت هذه النباتات تتحول إلى فحم حجري وغازطبيعي وبترول، وهي مواد ذات طاقة يمكن بها إنتاج الكهرباء وتشغيل الآلات.
يسخّن ضوء الشمس الأرض، وبدونه سوف تكون الأرض باردة جدًا ولا يستطيع أحد أنيعيش عليها. ولمعلومات إضافية عن الضوء وطاقة الشمس.
وجد الناس طرقًا لتكوين الضوء والتّحكّم فيه ليتمكنوا من الرؤية في مواضع أوأوقات لا يصل فيها ضوء الشمس. وأنتجوا في البداية ضوءًا من نار المخيم والمشاعل،وطورت بعد ذلك الشموع ومصابيح الزيت، ثم ظهر ضوء الغاز وضوء الكهرباء.
استخدم الناس الضوء لعدة أغراض غير الرؤية. فالضوء الموجود على شاشة التلفاز،على سبيل المثال، يتألف من بقع الضوء. وباستخدام معدات علمية استطاع الناس دراسةالضوء نفسه، وعرفوا كثيرًا عن الكون، فالضوء القادم من النجوم البعيدة مثلاً، يمكنأن يساعد العلماء على معرفة مم تتكون تلك النجوم. ومنه يعرفون إذا كانت النجومتتحرك باتجاه الأرض أو تبتعد عنها، وما سرعتها.
واستخدم العلماء الضوء لمعرفة ودراسة المواد الكيميائية، بالإضافة إلى أن الضوءيستخدم للاتصالات. فالألياف البصرية تنقل المعلومات على شكل ضوء لمسافات بعيدة،وبدأت تحل باطراد محل أسلاك النحاس المستخدمة من قبل شركات الهاتف. ويجرب العلماءالضوء في الوقت الحاضر، بوصفه حاملاً للمعلومات داخل المعالج المركزي السريع جدًا،لعمليات الحاسوب.
ما الضوء؟ هذا السؤال كان محيّرًا لعدة قرون. فقد اعتقد الناس أن الضوء شيءينتقل من عيون الناس إلى الأجسام ثم يرجع مرة أخرى. فإذا اعترض أي شيء الشعاع عنالعين فلا يمكن أن يرى الجسم. كما حاولوا أن يبرهنوا على أن الضوء يحتاج إلى وسط،سميبالأثير.وعرف العلماء عن الضوء الشيء الكثير منذ القرن السابع عشرالميلادي. فقد عرفوا أن الضوء شكل من أشكال الطاقة ويمكنه السير بحرية خلال الفضاء. وتسمى طاقة الضوءبالطاقة المشعة.وهناك عدة أنواع من الطاقة المشعة منهاالأشعة تحت الحمراء ، والموجات الراديوية، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة السينية. ويمكننا رؤية جزء صغير من الأنواع المختلفة من الطاقة المشعة، وهذا الجزء يسمىالضوء المرئيأو ببساطة هوالضوء.
وتشرح هذه المقالة مصادر الضوء، وطبيعة الضوء، وماذا يحدث عندما يسقط على مختلفالمواد. كما تبين أيضاً كيفية قياس الضوء وتشرح اكتشافات العلماء المهمة حول الضوء.

مصادر الضوء
يساعدنا الضوء على أن نرى، ومعظم الأشياء التي نراها، كالشمس وضوء الغرفة هي مصادرللضوء. ويمكن أن نرى بقية الأشياء لأن الضوء يرتد من المصدر ويسير إلينا. ويمكن أنيُصنّف مصدر الضوء إلى مصادرطبيعيةومصادراصطناعية.فالضوء الطبيعييأتي من المصادر التي لا يمكننا التحكّم فيها مثل الشمس والنجوم. ويأتي الضوءالاصطناعي من مصادر يمكن التحكم فيها كضوء الشموع وضوء السيارات، والضوءالكهربائي.
كيف ينتج الضوء.يأتي الضوء بكامله من الذرات، وينتجبوساطة الذرات التي حصلت على طاقة إما بوساطة امتصاصها للضوء من مصدر آخر، وإمالأنها ارتطمت بجسيمات أخرى. والذرة التي اكتسبت هذه الطاقة الإضافية، تُسمىمثارة.وعادة تبقى هذه الذرة مثارة لفترة قصيرة، ثم تهبط بإعطاء هذه الطاقةالزائدة إلى ذرة أخرى أوتبعثضوءًا، والضوء المنبعث يحمل هذه الطاقةالزائدة. وتختلف كمية الطاقة اللازمة لإثارة الذرات وكمية الطاقة المنبعثة منها علىشكل ضوء باختلاف الذرات.
ويوصف الضوء عادة بأنه موجة تشبه موجة المياه التي تمر عبر البحيرات، ويمكن أنيوصف الضوء بأنه جسيمات صغيرة تسمىالفوتونات.ويتحرك كل فوتون في خط مستقيمتمامًا كما تتحرك كرة البلياردو. وفي كلا الوصفين السابقين للضوء فإنه يملك طاقةوكمية. هذه الطاقة المحمولة بوساطة الموجات أو الفوتونات تحدد لون الضوء. افرض أنكرأيت مثلاً، تفاحة حمراء على كرسي أزرق، فكل فوتون من التفاحة يملك طاقة أقل منطاقة فوتون الكرسي.
وإثارة الذرات لكي تبعث ضوءًا تتم بطريقة التسخين. فمذكِّي النار (قضيب معدني) يمكن تسخينه حتى يصبح لونه أبيض من شدة الحرارة. وبسبب التسخين فإن الذرات التي علىسطح مذكّي النار تتصادم بعنف مع بعضها، وعندما تتصادم تثير إحداها الأخرى وتتخلص كلذرة من طاقتها الزائدة بأن تبعث ضوءًا. لكنها وبسرعة تثار مرة أخرى بوساطة تصادمآخر، تنتج هذه التصادمات حالات متغيرة للذرات التي تنطلق منها الفوتونات المختلفةالطاقات. ويعطينا امتزاج الألوان الناتجة اللون الأبيض، وكلما برد مذكّي النار فإنعددًا قليلاً من الذرات يثار إلى طاقات عالية، ولذلك فإن الذرات تبعث عددًا قليلاًمن الفوتونات ذات الطاقات العالية التي ينتج عنها الضوء الأزرق. ومادام الضوءالأحمر لايزال منبعثًا فإن مذكّي النار البارد يبدو أحمر.
مصادر أخرى للضوء.حصل كثير من المواد على الطاقة ومن ثمتبعث ضوءًا دون أن تسخن لدرجة كبيرة. ويتم ذلك خلال عملية تسمىالإشعاعالضوئي. وتتوهّج بعض المواد المشعّة ضوئيًا في الظلام لفترة طويلة بعد أن تحصلعلى طاقة زائدة ويطلق عليها مواد ذات ومض فوسفوري وتبقى الذرات مثارة لبعض الوقتقبل أن تهبط وتبعث ضوءًا، وهناك مواد معينة ذاتومض فوسفوري.تستخدم للترقيمونراها تتوهج في أوجه الساعاتوبعض المواد الأخرى ذات التألق الضوئيتبعث ضوءًا عند تعرضها إلى طاقة تثيرها وتسمىمواد فلوريةأوقابلةللفلورة..يعطي الحباحب (ذبابة ذات ألوانوفي ذنبها شعاع) وأنواع قليلة أخرى من الكائنات الحية، ضوءًا بعملية تُسمّىالإشعاع الضوئي الحيوي، في هذه العملية تتحد المواد الكيميائية التي في الكائنالحي لإنتاج مواد كيميائية مختلفة تحتوي على ذرات مُثارة. وتعطي هذه الذرات فوتوناتعندما تتخلص من الطاقة المثيرة.
وتتوهج الشمس بسبب التفاعلات النووية بين ذرات الهيدروجين داخل مركزها منتجةكمية هائلة من الطاقة. وتحمل الطاقة إلى سطح الشمس بوساطة الفوتونات وأجسام أخرى. وعند السطح تثير هذه الجسيمات الذرات التي تهبط مرة أخرى بوساطة بعثها للضوء، وتحصلالأرض على جزء من هذا الضوء. وتبعث جميع النجوم الضوء بهذه الطريقة.
والفلق مثل الضوء القطبي الشمالي، هو انبعاث الضوء بوساطة جزيئات الهواء. فعندما تصل الجسيمات ذات السرعة العالية إلى الأرض، نتيجة للانفجارات الكبيرة فيالشمس، تتصادم مع جزيئات الهواء. وهذه التصادمات تثير الجزيئات بطاقة عالية، ثمتحرر الجزيئات هذه الطاقة بإعطائها ضوءًا. وعندما يحدث التصادم أثناء الليل فإنالضوء المنبعث يكون مضيئًا لدرجة كافية لرؤيته.
والليزر نبيطة تنتج شعاعًا ضوئيًا حادًا وذا قدرة عالية، وفيه تمتلك جميعالفوتونات نفس الطاقة، وتسير في نفس الاتجاه. والليزر يستخدم في البحوث العلمية،والجراحة، والاتصالات التليفونية، وكذلك له استخدامات صناعية وحربية عديدة.
طبيعة الضوء
كان العلماء خلال القرن التاسع عشر يظنون أن الضوء موجة تنتقل كما تنتقل الموجةالمائية. وقد راجت النظرية الموجية للضوء لأنها مكّنت العلماء من تفسير ظاهرةنمط التداخل، وهي خطوط ساطعة وأخرى مظلمة تحصل عليها العلماء من التجاربالضوئية.
وإذا كان الضوء موجة فماهي هذه الموجات؟ موجات الماء سهلة التفسير لأنها تسيرخلال سطح الماء بينما الماء نفسه يتحرك إلى أعلى وأسفل. وبالنسبة لعلماء القرنالتاسع عشر كان الضوء يبدو مختلفًا عن موجات الماء بسبب انتقاله في الفضاء من الشمسوالنجوم الأخرى إلى الأرض، فافترضوا أن موجات الضوء يجب أن تنتقل خلال مادة تمامًاكما هو الحال بالنسبة لموجات المياه التي تنتقل خلال الماء. وأطلق العلماء على هذهالمادة اسمالأثير، بالرغم من أنهم لم يتوصلوا إلى مايبرهن على وجود هذهالمادة. واستطاع العلماء بنهاية القرن التاسع عشر التوصل إلى أن موجات الضوء تتألفمن مناطق تعرفبالمجالات الكهربائية والحقولأوالمجالاتالمغنطيسية.
يبدأ النموذج البسيط لموجة الضوءبشعاع(خط مستقيم) يوضح اتجاه انتقالالضوء. وتمثل الأسهم القصيرة التي على طول الشعاع، والمتعامدة (زاوية قائمة) عليه، المجال الكهربائي. وتشير بعض الأسهم إلى الأعلى من الشعاع والأسهم الأخرىتشير إلى الأسفل منه. وهي تختلف في الطول، لذلك فإن النمط الكلي لرؤوس الأسهميُشْبه الموجة والأسهم التي تمثل الحقل المغنطيسي هي أيضًا تشبه الموجة ولكن هذهالأسهم تصنع زاوية قائمة مع الأسهم التي تمثل الحقل الكهربائي. وهذا النمط يتحركخلال الشعاع وهو الضوء.
أثبتت التجارب في بداية القرن العشرين أن العلماء في النهاية تركوا فكرة الأثير. وأدركوا أن موجة الضوء، بوصفها نمطًا منتظمًا من الحقول الكهربائية والمغنطيسية،يمكن أن تنتقل عبر الفضاء.
تشبه موجات الضوء الأنواع الأخرى من الموجات في بعض صورها مثلالطولالموجيوالترددوالسعة. فالطول الموجي هو المسافة لخط مستقيم منقمة الموجة إلى القمة التي بعدها. وتردد الموجة هو عدد المرات التي تمر خلالهاالقمة من نقطة ثابتة في الثانية. وسعة الموجة هي أكبر مسافة للقمة أوالقاع (النقطة السفلى من الشعاع).
وأبسط علاقة موجودة بين تردد الموجة والطول الموجي هي: كلما زاد التردد قلّالطول الموجي. وتعتمد طاقة الموجة على سعتها، فكلما زادت السعة احتوت الموجة طاقةأكبر، وطاقة موجة الضوء هي أيضًا مقياس لترددها والطول الموجي يحدد لون الضوء.
الفوتونات.اقترح العالم الفيزيائي الألماني المولد ألبرتأينشتاين في سنة 1905م نموذجًا للضوء، وهو مفيد تمامًا مثل النموذج الموجي. يتصرفالضوء في بعض التجارب كما لو أنه جسيمات، ونسمّي هذا النوع من الجسيمات الآنالفوتونات.وفي نموذج أينشتاين فإن شعاع الضوء هو المسار الذي يسلكهالفوتون. فمثلاً عندما يرسل المصباح شعاعًا من الضوء خلال غرفة مظلمة فإن شعاعالضوء يتألف من عدد كبير من الفوتونات، وكل واحد منها يسير في خط مستقيم. فهل الضوءموجات أو جسيمات؟ فيما يبدو، لا يمكن أن يكون النموذجان معًا، لأن النموذجينمختلفان تمامًا. وأفضل إجابة أن الضوء لا هذا ولا ذاك. ويتصرف الضوء في بعض التجاربكما لو أنه موجة، وفي بعضها الآخر كما لو أنه جسيمات. وللضوء في الفراغ سرعة واحدة،بعكس الأنواع الأخرى من الموجات، وهي أقصى سرعة ممكنة لأي شيء. ولا يفهم العلماءكنه هذه الحقيقة. والحقيقة التي تنص على أن الضوء في الفراغ يملك سرعة واحدة هيواحدة من أسس النظرية النسبية لأينشتاين
عندما يدخل الضوء مادة مايصطدم بالذرات التي تعطل سيره، إلا أنه يسير بسرعتهالمعتادة بين ذرة وأخرى.الموجات الكهرومغنطيسية. يسمى الضوء موجات كهرومغنطيسية لأنهيتألف من مجال كهربائي وحقل مغنطيسي. ويطلق مصطلحالضوءعادة علىالموجاتالكهرومغنطيسيةالتي يمكن أن نراها فقط. ويجب أن يحتوي الضوء المرئي، على قيمأطوال موجية في نطاق محدود وضيق يسمىالطيف المرئي.ويملك الضوء البنفسجيأقصر الأطوال الموجية التي يمكن أن تُرى، بينما يملك الضوء الأحمر أطول طول موجي،وتقع بين هذين بقية الألوان الأخرى من الطيف، وكل واحد له طول موجي خاص. وبرؤية هذهالألوان جميعها في نفس الوقت فإنها تبدو بيضاء اللون. ويحتوي ضوء الشمس على جميعهذه الألوان. وهو أبيض، ولكن عندما يمر خلال شكل خاص شفاف وصلب نسميهالمنشورفإن الألوان تنفصل ويمكن عندئذ رؤيتها.
ويكون الطيف المرئي جزءًا صغيرًا فقط من النطاق الكامل للموجات الكهرومغنطيسية. وتُسمى الموجات التي لها أطوال موجية قصيرة جدًا وأقل بقليل من أن ترى بالموجاتفوق البنفسجية. وتسبب هذه الأشعة السَّفْع وحروق الشمس وسرطان الجلد. وتسمى الموجات التي لها طول موجي أقصر من الشعاع فوق البنفسجيالأشعةالسينية، وبإمكانها اختراق جسم الإنسان. ويستخدم الأطباء وأطباء الأسنان هذهالأشعة لرؤية ما بداخل الجسم. أماأشعة جامافلها أطوال موجية أقصر منالأطوال الموجية للأشعة السينية وتنتج من التفاعلات النووية مثل التي تحدث فيالشمس.
والموجات التي لها طول موجي أكبر بقليل من الأطوال الموجية للضوء الأحمر تُسمىالأشعة تحت الحمراء.وعندما تقف تحت أشعة الشمس المشرقة أو أمام نار فإنكسوف تشعر بدفء تام وذلك بسبب تعرضك للأشعة تحت الحمراء. والموجات الدقيقة (الموجات المتناهية الصغر أو المايكروويف) والراديويةلها أطوال موجيةأطول من الموجات تحت الحمراء ويسلِّط فرن الموجات الدقيقة (المايكرويف) موجاتهالدقيقة على الطعام لتسخينه ويسلط الشرطي المسؤول عن وحدة الرادار موجات دقيقة علىالسيارة القادمة لقياس سرعتها. وترسل برامج وهيئات محطات الراديو والتلفاز الموجاتالراديوية.
ينفصل ضوء الشمس إلى ألوانه المختلفة بوساطة المنشور الذي يعطيطيفًامستمرًا. ويمتزج الطيف تدريجيًا من اللون إلى اللون الذي يليه من البنفسجي إلىالأحمر. ومعظم المصادر الأخرى لا تستطيع أن تنتج طيفًا مستمرًا. فمثلاً يمكن لمصباحإنارة الشوارع أن يعطي اللونين الأصفر والأزرق وبعض الألوان المعتمة، ولكنها تحتويأيضًا على مناطق مظلمة في طيفها. وتُنتج هذه الألوان من ذرات محددة في الغازالموجود داخل المصباح. فمثلاً يأتي الضوء الأصفر من ذرات الصوديوم، وكل نوع منالذرات يمكنه أن ينتج ألواناً محدودة فقط. ويمكن للعلماء أن يعرفوا ما أنواع الذراتالتي تؤلّف مصدر الضوء بوساطة ملاحظة الألوان الموجودة في الضوء. وتسلط الألوانخلال جهاز يُسمىمقياس الطيفلفصل الألوان. ومقياس الطيف منشور بسيط، وقديكون جهازًا أكثر تعقيدًا. ويحتوي الطيف في بعض الأحيان على فجوات وذلك لأن ضوءالمصدر يكون قد سار خلال غاز والذي بدوره يمتصّ ألوانًا محددة. فمثلاً بتسليط ضوءالشمس خلال مقياس طيف عالي الجودة فإن طيفه سوف يحتوي على الآلاف من هذه الفجوات. فالضوء الناتج من الشمس سوف يمر خلال الفضاء الخارجي للشمس حتى يصل إلى الأرض. وكلنوع من الذرات في المحيط الشمسي يمتص ألوانًا محدودة، وبوساطة معرفة ما هي الألوانالتي اختفت، يحدد العلماء نوعية الذرات الموجودة في المحيط الشمسي.
خواص الضوء
يسمى علم دراسة الضوءالبصريات.وبمعرفة خواص الضوء تمكَّن العلماء منمعرفة كيفية تصميم أنواع مختلفة من الأجهزة الضوئية التي تساعد في دراسة الكون. فعلى سبيل المثال يمكِّننا المجهر من رؤية الأشياء الصغيرة جدًا مثل الكائنات الحيةأحادية الخلية. أما بوساطة المقراب (التلسكوب) فيمكن أن نرى الأجرام السماويةالبعيدة ذات الأحجام الكبيرة كالمجرات والكواكب السيارة. ويساعدنا علم البصريات علىفهم حاسة البصر، وألوان السماء، وبريق الماس، والعديد من مكونات العالم اليومي.
الانعكاس والانكسار والامتصاص. عندما يصل الشعاع من الضوءإلى سطح يفصل بين نوعين من المواد مثل الهواء والزجاج، يمكن أن تحدث له عدة أشياء. فجزء من الضوء يمكنه أن ينعكس من السطح بينما يمر جزء خلال السطح. أما الضوء الذييدخل الوسط الثاني فينكسر (يغير اتجاه مساره) بالإضافة إلى إمكانية امتصاص جزء منالضوء بوساطة الجزيئات التي على السطح أو داخل الوسط الثاني.
وتسمحالمادة الشفافةبمرور الأشعة الضوئية دون خلطها، وعليه يمكن الرؤية منخلالها. أما المواد شبه الشفافة فهي أيضًا تسمح لأشعة الضوء بالمرور خلالها، ولكنهاتؤدي إلى اختلاط الأشعة الضوئية، ولذلك لا تمكن من الرؤية بوضوح خلال هذه المواد. أما المواد غير الشفافة أو المعتمة فإنها تمنع الضوء من المرور.