بحث كامل عن الضوء

 

الضوء

الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي ذو طول موجي، يمكن العين البشرية أن تراه إذا وقعت طول موجته بين نحو 750 نانومتر (الضوء الأحمر) و370 نانومتر (الضوء البنفسجي)، والعين تستطيع رؤية الأجسام غير الشفافة من خلال انعكاس الضوء عليها. كلمة الضوء تطلق على هذا الحيز الوسطي من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمتد من موجات الراديوية (أو موجات الراديو) المستعملة في إرسال الراديو بطول موجة بين السنتيمتر وعدة كيلومترات، ويمتد من الناحية الأخرى للأشعة تحت الحمراء ثم إلى الطيف المرئي ثم إلى الأشعة الفوق بنفسجية، إلى الأشعة السينية، ثم إلى أشعة جاما التي تصدر من أنوية الذرات ولها طاقات عالية تُقاس بالمليون إلكترون فولت MeV ودرجة نفاذ عالية.

· انكسار الضوء

الضوء هو موجة عرضية كهرومغناطيسية. ويعد الانعكاس وانكسار الضوء وانحرافه، والتضارب أهم ظاهرة يتم ملاحظتها عن طريق الموجات. وتتحرك الموجة الميكانيكية المتكررة التي تعتبر بمثابة اضطراب أو تشويش متكرر من خلال موجة متوسطة. وتتحرك الموجة المتوسطة في أي مكان. كما تتقلب الذرات الفردية والجزيئات في موضعهم المتوازن، حيث لم يتغير موضعهم المتوسط. كما تنقل هذه الذرات الفردية والجزيئات بعض من طاقتهم لجيرانهم عند التفاعل معهم. وفي المقابل تنقل الذرات المجاورة طاقتها للذرات الاخري التي تجاورهم أسفل الخط.وبذلك يتم نقل الطاقة بهذه الطريقة من خلال الموجات المتوسطة، دون نقل أي مواد أخرى. وبالتالي، تعتبر كل نقطة علي واجهة الموجة هي مصدر النقاط التي تعمل علي إنتاج موجات جديدة. وفي الثلاث أبعاد، تعتبر هذه الموجات الجديدة موجات كروية حيث تسمي (بالمويجات) التي تنتشر نحو الخارج بسرعة الموجات الموجودة في محيط الموجات المتوسطة. كما تنبعث المويجات عن طريق النقاط الموجودة علي واجهة الموجة حيث تتداخل مع كل مويجة(تصغير موجة) لتنتج الموجة المهاجرة أو المغادرة. وتسمي هذه القاعدة (بقاعدة هيجيين). وتقوم هذه القاعدة بالتحكم في الموجات الكهرومغناطيسية. وعندما نتعرض لدراسة انتشار الضوء، فإننا نحل أي واجهة موجيه محل مزيج من المصادر التي تم اضطرابها اعلي الواجهة الموحية، حيث يشع الضوء في هذه المرحلة نقطة علي صدر الموجة واجهة الموجة الأصلية واجهة الموجة الجديدة. وتمثل واجهة الموجة الموجودة علي الناحية الأخرى من الفتحة صدر الموجة الموضح بالأسفل، وذلك عندما يمر الضوء من خلال الفتحة الصغيرة، حيث يتماثل حجم الفتحة مع طول الموجة الضوئية. وينتشر الضوء علي حدود الحائل أو العارض. ويعتبر هذا العارض هو ظاهرة انحراف الضوء.

· طبيعة الضوء وانتشاره

ينتشر الضوء موجيًّا في جميع الاتجاهات وبسرعة فائقة جدًّا لدرجة أنه لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول إنه يتحرك أسرع من الضوء. ويكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. لذلك فان لكل جسيم ظل عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه، لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء في خطوط مستقيمة هو مبدأ علمي يتحقق من مشاهدة الظل، وكذلك فإن تجمع الضوء بالعدسات وبالكاميرات هو تطبيق لهذه الحقيقة. 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. ويقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A أو 400 نانو متر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) أي هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية. لكن للعين أيضًا أن تكشف ضوء بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية. ويستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الإلكترونية 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 نعرّف طبيعة الضوء استنادًا إلى معادلات ماكسويل ونظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريًّا، والجزء الآخر يتغير فيه المجال المغناطيسي دوريًّا أيضًا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي. والاثنان متعامدان على بعضهما.

· المنابع الضوئية

هناك العديد من المنابع الضوئية. وأكثر هذه المنابع شيوعا هي المنابع الحرارية: وهي عبارة عن جسم يصدر عند درجة حرارة معينة طيفًا مطابقًا لإشعاع الجسم الأسود. ومن الأمثلة على ذلك الطيف (الإشعاع المنبعث من جو الشمس عند ذروة منحني بلانك حوالي 6000 كلفن من الطيف الكهرومغناطيسي)، المصابيح الكهربائية المتوهجة (التي تصدر فقط حوالي 7٪ من طاقتها كضوء مرئي والباقي كأشعة تحت الحمراء)، والجزيئات الصلبة المتوهجة في النيران.

تنزاح الذروة في طيف الجسم الأسود في اتجاه مجال الأشعة تحت الحمراء للأجسام الباردة نسبيا مثل البشر. وكلما ازدادت درجة حرارة الجسم (كالحديد المنصهر)، تنزاح الذروة إلى أطوال موجية أقصر، مولدة أولا توهجًا أحمرًا، ثم توهجًا أبيضًا، وأخيرًا توهجًا أزرقًا حين تنزاح الذروة خارجة من الجزء المرئي من الطيف داخلة إلى مجال الأشعة فوق البنفسجية. يمكن رؤية هذه الألوان عند تسخين المعدن إلى درجات حرارة عالية فنرى اللون الأحمر ثم اللون الأبيض. أما الإصدارات الحرارية الزرقاء فلا يمكن رؤيتها غالبًا. واللون الأزرق الذي نراه في لهب الغاز أو مشعل اللحام هو في الواقع نتيجة لانبعاثات جزيئية، وخصوصًا من جذور CH الحرة (تصدر حزمة موجية طولها حوالي 425 نانومتر).

تصدر الذرات الضوء وتمتصه عند طاقات مميزة. مما يولد خيوط الإصدار الذري في طيف كل ذرة. يمكن للإصدار أن يكون تلقائيا(Spontaneous emission)، كما في حالة مصباح ثنائي باعث للضوء، ومصباح التفريغ الغازي (مثل مصابيح النيون، ولافتات النيون، ومصابيح بخار الزئبق، وغيرها)، واللهب (ضوء صادر عن الغاز الساخن نفسه، على سبيل المثال، يـُصدر الصوديوم ضوءا أصفرا عند وضعه في لهب الغاز). ويمكن أيضا أن يكون الإصدار محفزًا، كما هو الحال في الليزر أو في الموجات الدقيقة للمايزر.

تباطؤ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات، يمكن أن يُولد إشعاعًا مرئيًا: إشعاع سيكلوتروني، وإشعاع سنكتروني، وأشعة انكباح. الجسيمات الأولية المتحركة بسرعة أكبر من سرعة الضوء ضمن وسط ما يمكن أن تولد إشعاع شيرنكوف.

تُولد بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا بعملية الضيائية الكيميائية. وكذلك في الأجسام الحية، تسمى هذه العملية بالضيائية الحيوية. فمثلا تقوم اليراعة بتوليد الضوء بهذه الطريقة، ويمكن للمراكب المبحرة في الماء أن تميز البلانكتون الذي يولد توهجًا ضعيفًا. تقوم بعض المواد بتوليد الضوء عندما تضاء بإشعاع ذي طاقة تناسب توزيعها الإلكتروني. تعرف هذه الظاهرة بالفلورية. وتستخدم في المصابيح الفلورية. تصدر بعض المواد الضوء بعد فترة قصيرة من تحفيزها بإشعاع طاقي، وتعرف هذه الظاهرة باسم الفسفورية .

يمكن تحفيز المواد الفسفورية بتسليط جسيمات دون الذرية عليها. والتألق المهبطي (بالإنجليزية: Cathodoluminescence‏) هو أحد الأمثلة على ذلك. هذه الآلية تستخدم في الرائي ذو أنبوب الأشعة المهبطية.