ما هو الضوء الفيزيائي؟
ما هو الضوء الفيزيائي؟، اهتم العلماء والباحثين في دراسة الضوء على مر العصور نظرًا لأهميته الكبيرة، سنتحدث في هذا المقال عن الضوء الفيزيائي، ومصادر الضوء وسرعته وخواصه المختلفة، وطبيعته الموجية والجسيمية.
محتويات المقال
نبذة عن الضوء الفيزيائي
- يهدف الضوء الفيزيائي إلى دراسة الضوء وطبيعته وخواصه الفيزيائية، ونظريات المختلفة التي وضعها العلماء، ويعد الضوء من أولى الظواهر الطبيعية التي لقيت اهتمام العلماء والباحثين.
- والضوء نوع من أنواع الطاقة، عبارة عن خليط من الموجات الكهربية والمغناطيسية، فهو موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة، حيث يشمل جميع الأطوال الموجية.
- وله العديد من الخصائص، ويهتم علم الفيزياء في دراستها وتفسيرها، ومن تلك الخصائص التداخل والحيود والانتشار، والتشتت، والانعكاس والتشتت، والظاهرة الكهروضوئية، والاستقطاب.
شاهد أيضًا: إنجازات العلماء في سرعة الضوء وكيفية قياسه
مصادر الضوء
- تتعدد مصادره، ولعل أشهرها هي المصادر الحرارية، وهي أي جسم يقوم بإصدار درجة حرارة معينة، وتقوم ببعث نفس خصائص الطيف الضوئي، ومن أهم المصادر الحرارية هي الشمس.
- ويظهر هذا الانبعاث من الشمس عند درجة حرارة تقريبًا 6 آلاف درجة كلفانية، ومن المصادر الحرارية أيضًا المصابيح المتوهجة.
- ويوجد المصادر الضيائية الكيميائية، وهي عبارة عن الإشعاعات التي تولدها المواد الكيميائية، كما توجد الضيائية الحيوية، وهي التي توجد في الأجسام الحية، كاليراعات التي تقوم بتوليد الطاقة بتلك الطريقة.
- كما توجد آليات الضيائية الحيوية والصوتية، والكهربائية، والضيائية الاحتكاكية، وكذلك الوميض والإشعاع الشيرينكوفي، جميعها تعمل على إنتاج الضوء.
سرعة الضوء
- تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 3*10 مرفوعة لأس ثمانية متر في الثانية الواحدة، وهي سرعة ثابتة، ورغم اختلاف الأطوال الموجية لموجات الضوء، إلا أنها تتفق في السرعة.
- ويُرمز لسرعة الضوء في الفراغ بالحرف c، وتتعين من العلاقة c=λ، بينما يُرمز لسرعة الضوء في الأوساط غير الفراغ بالحرف v، ويكون سرعة الضوء فيه أقل من سرعته في الفضاء.
- وذلك نسبة إلى اختلاف معامل انكسار الوسط n حيث n=c/v، وحيث أن c أكبر دائمًا من v، فإن معامل الانكسار للأوساط يكون دائمًا أكبر من n>1.
الطبيعة الموجية للضوء
- يتكون الضوء من عدة موجات كهرومغناطيسية، تختلف عن الأنواع المعروفة من الموجات كموجات الماء، ولموجات الضوء العديد من الخصائص.
- ومن خصائص موجات الطول مثل الطول الموجي λ، وهو المسافة بين قمتين في نموذج الموجة، والتردد f والذي يمكن تعريفه بعدد الدورات التي تتم خلال وحدة الزمن.
- وسعة الموجة a، وهي أقصى مسافة بين القمة وعكسها أعلى وأسفل خط نموذج الموجة، أما الزمن الدوري T، فهو الزمن الذي يحدث خلاله دورة كاملة.
الضوء كجسيم
- اقترح العالم ألبرت أينشتاين عام 1905 م نموذجًا يتصرف فيه الضوء كجسيم، وأطلق على هذه الجسيمات الفوتونات Photons.
- حيث افترض أن الضوء القادم من مصدر كالمصباح مثلاً يكون على هيئة حزمة تتكون من عدد كبير من الفوتونات تسير في خط مستقيم.
- ووفقًا مما سبق عن طبيعة الضوء كموجة أو جسيم، يمكن تحديد أن الضوء مزدوج بينهما، حيث يتصرف كموجة في بعض الظروف، بينما يتصرف كجسيم في ظروف أخرى.
خصائص الضوء
1- الحيود والانتشار
- يُطلق على انتشار الضوء في خط مستقيم بالحيود، ويرجع هذا الحيود بسبب حقيقة أن الضوء يتصرف كموجة.
- وتُستخدم خاصية الحيود في دراسة ألوان الشعاع الضوئي، ويفيد ذلك في تطور التلسكوبات التي تستخدم في أبحاث الفضاء، والتي تساعد على معرفة المواد التي تتكون منها النجوم.
2- انعكاس الضوء
- يمكن تعريف انعكاس الضوء بأنه ارتداد أشعة الضوء عندما تلمس سطح ما، حيث ينعكس جزء من الحزمة الضوئية، بينما يُمتص جزء آخر، وينفذ جزء مكونًا ظاهرة الانكسار.
- وعند قدوم شعاع على سطح عاكس بزاوية قدوم معينة، بشكل غير متعامد عليه، فإنه ينعكس بزاوية تساوي زاوية القدوم، ويتم قياس الزاوية من خلال الخط العمودي على السطح.
ويتم حساب شدة الشعاع المنعكس عن طريق قانون مقارنة معاملي انكسار كلا من الوسطين، ولظاهرة الانعكاس فوائد عديدة، فمن تطبيقات الانعكاس الكلي صناعة المنشور الثلاثي. - وكذلك يتم صناعة الألياف البصرية والتي تُستخدم في مجالات الاتصالات مثل الإنترنت، حيث تعمل على نقل المعلومات بسرعة كبيرة، وكذلك تُستخدم في المجال الطبي.
3- انكسار الضوء
- يمكن تعريف ظاهرة انكسار الضوء بأنها تغير في مسار شعاع الضوء عندما يمر عبر وسطين مختلفين في الكثافة، فإذا نفذت أشعة ضوئية من انتقال من وسط شفاف إلى وسط آخر، يحدث انكسار للضوء.
- ويوضح قانونان يُطلق عليهما سنيل-ديكارت كيفية حساب زاوية الانكسار، من خلال العلاقة، حيث n1 معامل انكسار الوسط الأول، وn2 معامل انكسار الوسط الثاني.
- ويتضح من العلاقة أنه كلما زاد معامل الانكسار قلت زاوية الانكسار، والعكس.
4- الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث تلك الظاهرة عند قدوم شعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن، فيؤدي ذلك إلى تحرر الإلكترونات الموجودة في هذا السطح.
- ويحدد ذلك بسبب امتصاص الإلكترونات المرتبطة بذرات السطح جزء من طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي، فيؤدي ذلك إلى اكتساب الإلكترونات طاقة حرارية، وتتحرر.
- ولا تعتمد طاقة الإلكترونات المتحررة على شدة الإشعاع، بينما تعتمد على الطول الموجي للإشعاع، بينما تعمل شدة الإشعاع على زيادة عدد الإلكترونات المتحررة.
- وفسر ذلك العالم ألبرت أينشتاين، بأن الضوء يتكون من كمات منفصلة من الطاقة يُطلق عليها فوتونات، ولكل فوتون طاقة يساوي E=hv، حيث h ثابت بلانك، وv هو التردد.
شاهد أيضًا: ما الفرق بين النور والضوء؟
استخدامات الضوء
للضوء العديد من الفوائد في مختلف المجالات الصناعية، ومنها:
- يتم استخدام الضوء فوق البنفسجي في عملية تطهير الأشياء، كما تدخل في صناعة التلسكوبات التي تُستخدم في أبحاث الفضاء وتحديد النجوم.
- يتم استخدام الأشعة السينية في الأشعة.
- يتم استخدام موجات الراديو في أجهزة التواصل.
- يتم استخدام الألياف البصرية التي يُبنى أساس عملها على الانعكاس الكلي للضوء في مجال الطب، وفي صناعة كابل نقل المعلومات في مجال الاتصالات.
- يتم استخدام أشعة جاما في صناعة قضبان الوقود، في المحطات الخاصة بالطاقة النووية.
- يتم استخدام موجات الميكروويف في صناعة أجهزة الميكروويف لطهي الطعام.
النظرية النسبية العامة للضوء
- قام العالم بلانك بدراسة الطاقة الإشعاعية المنبعثة من الأجسام الساخنة كالشمس، وقام بحساب تلك الطاقة تبعًا للقانون E=h.f، وتتكون أشعة الضوء من عدة فوتونات.
- ولقي هذا الفرض استفادة كبيرة من قِبَل العالم ألبرت أينشتاين، حيث قام بوضع اقتراح مبني على ذلك الفرض، وهو أن الضوء ينتشر في الفراغ على هيئة فوتونات عديدة جدًا.
- وقد اقترح أن الضوء يتصرف كجسيم (الفوتون) في الفراغ ولكن تعارض ذلك مع النظرية الموجية للضوء، ثم قام بمعارضة فكرة سلوك الضوء كجسيم، وأيد فكرة النظرية الموجية.
- ثم قام العالم دي برولي في عام 1924م، بعمل مبدأ جاء فيه أن الضوء يتصرف صفات مزدوجة، حيث يتصرف كموجة في بعض الظروف، ويتصرف كجسيم في ظروف أخرى.
- وبالتالي فإن تصرف الضوء كموجة يتفق مع نظرية العالم ماكسويل، وبالتالي يساعد على تفسير ظواهر الانعكاس والانكسار وغيرها من الخواص.
- بينما تتفق نظريات ماكسويل وأينشتاين مع تصرف الضوء كجسيم (الفوتون)، وبالتالي يساعد على تفسير ظاهرة كومبتون، وظاهرة تفاعل الضوء مع المواد، وغيرها.
شاهد أيضًا: بحث عن شرح نظرية انعكاس الضوء في المرايا
وفي نهاية هذا المقال عن ما هو الضوء الفيزيائي؟، نكون قد تحدثنا عن الضوء الفيزيائي، والمصادر المتعددة للضوء، وسرعته، وخواصه المختلفة، والظاهرة الكهروضوئية، والنظرية النسبية للضوء، وبعض من استخداماته.