ما هي خصائص الضوء الجسيمية ؟ “

ما هو الضوء

الضوء هو مجرد شكل واحد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية وهذه الموجات موجودة في كل مكان حولنا وتأتي في أحجام كثيرة وأكبر هذه الموجات الكهرومغناطيسية لها أطوال موجية طولها يبدأ من بضعة سنتيمترات حتى أكثر من 100 متر وتسمى موجات الراديو وأصغر الموجات الكهرومغناطيسية ولها أطوال موجية بحجم النواة الذرية وتسمى (أشعة غاما) وتوجد أنواع أخرى من هذه الموجات الدقيقة مثل الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والضوء فوق البنفسجي والأشعة السينية.

في القرن السابع عشر قام كل من “إسحاق نيوتن” و”غاليليو” بدراسة الضوء واستخدم “نيوتن” المنشور لفصل الضوء المرئي في ألوانه المختلفة وحاول “غاليليو” قياس سرعة الضوء وخلص إلى أن سرعته كانت كبيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بردود الفعل البشرية، الإشعاع الكهرومغناطيسي والمادة هما العنصران الرئيسيان للكون وجميع موجات الإشعاع الكهرومغناطيسي تتكون بفعل ذبذبة المجالات الكهربائية والمغناطيسية وهذه التذبذبات أو الموجات تشبه تمامًا الموجات الصوتية أو الموجات التى تحدث في الماء عند إلقاء شيء فيه، وفى معظم الحالات يتصرف الضوء مثل موجة لها خصائص الطول الموجي والتردد وتخضع للانعراج والتدخل وفي بعض الحالات الاخرى يمكن اعتبار أن الضوء يتصرف مثل الجسيمات التى تسمى الفوتون وهذه الجسيمات ليس لها كتلة ولكنها تحمل كمية ثابتة من الطاقة.

الضوء كجسيمات

الضوء يتصرف أساسًا مثل موجة ولكن يمكن أيضا أن نعتبر أنه يتكون من حزم صغيرة من الطاقة وتدعى (الفوتونات)، الفوتونات تحمل كمية ثابتة من الطاقة ولكن ليس لها كتلة وتعتمد طاقة الفوتون على طول الموجةحيث أن الفوتونات الأطول موجيًا لديها طاقة أقل والفوتونات ذات الطول الموجي الأقصر لديها طاقة أكبر فعلى سبيل المثال الفوتونات الحمراء لديها طاقة أقل من الفوتونات الزرقاء، وحتى حوالي عام 1900 كان العلماء يفهمون فقط أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يتكون من موجات ثم قام ماكس بلانك وعلماء آخرون بدراسة تأثير الكهروضوئية ووجدوا أن أنواعًا معينة من المعادن والمواد الأخرى تقذف الإلكترونات عندما يلمع الضوء عليها

وتوقعوا أن عدد الإلكترونات التي تقذف من المعدن ستزداد مع شدة أو سطوع الضوء الموجه نحو ذلك المعدن، وما استنتجوه من ذلك هو أن الطول الموجي للضوء هو ما يؤثر على عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها ووجدوا أن  الأطوال الموجية الأكثر نشاطاً مثل الأزرق والأشعة فوق البنفسجية تسببت في إخراج الإلكترونات أكثر من الأطوال الموجية الحمراء أو الأشعة تحت الحمراء كما وجدوا أن زيادة كثافة الضوء تزيد من عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها ولككنها لا تؤثر على سرعتها، وأدرك بلانك أن طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي كانت متناسبة مع تردده لكنه اعترف بأنه لا يفهم لماذا حدث ذلك

كان (آينشتاين) أول من شرح ما كان يحدث فقال أن الطاقة الكهرومغناطيسية تأتى فى حزم وهو ما نُسميه الآن فوتونات، حتى أن الضوء يتصرف كموجة وكجسيمات اعتمادًا على الظروف والتأثير الذي لوحظ ويعرف هذا المفهوم الآن باسم (ازدواجية الجسيمات الموجية) وفاز آينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 لخدماته في الفيزياء النظرية وخاصة لاكتشافه لقانون التأثير الكهروضوئي. [1]

ما أبرز خصائص الضوء

في الفراغ (مكان بدون هواء) يسافر الضوء بسرعة 299 792 458 متر في الثانية (m/s) وهذا هو المعروف باسم سرعة الضوء، الضوء هو أسرع شيء قادر على التحرك في الكون وعند المقارنة بينه وبين الصوت فإن سرعة الصوت هي فقط حوالي 300 م/ س وهذا هو السبب في أنه أثناء العاصفة ترى دائماً البرق قبل سماع الرعد، ومن الاشياء المهمة التى يجب معرفتها عن الضوء هو أنه يتحرك فى خط مستقيم خلال أي مادة،

وللضوء خصائص

متعددة نتناولها فى هذا المقال.

الانعكاس و الانكسار

الانعكاس والانكسار هما من أهم

خصائص الضوء

حيث الأشعة الخفيفة للضوء تقوم بتغيير الاتجاه عندما تنعكس قبالة سطح وعندما تنتقل من وسط شفاف إلى آخر أو عند سفرها خلال مادة يتغير تكوينها باستمرار، قانون الانعكاس ينص على أنه عند انعكاس الضوء من سطح أملس وزاوية الشعاع المنعكسة تساوي زاوية الشعاع الحادث (يتم قياس جميع الزوايا في البصريات الهندسية فيما يتعلق بالسطح العادي ويتم قياس أي خط عمودي على السطح) فإن الشعاع المنعكس يتم دائمًا تحديده حسب الشعاع الاصلى الساقط على السطح، قانون الانعكاس يمكن استخدامه لفهم الصور التي تنتجها العدسات والمرايا المنحنية وعلى عكس المرايا معظم الأسطح الطبيعية تكون مضبوطة على مقياس الطول الموجي للضوء، ونتيجة لذلك تنعكس الأشعة (الضوء الحادث الموازي)في اتجاهات مختلفة كثيرة ومنتشرة

إن الانعكاس المنتشر هو المسؤول عن القدرة على رؤية معظم الأسطح المضيئة من أي موضع حيث تصل الأشعة إلى العينين بعد انعكاسها من على كل جزء من السطح، وعندما يسافر الضوء في وسط شفاف فإنه يواجه الحدود مع المادة الثانية الشفافة (مثل الهواء والزجاج) وينعكس جزء من الضوء ويتم نقل جزء منه إلى المادة الثانية، كما يتحرك الضوء المنقول إلى المادة المتوسطة الثانية فإنه يغير اتجاهه عند سفره أي أنه يقوم بقانون الانكسار وهو المعروف أيضاً بقانون (سنيل) وهو قانون يصف العلاقة بين زاوية الإصابة (θ1) وزاوية الانكسار (θ2) ومن الناحية الرياضية: n1 sin θ1 = n2 sin θ2، حيث N1 و n2 هما مؤشر الانكسار في الوسائط الأولى والثانية، ومؤشر الانكسار لأي وسيط هو ثابت بلا أبعاد يساوي نسبة سرعة الضوء في فراغ إلى سرعته في تلك الوسيلة.

التشتت

كيف تتحطم وتتوزع أشعة الشمس التي تسقط على قطرات من المطر وتكوّن قوس قزح وتلك الألوان التي نراها؟ نفس العملية تؤدي إلى تقسيم الضوء الأبيض إلى ألوان متعددة، نرى حوالي ستة ألوان في قوس قزح: ( الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي) أحيانًا يتم رؤية اللون النيلي أيضًا وترتبط هذه الألوان مع أطوال موجية مختلفة من الضوء وعندما تتلقى عيننا ضوء الطول الموجي النقي فإننا نميل إلى رؤية لون واحد فقط من الألوان الستة اعتمادًا على الطول الموجي له، الآلاف من الألوان الأخرى التي يمكننا رؤيتها في حالات أخرى هى استجابة عيننا لمختلف الخلائط من الأطوال الموجية

فمثلًا الضوء الأبيض على وجه الخصوص هو خليط موحد إلى حد ما من جميع الأطوال الموجية المرئية، وأشعة الشمس التي تعتبر بيضاء وتبدو في الواقع صفراء قليلًا بسبب خلط الأطوال الموجية لكنها لا تحتوي على جميع الأطوال الموجية المرئية، وما يعنيه هذا هو أن الضوء الأبيض ينتشر وفقا لطول الموجة في قوس قزح ويعرف التشتت على أنه انتشار الضوء الأبيض في طيفه الكامل من الأطوال الموجية، ومن الناحية الفنية يحدث التشتت كلما كانت هناك عملية تغير لاتجاه الضوء بطريقة تعتمد على الطول الموجي حيث يمكن أن يحدث التشتت كظاهرة عامة لأي نوع من أنواع الموجات وينطوي دائمًا على عمليات تعتمد على الطول الموجي.

الامتصاص

امتصاص الضوء هو عملية يتم من خلالها امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة ومن أمثلة هذه العملية التمثيل الضوئي في النباتات ومع ذلك لا يحدث امتصاص الضوء حصرًا في النباتات ولكن في جميع المخلوقات حتى المواد غير العضوية، ويعتمد الامتصاص على التردد الكهرومغناطيسي للضوء وطبيعة الذرات ولذلك فإن امتصاص

الضوء فى الفيزياء

يتناسب بشكل مباشر مع التردد فإذا كانت الذرات مُكملة يتم امتصاص الضوء وإذا لم تكن مُكملة يمر الضوء من خلال الكائن ثم ينعكس وعادة ما تحدث هذه العمليات في نفس الوقت لأن الضوء عادة ما ينتقل بترددات مختلفة (على سبيل المثال، تشمل أشعة الشمس أيضا أضواء من مختلف الترددات من حوالي 400 إلى 800 نانومتر) لذلك معظم الكائنات بشكل انتقائي تمتص أو تنقل أو تعكس الضوء ،وعندما يتم امتصاص الضوء يتم توليد الحرارة لذلك يحدث الامتصاص الانتقائي للضوء بواسطة مادة معينة لأن تردد الموجة الخفيفة يطابق التردد الذي تهتز به الإلكترونات في ذرات تلك المادة.[2]