الضوء.. سيمفونية اختلف العلماء في نظرياته رغم اعتباره "مصدر الطاقة المستقبلي" ... (الجزء الأول)

سرعته بالفراغ (299،792،458) متر في الثانية.. الأسرع في الكون

الضوء.. سيمفونية اختلف العلماء في نظرياته رغم اعتباره "مصدر الطاقة المستقبلي" ... (الجزء الأول)

كتب : سالم أيوب

معلوم أن علم الفيزياء عرفه العرب بعلم الطبيعيات ومن فروع هذا العلم التي كان للعرب دورا عظيما فيها ( فيزياء الضوء ) ويعتبر عبقري العرب الحسن بن الهيثم ( 965 - 1039 ) منشىء علم الضوء بلا منازع ولا يقل أثره في علم الضوء عن أثر نيوتن في علم الميكانيكا ويعتبر كتابه "المناظر" المرجع لفيزياء الضوء لعدة قرون. فقد وضع ابن الهيثم القوانين الاساسية لانعكاس الضوء وانكساره، وفسر الرؤية المزدوجة وظاهرة السراب ولكن أهم انجازاته كانت الخزانة ذات الثقب والتي تعتبر البداية والمقدمة لاختراع الكاميرا وصولا الى عصر المعلوماتية الآن وما نستخدمه من أوساط متعددة.
والضوء عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي يمكن للعين 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 ذو طول موجي، في إرسال الراديو بطول موجة بين السنتيمتر وعدة كيلومترات ، ويمتد من الناحية الاخرى للطيف المرئي من الأشعة الفوق بنفسجية ، إلى الأشعة السينية ، ثم إلى أشعة جاما التي تصدر من أنوية الذرات ولها طاقات عالية ، ودرجة نفاذ عالية.

لمحة تاريخية...
بما أن الضوء يملك طاقة وينقلها في الفضاء وبما أن الطاقة تنقل إما بالاجسام أو بالموجات... اذا يوجد فرضيتين حول طبيعة الضوء هما ( النظرية الجسيمية - الدقائقية - لنيوتن ) ( النظرية الموجية للعالم الهولندي هيغنز ). لكن، لم تسطع هاتين النظريتين تفسير جميع الظواهر البصرية مما استوجب وضع نظرية توحد بين الخواص الموجية والجسيمية للضوء هي النظرية الكمية ونذكر هنا بلانك واينشتاين وبوهر.
فقد شكل اهتمام نيوتن بالميكانيكا دافعًا شديدًا لتفسير تركيبة الضوء على أساس ميكانيكي بحت. فقد افترض نيوتن أن الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة تسير وفق خطوط مستقيمة ما لم يعترضها مانع ما. من الناحية التجريبية فقد كانت خواص الضوء، كالانعكاس على سطح مصقول والانكسار على سطح الماء معروفة في ذلك الوقت لذا كان على نيوتن إعطاء تفسير لهذه الظواهر على أساس نظريته الجسيمية. وحسب نيوتن فإن انعكاس الضوء على السطوح المصقولة بحيث تكون زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط سببه التصادم المرن لهذه الجسيمات وارتدادها بنفس كمية الحركة. أما انكسار الأشعة الضوئية، فقد فسره باختلاف القوى المؤثرة على الجسيم في كلا الوسطين.
لقد لاقت أفكار نيوتن نجاحًا في أول الأمر لكن سرعان ما اكتشفت ظواهر جديدة تناقض هذه الأفكار، لعل أهمها يتلخص في ظاهرة حيود الضوء. حيث إذا ما سلطنا منبع ضوئي على حاجز به ثقب فالملاحظ على شاشة وراء هذا الحاجز ظهور بقعة ضوئية أعرض من الثقب و يزداد حجمها كلما ابتعدنا عن الثقب. هذا يتعارض كلية مع فرضية نيوتن. فإذا افترضنا أن الضوء عبارة عن جسيمات تسير في خط مستقيم فإن ذلك يعني أن حجم البقعة الضوئية سيساوي حجم الثقب لأن الحاجز سوف يمنع الجسيمات التي لم تمر عبر الثقب من العبور.
هذا دفع "هيغنز" إلى نتيجة أن الضوء عبارة في الحقيقة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث تصبح كل نقطة من صدر الموجة بدورها منبع لموجة أخرى. ثم جاء اكتشاف آخر ليدعم فرضية الطبيعة الموجية للضوء، ألا وهو ظاهرة التداخل في تجربة شقي "يونغ"، حيث تسلط حزمة ضوئية على حاجز به شقين عرضهما بضع ملليمترات والمسافة بينهما بضعة سنتيمترات ، ووضعت شاشة مشاهدة للأشعة خلف الحاجز . وكانت نتيجة التجربة مذهلة فقد لوحظ على الشاشة مساحات عديدة مضيئة مستطيلة مثل الشقين وأخرى مظلمة بحيث يكون ظهورها متناوبا ، أي مضيئ مظلم مضيئ مظلم وهكذا. أثر الظاهرة كان أوضح كلما كان حجم الشقين أصغر ويختفي تماما إذا ما زاد حجمهما عن بضع عشرات من المليمترات. وكان هذا دليلا على الطبيعة الموجية للضوء .
طيف الضوء المرئي...
يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرومغناطيسية بإنه ذلك الطيف الذي يمكن أن يؤثر في العين فتحس بالرؤية، ويبدأ طيف الضوء المرئي عند اللون البنفسجي وينتهي عند اللون الأحمر. ونظرًا لأن حساسية العين تختلف باختلاف طول موجة الأشعة الضوئية المستقبلة فهي قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة. وتكون حساسية العين أكبر ما يمكن عند الطول الموجي الذي يقع بين الأخضر والأصفر. و تقاس أطوال الموجات الضوئية بوحدات صغيرة جدا مثل الميكرومتر والنانومتر والانجستروم.
يمكن ملاحظة اختلاف الطول الموجي بالعين ثم يترجم داخل العقل للون من الأحمر وهو ذو أطول موجة حيث أن طوله الموجي 700 نانومتر، والبنفسجي ذو أقصر طول موجي حيث أن طوله الموجي حوالى 400 نانومتر، وبينهم ترد مختلف الألوان كالبرتقالي ، والآخضر، والأزرق. أما الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي خارج مجال رؤية العين يطلق عليه الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. وتستطيع بعض الحيوانات رؤية بعض الأطوال الموجية الطويلة مثل النحل. كما أن تعرض الجلد للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة يمكن أن يسبب حروق الشمس أو سرطان الجلد، و نقص التعرض يسبب نقص فيتامين د.

الضوء وانتشاره .. وظِّل الأجسام
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 ظل عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه , لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء بخطوط 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 . حيث تقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A أو 400 نانومتر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) 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 التعريف السابق للضوء... فيمكن أن نعطي تعريف لطبيعة الضوء واستناداً إلى معادلات ماكسويل ونظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة ، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريا ً والجزء الأخر يتغير فيه الجهد المغناطيسي دوريا أيضا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي . والإثنان متعامدين على بعضهما .

الموجة الكهرومغناطيسية...
وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :
1- سعة الموجة (a) بالمتر.
2- طول الموجة (?) بالمتر.
3- سرعة الموجة (?) متر/ثانية.
4- التردد (f) بالهرتز أي دورة/ثانية.
5- العدد الموجي(k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2?/ ?) (متر)^(-1).
6- السرعة الزاوية(?) والذي يساوي (?=2?f).
العلاقة الخاصة بسرعة الموجات تعطى كالتالي (?=?.f) ، وفي حالة الموجات الكهرومغناكيسية تكون العلاقة c =?.f حيث c سرعة الضوء في الفراغ . وهي تقدر ب 300000 كيلومتر / ثانية.
وقد أثبت اينشتاين في النظرية النسبية أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لا تتغير ، وأنها أعلى سرعة على الإطلاق ولا تستطيع الأجسام الوصول إليها . حيث أن الأجسام تزيد كتلتها كلما إقتربت سرعتها من سرعة الضوء .
وفي علم البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر ? ، والمللي مايكرومتر m? ، أو النانومتر m? ، أو الانجستروم A ، حيث :
1A=10^(-10) meter
1?=10^(-6) meter
1m?=1 nm=10^(-9) meter
فمثلاً طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤية (4000A-7000A) ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء الوحيد ، فالنجوم و المجرات تـُصدر ضوءا . وفى حياتنا اليومية نحصل على الضوء بواسطة الكهرباء و المصابيح . ولاننسى النار فهي أيضا مصدر للضوء.

السرعة القصوى...
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 1600 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 1849 نجح العالم "فيزو" بإعطاء قيمة مطلقة لسرعة الضوء على كوكب الأرض وهي (2.9999exp8 m/s) أما في الفضاء فان سرعة الضوء المطلقة هي (3exp8 m/s). أما هذا الفرق البسيط لا قيمة له في الحسابات لأنه 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 .(?.?)^(1/2)
حيث (v) سرعة الضوء في الوسط المادي.
و© سرعة الضوء في الفراغ وهي تساوي (3exp8 m/s).
و(?) معامل السماحية الكهربائيه أي (معامل سماح المجال الكهربائي للوسط ).
و(?) 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= ?.?) لذلك قيمته دائماً أكبر من الواحد.
سرعة الضوء في الماء هي ثلاثة أرباع سرعة الضوء في الفراغ. سرعة الضوء في الزجاج هي ثلثي سرعة الضوء في الفراغ.
حسبت سرعة الضوء بالفراغ وكانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، أما عند مرور الضوء في أوساط شفافة فان سرعته تقل كما انه من الممكن ان يتعرض للانكسار والانعكاس حسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما.

التأثير الكهروضوئي...
تحدث ظاهرة التاثير (المفعول) الكهروضوئي (photoelectric effect) عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير إلكترونات من سطح المعدن. ذلك لأن جزءا من طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بالمعدن فيتحرر منه ويكتسب طاقة حركة. وهذه العملية تعتمد على العديد من المتغيرات .
بقيت النظرية الموجية للضوء سائدة لمدة زمنية طويلة, حتى نهاية القرن التاسع عشر إلى أن إكتـُشف المفعول الكهروضوئي فعمل على قلب المفاهيم عن طبيعة الضوء. ويتلخص المفعول الكهرضوئي فيما يلي:
يسلط إشعاع ضوئي على معدن موضوع في ناقوس مفرغ من الهواء وفي وجود حقل كهربائي مطبق بين قطبين مربوطين بجهاز قياس التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود أي إشعاع يشير مؤشر الجهاز إلى الصفر. وعند تسليط الإشعاع يلاحظ تحرك مؤشر الجهاز دلالة على وجود تيار كهربائي ، أي أن عددا من الإلكترونات انتـُزعت من المعدن وانتقلت تحت تأثير الحقل الكهربائي إلى القطب الموجب. إلى هنا لا شيء يتناقض مع النظرية الموجية, حيث يمكن الإفتراض ان طاقة الموجة ( والمتناسبة مع مربع سعة الموجة) انتقلت إلى إلكترونات المعدن. لكن التجربة أثبتت أن طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدة الإشعاع ولكن على تواتره : تستجيب الإلكترونات في الذرة لتردد شعاع الضوء بصفة خاصة ، وزيادة شدة الإشعاع يُزيد فقط عددالإلكترونات .
العلاقة بين طاقة الإلكترونات E وتواتر الإشعاع f خطية:
V ? hf = E
حيث V هو جهد التأين للمعدن ويسمى كذلك جهد الخروج, h هو ثابت بلانك وهو العدد المميز لميكانيكا الكم وهو يعطي العلاقة بين تردد الموجة وطاقة الموجة . وجهد التأين خاصية من خواص المادةويعتمد على التوزيع الإلكتروني لذرة العنصر ، ومقداره يختلف من عنصر إلى عنصر.
أول من قدم تفسير هذا المفعول كان ألبرت اينشتاين فحسب هذا الأخير فإن الضوء يصدر في شكل كمات منفصلة من الطاقة تسمى فوتونات كل فوتون يحمل معه مقدارا من الطاقة يساوي جداءالتواتر بثابت بلانك.
ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن اينشتاين حصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس عن النظرية النسبية.

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 الشمس (بالإنجليزية: Chromosphere) عند ذروة منحني بلانك حوالي 6000 كلفن من الطيف الكهرومغناطيسي)، المصابيح الكهربائية المتوهجة (التي تصدر فقط حوالي 10 ? من طاقتها كضوء مرئي والباقي كأشعة تحت الحمراء)، والجزيئات الصلبة المتوهجة في النيران.
الذروة في طيف الجسم الأسود ينزاح 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. و اللون 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).
تُّصدر "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 الباعث للضوء (Light-emitting diode)، ومصباح التفريغ الغازي (Gas-discharge lamp) (مثل مصابيح النيون (Neon lamp)، ولافتات النيون (neon sign)، ومصابيح بخار الزئبق (Mercury-vapor lamp) وغيرها. واللهب (ضوء صادر عن الغاز الساخن نفسه، على سبيل المثال، يُصدر الصوديوم ضوءا أصفرا عند وضعه في لهب الغاز). ويمكن أيضا أن يكون الإصدار محفزًا (Stimulated emission)، كما هو الحال في الليزر أو في الموجات الدقيقة للمايزر.
تباطؤ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات ، يمكن أن يُولد إشعاعًا مرئيًا: إشعاع سيكلوتروني (cyclotron radiation)، وإشعاع سنكتروني (synchrotron radiation)، وإشعاع الكبح (bremsstrahlung radiation). الجسيمات الأولية المتحركة بسرعة أكبر من سرعة الضوء ضمن وسط ما يمكن أن تولد إشعاع شيرنكوف (?erenkov radiation).
تُولد بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا بعملية التألق الكيميائي (chemoluminescence). وكذاك في الأجسام الحية، تسمى هذه العملية بالتألق الحيوي. 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 (Cathodoluminescence) هو أحد الأمثلة على ذلك . هذه الآلية تستخدم في الرائي ذو أنبوب الأشعة المهبطية.
ويوجد آليات أخرى لإنتاج الضوء:
• وميض Scintillation physics
• تألق كهربائي electroluminescence
• تألق صوتي sonoluminescence
• استضاءة احتكاكية triboluminescence
• إشعاع شيرنكوف Cherenkov radiation
عندما يمتد مفهوم الضوء ليشمل الفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا (أشعة غاما)، فإن آليات توليد الضوء تشمل أيضًا:
• النشاط الإشعاعي
فناء الجسيم – الجسيم المضاد.
ميزت هيئة الإضاءة الدولية بين المنبع الضوئي والمضياء. المنبع الضوئي هو مصدر فيزيائي للضوء، مثل الشمس والمصابيح، بينما يشير مصطلح مضياء إلى توزيع قدرة طيفية خاص. وبالتالي يمكن توصيف المضياء مسبقًا، ولكن قد لا يمكننا تصنيعه عمليًا.

........ يتبع الجزء الثاني