الضوء هوو إشعاع كهرومغناطيسي ذا طول موجي، يمكن العين البشرية من رؤية الاجسام غير الشفافة من خلال انعكاسه عنها. كلمة الضوء أحيانا تطلق على الإشعاع الكهرومغناطيسي بجميع أطواله الموجية .
اللون والطول الموجى
اختلاف الطول الموجى يمكن ملاحظة بالعين ثم يترجم داخل العقل للون من الآحمر طولة الموجى 700 nm البنفسج أقصر طول موجى حوالى 400 nm وبينهم تردد مختلف للون البرتقالى ،الآخضر ،الأزرق.
الطول الموجى للطيف الكهرومغناطيسى خارج مجال رؤية العين يطلق علية الأشاعة فوق البنفسجية والأشاعة فوق الحمراء تستطيع بعض الحيوانات في بعض الأطوال الموجية المرتفعة الرؤية مثل النحل .
تعرض الجلد لأشاعة الفوق بنفسجيةUV لفترة طويلة يمكن أن يسبب حروق الشمس أو سرطان الجلد ،و نقص التعرض يسبب نقص فيتامين د.
طبيعة الضوء
غالبا ما يقصد بالضوء الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، و من الممكن ايضا ان يقصد به اشكال اخرى من الاشعاع الكهرومغناطيسي. الابعاد الثلاثة الاساسية للضوء وكل اشكال الاشعاع الكهرومغناطيس هي الشدة او المطال و اللون او التواتر و الاستقطاب او زاوية الاهتزاز. نتيجة لثنائية موجة-جسيم، يبدي الضوء سلوك الدقائق و الموجات.
سرعة الضوء
قانون سرعة الضوء:
سر = طم . ن
سر هي سرعة الضوء، طم هي طول الموجة، و ن هي التواتر.
عند انتشار الضوء في الخلاء، من الممكن كتابة السرعة سض بالشكل:
سض = طم . ن
و بالتالي من الممكن كتابة سرعة انتشار الضوء بوسط ما بدلالة سرعة انتشاره بالخلاء:
سر = سض / ثا
حيث ثا هو ثابت يتعلق بالوسط الذي ينتشر فيه الضوء و يدعى بقرينة الانكسار.
سرعة الضوء بالخلاء
حسبت سرعة الضوء بالفراغ و كانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، اما عند مرور الضوء في اوساط شفافة فان سرعته تقل كما انه من الممكن ان يتعرض للانكسار و الانعكاس حسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما .
موجة ضوئية
ما هو الضوء:
كان ولازال إهتمام علماء الفيزياء منصبا على معرفة مكونات المادة و القوانين التي تصف مختلف التفاعلات المتبادلة فيما بينها.
البداية الفعلية كانت أعمال نيوتن حول الجاذبية, والمبنية أساسا على أعمال كبار في رصد الكواكب. منذ ذاك الحين أمكن إنشاء نموذج لحركة كواكب المجموعة الشمسية حول الشمس.
العمل الثاني لنيوتن كان يتعلق بالضوء فقد شكل إهتمام نيوتن بالميكانيك دافعا شديدا لتفسير تركيبة الضوء على أساس ميكانيكي بحت. لقد افترض نيوتن ان الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة تسير وفق خطوط مستقيمة ما لم يعترضها مانع ما.
من الناحية التجريبية فقد كانت خواص الضوء ، كالإنعكاس على سطح مصقول و الإنكسار على سطح الماء, معروفة في ذلك الوقت لذا كان على نيوتن إعطاء تفسير لهذه الظواهر على أساس نظريته الجسيمية.
حسب نيوتن فإن انعكاس الضوء على السطوح المصقولة بحيث تكون زاوية الإنعكاس تساوي زاوية الورود سببه التصادم المرن لهذه الجسيمات وارتدادها بنفس كمية الحركة. أما إنكسار الأشعة الضوئية, فقد فسره بإختلاف القوى المؤثرة على الجسيم في كلا الوسطين.
لقد لاقت أفكار نيوتن نجاحا في أول الأمر لكن سرعان ما أكتشفت ظواهر جديدة تناقض هذه الأفكار:
لعل أهمها يتلخص في ظاهرةإنتشار 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 الحاجزسوف يمنع الجسيمات التي لم تمر عبر الثقب من العبور .
هذا دفع هويغنز إلى نتيجة أن الضوء عبارة في الحقيقة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث كل نقطة من صدر الموجة تصبح بدورها منبع لموجة أخرى .
ثم جاء إكتشاف آخر ليدعم فرضية الطبيعة الموجية للضوء ألا وهو ظاهرة التداخل في تجربة شقي يونج, حيث تسلط حزمة ضوئية على حاجز به شقين أبعادهما من رتبة بضع ملمترات والمسافة بينهما بضعة سنتمترات, خلف الحاجز وضعت شاشة مشاهدة للأشعة العابرة للشقين .
لقد كانت نتيجة التجربة مذهلة فقد لوحظ على الشاشة مساحات مضيئة والأخرى 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.
المفعول الكهروضوئي
الظاهرة الكهروضوئية تحدث عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير الكترونات من سطح المعدن. ولتفسير ما يحدث هو إن جزء من طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بالمعدن يتحرر منه ويكتسب طاقة حركة. وهذه العملية تعتمد على العديد من المتغيرات وهي:
تردد الشعاع الكهرومغناطيسي
شدة الشعاع الكهرومغناطيسي
التيار الفوتوضوئي الناتج
طاقة حركة الإلكترون المتحرر من سطح المعدن
نوع المعدن
بقيت النظرية الموجية للضوء سائدة لمدة زمنية طويلة, حتى نهاية القرن التاسع عشر أين سيؤدي إكتشاف المفعول الكهرضوئي إلى قلب المفاهيم. المفعول الكهرضوئي يتلخص فيمايلي: يسلط إشعاع ضوئي على معدن موضوع في الفراغ وفي وجود حقل كهربائي مطبق بين قطبين مربوطين بجهاز قياس التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود أي إشعاع مؤشر الجهاز يشير إلى الصفر. عند تسليط الإشعاع يلاحظ تحرك مؤشر الجهاز دلالة على وجود تيار كهربائي اي ان عددا من الإلكترونات انتزعت من المعدن وانتقلت تحت تأثير الحقل الكهربائي إلى القطب الموجب. إلى هنا لا شيء يتناقض مع النظرية الموجية, حيث يمكن الإفتراض ان طاقة الموجة( والمتناسبية مع مربع سعة الموجة) انتقلت إلى إلكترونات المعدن. لكن التجربة أثبتت أن طاقة الإلكترونات لا تعتمدعلى شدة الإشعاع ولكن على تواتره : زيادة شدة الإشعاع يزيد فقط عدد الإلكترونات .
العلاقة بين طاقة الإلكتروناتE وتواتر الإشعاع f خطية:
V − hf = E
حيث V هو كمون التأين للمعدن يسمى كذلك جهد الخروج, h هو ثابت بلانك وهو العدد المميز لميكانيكا الكم.
أول من قدم تفسير لهذا المفعول كان ألبرت آينشتين فحسب هذا الأخير فإن الضوء يصدر في شكل كمات متقطعة من الطاقة تسمى فوتونات كل فوتون يحمل معه مقدار من الطاقة يساوي جداء التواتر بثابت بلانك.
ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن آيشتين تحصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس نظرية النسبية
اللون والطول الموجى
اختلاف الطول الموجى يمكن ملاحظة بالعين ثم يترجم داخل العقل للون من الآحمر طولة الموجى 700 nm البنفسج أقصر طول موجى حوالى 400 nm وبينهم تردد مختلف للون البرتقالى ،الآخضر ،الأزرق.
الطول الموجى للطيف الكهرومغناطيسى خارج مجال رؤية العين يطلق علية الأشاعة فوق البنفسجية والأشاعة فوق الحمراء تستطيع بعض الحيوانات في بعض الأطوال الموجية المرتفعة الرؤية مثل النحل .
تعرض الجلد لأشاعة الفوق بنفسجيةUV لفترة طويلة يمكن أن يسبب حروق الشمس أو سرطان الجلد ،و نقص التعرض يسبب نقص فيتامين د.
طبيعة الضوء
غالبا ما يقصد بالضوء الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، و من الممكن ايضا ان يقصد به اشكال اخرى من الاشعاع الكهرومغناطيسي. الابعاد الثلاثة الاساسية للضوء وكل اشكال الاشعاع الكهرومغناطيس هي الشدة او المطال و اللون او التواتر و الاستقطاب او زاوية الاهتزاز. نتيجة لثنائية موجة-جسيم، يبدي الضوء سلوك الدقائق و الموجات.
سرعة الضوء
قانون سرعة الضوء:
سر = طم . ن
سر هي سرعة الضوء، طم هي طول الموجة، و ن هي التواتر.
عند انتشار الضوء في الخلاء، من الممكن كتابة السرعة سض بالشكل:
سض = طم . ن
و بالتالي من الممكن كتابة سرعة انتشار الضوء بوسط ما بدلالة سرعة انتشاره بالخلاء:
سر = سض / ثا
حيث ثا هو ثابت يتعلق بالوسط الذي ينتشر فيه الضوء و يدعى بقرينة الانكسار.
سرعة الضوء بالخلاء
حسبت سرعة الضوء بالفراغ و كانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، اما عند مرور الضوء في اوساط شفافة فان سرعته تقل كما انه من الممكن ان يتعرض للانكسار و الانعكاس حسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما .
موجة ضوئية
ما هو الضوء:
كان ولازال إهتمام علماء الفيزياء منصبا على معرفة مكونات المادة و القوانين التي تصف مختلف التفاعلات المتبادلة فيما بينها.
البداية الفعلية كانت أعمال نيوتن حول الجاذبية, والمبنية أساسا على أعمال كبار في رصد الكواكب. منذ ذاك الحين أمكن إنشاء نموذج لحركة كواكب المجموعة الشمسية حول الشمس.
العمل الثاني لنيوتن كان يتعلق بالضوء فقد شكل إهتمام نيوتن بالميكانيك دافعا شديدا لتفسير تركيبة الضوء على أساس ميكانيكي بحت. لقد افترض نيوتن ان الضوء عبارة عن جسيمات صغيرة تسير وفق خطوط مستقيمة ما لم يعترضها مانع ما.
من الناحية التجريبية فقد كانت خواص الضوء ، كالإنعكاس على سطح مصقول و الإنكسار على سطح الماء, معروفة في ذلك الوقت لذا كان على نيوتن إعطاء تفسير لهذه الظواهر على أساس نظريته الجسيمية.
حسب نيوتن فإن انعكاس الضوء على السطوح المصقولة بحيث تكون زاوية الإنعكاس تساوي زاوية الورود سببه التصادم المرن لهذه الجسيمات وارتدادها بنفس كمية الحركة. أما إنكسار الأشعة الضوئية, فقد فسره بإختلاف القوى المؤثرة على الجسيم في كلا الوسطين.
لقد لاقت أفكار نيوتن نجاحا في أول الأمر لكن سرعان ما أكتشفت ظواهر جديدة تناقض هذه الأفكار:
لعل أهمها يتلخص في ظاهرةإنتشار 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 الحاجزسوف يمنع الجسيمات التي لم تمر عبر الثقب من العبور .
هذا دفع هويغنز إلى نتيجة أن الضوء عبارة في الحقيقة عن أمواج تنتشر في الفضاء بحيث كل نقطة من صدر الموجة تصبح بدورها منبع لموجة أخرى .
ثم جاء إكتشاف آخر ليدعم فرضية الطبيعة الموجية للضوء ألا وهو ظاهرة التداخل في تجربة شقي يونج, حيث تسلط حزمة ضوئية على حاجز به شقين أبعادهما من رتبة بضع ملمترات والمسافة بينهما بضعة سنتمترات, خلف الحاجز وضعت شاشة مشاهدة للأشعة العابرة للشقين .
لقد كانت نتيجة التجربة مذهلة فقد لوحظ على الشاشة مساحات مضيئة والأخرى 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.
المفعول الكهروضوئي
الظاهرة الكهروضوئية تحدث عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير الكترونات من سطح المعدن. ولتفسير ما يحدث هو إن جزء من طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بالمعدن يتحرر منه ويكتسب طاقة حركة. وهذه العملية تعتمد على العديد من المتغيرات وهي:
تردد الشعاع الكهرومغناطيسي
شدة الشعاع الكهرومغناطيسي
التيار الفوتوضوئي الناتج
طاقة حركة الإلكترون المتحرر من سطح المعدن
نوع المعدن
بقيت النظرية الموجية للضوء سائدة لمدة زمنية طويلة, حتى نهاية القرن التاسع عشر أين سيؤدي إكتشاف المفعول الكهرضوئي إلى قلب المفاهيم. المفعول الكهرضوئي يتلخص فيمايلي: يسلط إشعاع ضوئي على معدن موضوع في الفراغ وفي وجود حقل كهربائي مطبق بين قطبين مربوطين بجهاز قياس التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود أي إشعاع مؤشر الجهاز يشير إلى الصفر. عند تسليط الإشعاع يلاحظ تحرك مؤشر الجهاز دلالة على وجود تيار كهربائي اي ان عددا من الإلكترونات انتزعت من المعدن وانتقلت تحت تأثير الحقل الكهربائي إلى القطب الموجب. إلى هنا لا شيء يتناقض مع النظرية الموجية, حيث يمكن الإفتراض ان طاقة الموجة( والمتناسبية مع مربع سعة الموجة) انتقلت إلى إلكترونات المعدن. لكن التجربة أثبتت أن طاقة الإلكترونات لا تعتمدعلى شدة الإشعاع ولكن على تواتره : زيادة شدة الإشعاع يزيد فقط عدد الإلكترونات .
العلاقة بين طاقة الإلكتروناتE وتواتر الإشعاع f خطية:
V − hf = E
حيث V هو كمون التأين للمعدن يسمى كذلك جهد الخروج, h هو ثابت بلانك وهو العدد المميز لميكانيكا الكم.
أول من قدم تفسير لهذا المفعول كان ألبرت آينشتين فحسب هذا الأخير فإن الضوء يصدر في شكل كمات متقطعة من الطاقة تسمى فوتونات كل فوتون يحمل معه مقدار من الطاقة يساوي جداء التواتر بثابت بلانك.
ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن آيشتين تحصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس نظرية النسبية