ضوء

Light shining2.JPG

الضوء light ضرب من الأمواج الكهرمغنطيسية تقع أطوال موجاته بين 0.4 ميكرون و 0.7 ميكرون، بل قد يكون الأصح أنه المجال الذي تستجيب له وتتحسس به العين. ويستخدم اللفظ ذاته للدلالة على الأضواء ذات الأطوال الموجية المجاورة لهذين الحدين ـ وهي أضواء لاتتحسس بها العين ـ وهما الضوء فوق البنفسجي UV، والضوء تحت الأحمر[ر] IR. ولتمييز ضوء من آخر يستعمل إضافة إلى طول الموجة، التردد frequency مقدراً بالهرتز Hz، والعدد الموجي وواحداته مقلوب طول. ويرتبط طول موجة الضوء بلونه، ويقال عن ضوء بأنه وحيد اللون monochromatic إذا كان طول موجته واحداً.

ثمة صفة أخرى مهمة للضوء هي درجة ترابطه coherence، وهي ترتبط بدرجة استقطاب الضوء وبوحدانية لونه، وتعكس مقدرة الضوء على تداخله بعضه مع بعضه الآخر. وهكذا ترتبط صفة ترابط الضوء بخاصية التداخل[ر] في الضوء.

الضوء طاقة تنتشر بسرعة تقارب 300 ألف كيلو متر في الثانية الواحدة. ويمكن النظر إليه على أنه تدفق جسيمات تدعى فوتونات photons أو على أنه ظاهرة موجية. ومن المفيد النظر، في الحالة الأخيرة، إلى أن انتشار الضوء يتم على هيئة صدور أمواج wave fronts، كما تنتشر الأمواج على سطح ماء راكد، بحيث تكون جميع النقاط الواقعة على صدر موجة في حالة اهتزازية واحدة. وينتشر الاهتزاز باتجاه عمودي على صدر الموجة، بحيث تنطلق الفوتونات باتجاه انتشار الاهتزاز.

يتصف الضوء ـ إضافة إلى ما سبق ـ بصفات أخرى، مثل درجة استقطابه ونوعيته واتجاه انتشاره وشدته. ويجري الحديث عن ضوء مستقطب خطياً linearly polarized وضوء مستقطب دائرياً circularly polarized.

(أ) ـ ضوء مستقطب خطياً. يحول المقطب Polarizer الضوء العادي إلى ضوء مستقطب، فالمقطب يمرر مركبة الموجه التي تكون فيها متجهة الحقل الكهربائي موازية لمحور تمرير المقطب وهكذا نحصل على ضوء مستقطب خطياً (ب) ضوء مستقطب دائرياً. يؤدي التقاء حزمتين مترابطتين مختلفتين في الطور وفي اتجاه الاستقطاب، ومتساويتي في الشدة إلى توليد حزمة مستقطبة دائرياً، ففي مستو عمودي على هذه الحزمة يكون طول شعاع الحقل ثابتاً إلا أنه يدور باجتياز الحزمة للمستوى، فلدى مرور النقاط c,b,a عبر المستوى يدور شعاع الحقل من الموضع 1 إلى 2 إلى 3

.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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.

Nur ala Nur.svg

Spectrum4websiteEval.png 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 لأشعة الفوق بنفسجية UV لفترة طويلة يمكن أن يسبب حروق الشمس أو سلطان 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 الكهرومغناطيسي) هي الشدة (او المطال) و اللون (او التواتر) و الاستقطاب (او زاوية الاهتزاز). نتيجة لثنوية موجة-جسيم، يبدي الضوء سلوك الدقائق و الامواج.

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 في الخلاء

حسبت سرعة الضوء بالفرغ 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 والانعكاسحسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما.

موجة ضوئية

موجة ضوئية

ما هو الضوء: الضوء طاقة تنتشر بسرعة تقارب 300ألف كيلو متر في الثانية الواحدة. ويمكن النظر إليه على أنه تدفق جسيمات تدعى فوتونات photons أو على أنه ظاهرة موجية. ومن المفيد النظر، في الحالة الأخيرة، إلى أن انتشار الضوء يتم على هيئة صدور أمواج wave fronts، كما تنتشر الأمواج على سطح ماء راكد، بحيث تكون جميع النقاط الواقعة على صدر موجة في حالة اهتزازية واحدة. وينتشر الاهتزاز باتجاه عمودي على صدر الموجة، بحيث تنطلق الفوتونات باتجاه انتشار الاهتزاز.

Lightpic2.jpg

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 كبلر 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:
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 حصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس نظرية النسبية ! [بحاجة لمصدر]

الطيف الكهرومغناطيسي

Electromagnetic spectrum with light highlighted

الانكسار

البصريات


مصادر الضوء

A city illuminated by light bulbs


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الوحدات والمقاييس

[edit]

SI radiometry units
Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes
Radiant energy Q joule J energy
Radiant flux Φ watt W radiant energy per unit time, also called radiant power
Radiant intensity I watt per steradian W·sr−1 power per unit solid angle
Radiance L watt per steradian per square metre W·sr−1·m−2 power per unit solid angle per unit projected source area.

called intensity in some other fields of study.

Irradiance E, I watt per square metre W·m−2 power incident on a surface.

sometimes confusingly called "intensity".

Radiant exitance /
Radiant emittance
M watt per square metre W·m−2 power emitted from a surface.
Radiosity J or Jλ watt per square metre W·m−2 emitted plus reflected power leaving a surface
Spectral radiance Lλ
or
Lν
watt per steradian per metre3
or

watt per steradian per square
metre per hertz

W·sr−1·m−3
or

W·sr−1·m−2·Hz−1

commonly measured in W·sr−1·m−2·nm−1


Spectral irradiance Eλ
or
Eν
watt per metre3
or
watt per square metre per hertz
W·m−3
or
W·m−2·Hz−1
commonly measured in W·m−2·nm−1


الوحدات الدولية لقياس الضوء
الكمية الرمز الوحدة الاختصار هوامش
Luminous energy Qv lumen second lm·s units are sometimes called talbots
Luminous flux F lumen (= cd·sr) lm also called luminous power
Luminous intensity Iv candela (= lm/sr) cd an SI base unit
Luminance Lv candela per square metre cd/m2 units are sometimes called nits
إضاءة Ev lux (= lm/m2) lx يستخدم للتعبير عن الضوء على سطح ماء
Luminous emittance Mv lux (= lm/m2) lx Used for light emitted from a surface
Luminous efficacy   لومن لكل واط lm/W ratio of luminous flux to radiant flux
SI • القياس الضوئي

نظريات تاريخية عن الضوء

لقد كان يٌعـتقد حتى نهاية القرن الثامن عشر بأن الضوء شبيه بالصوت ويحتاج إلى وسط مادي حتى ينتقل ويسمى هذا الوسط بالأثير الذي كان يعرفه العلماء بأنة مادة رقيقة جداً ذات كثافة متناهية في الصغر وذلك لتبرير إن الأثير لا يمكن ملاحظته ولكن تجربة ميكلسون ومورلي أثبت إن الأثير غير موجود.

ففي عام 1905م وضع اينشتاين فرضاً لحل هذه المشكلة والفرض يقول : (إذا كان هناك عدد من الراصدين يتحركون بسرعة منتظمة كل منهم بالنسبة للآخر وأيضاً بالنسبة للمصدر الضوئي وإذا كل من الراصدين يقيس سرعة الضوء الخارج من المصدر فأنهم جميعاً سيحصلون على نفس القيمة لسرعة الضوء).

هي نفس فكرة جاليلو عام 1600م وهذا الفرض هو أساس النظرية النسبية الخاصة والتي استغنت عن فكرة وجود الأثير. وأثبت أن سرعة الضوء ثابتة في جميع المراجع.

النظريات الهندوسية والبوذية

النظريات اليونانية والهلنستية

النظريات الفيزيائية

نظرية الجسيمات

اقترح العالم الذري بيير جاسندي (1592-1655)، نظرية الجسيمات في الضوء ونشرت بعد وفاته في الستينات. وقد درس اسحاق نيوتن وقت مبكر نظرية جاسندي، وفضلها على نظرية ديكارت في الأثير. وفي عام 1675 ذكر في فرضيته للضوء بأن الضوء مكون من كريات (جزيئات مادة) تنبعث من مصدر في كل الاتجاهات. وكانت احدة حجج نيوتن ضد الطبيعة الموجية للضوء، حيث أن الموجات معروفة بانحنائها حول العقبات، والضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فقط. بالرغم من انه شرح ظاهرة حيود الضوء (الذي كان قد لاحظها فرانشيسكو ماريا جريمالدي) عن طريق السماح بالجسيمات الضوئية بأن تخلق موجة محلية من الأثير.

تصور نيوتن أن الجسم المضيء تنبعث منه جسيمات دقيقة كروية تامة المرونة وتسير بسرعة منتظمة كبيرة جداً وتختلف من وسط إلى آخر حسب كثافته. وتكون حركة هذه الجسيمات الكروية في خطوط مستقيمة في الوسط المتجانس الواحد وقد استدل نيوتن على أن الأشعة الضوئية عندما تصطدم بسطح عاكس فأن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس كاصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس مرتدة بحيث زاوية سقوطها تساوي زاوية انعكاسها.

أما في ظاهرة الانكسار فأنه قد فسره نيوتن عندما تخترق هذه الجسيمات الكروية الضوئية أوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أو الزجاج فإنها تنكسر داخل كل وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها. فعند انتقال الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل، ومعنى ذلك أن المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر سوف تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين.

وبذلك سوف تزداد السرعة المحصلة، أي أن سرعة الضوء في الوسط الكثيف سوف تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي أن سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط). وهذا غير صحيح ويخالف التجارب العلمية حيث أن سرعة الضوء تكون أكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد كلما قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.

النظرية الموجية

Thomas Young's sketch of the two-slit experiment showing the diffraction of light. Young's experiments supported the theory that light consists of waves.


النظرية الكهرومغناطيسية

A linearly polarized light wave frozen in time and showing the two oscillating components of light; an electric field and a magnetic field perpendicular to each other and to the direction of motion (a transverse wave).

وجد ماكسويل أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية سرعتها تساوي سرعة الضوء. أي أن الضوء موجات كهرومغناطيسية ذات طاقة، وقد أتضح أن الشحنة الكهربائية تولد مجالاً كهربائياً حولها وهي ساكنة، وتولد مجالاً مغناطيسياً وهي متحركة. كذلك التغير في المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً، وهذا نص قانون أمبير. وأن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجالا كهربائيا وهذا نص قانون فاراداي. هذه الحقيقة هي أصل تكوين الموجات الكهرومغناطيسية حيث أن شحنة كهربائية متذبذبة تولد في الفضاء مجالين كهربائي ومغناطيسي ،أي مجالاً (كهرومغناطيسي) متغير وهذا المجال يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء نفسها (3exp8 متر /ثانية) أي 300000 كيلومتر /ثانية.

C =1/ ((ε.μ) (1/2)) = 3 exp8

أما شدة الضوء (I) أو شدة الموجة الكهرومغناطيسية فهي (الطاقة في وحدة الزمن لوحدة المساحة وعمودية على اتجاه انتشار الموجة) . I= ε. (Eexp2). c

حيث (E) شدة المجال الكهربائي أو المغناطيسي (B).

يحدد المدى التقريبي للطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديو ذات الطول الموجي الطويل إلى أشعة غاما ذات الطول الموجي القصير جداً والطاقة العالية. والضوء المرئي أي الذي يمكن للعين البشرية رصد موجاته يقع بين مدى من فوق البنفسجي إلى تحت الأحمر.ومن الجدير بالذكر أنة لا توجد حدود تفصل مناطق الطيف من بعضها البعض.

عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية على سطح ما وبصورة عمودية فأن الجسم يمتص تلك الأشعة وأن قوة تسمى قوة الأشعاع تظهر وتحسب من خلال العلاقة التالية :

F= P/ ©

حيث P هي الطاقة لكل وحدة زمن أي القدرة للموجة الكهرومغناطيسية الممتصة ويمكن الحصول على P من خلال العلاقة التالية:

P= (u) / c

حيث u هي الطاقة الكهرومغناطيسية.

نظرية الكم

ضغط الضوء

معنويات

An intricate display for the feast of St. Thomas at Kallara Pazhayapalli in Kottayam, Kerala, الهند dramatically illustrates the importance of light in religion.

انظر أيضاً

شعار قاموس المعرفة.png
ابحث عن ضوء في
قاموس المعرفة.
Wikiquote-logo.svg اقرأ اقتباسات ذات علاقة بضوء، في معرفة الاقتباس.

المصادر

الموسوعة العربية