طبيعة الضوء ونظرياته المختلفة يعتبر الضوء من أهم أنواع الطاقة وله العديد من الخصائص والنظريات. في هذا المقال سنتحدث عن الضوء وطبيعته والنظريات المختلفة التي طورها العلماء.
عن الضوء
- هي نوع من الطاقة وتتكون من موجات كهرومغناطيسية وهي مزيج من الطاقة الكهربائية والطاقة المغناطيسية وتشمل جميع الأطوال الموجية.
- يعتبر العالم المسلم الحسن بن الهيثم مؤسس علم الضوء لأنه أرسى قوانينه الأساسية، وسرعة الضوء في الفراغ حوالي 3 * 10 مرفوعة بقوة ثمانية أمتار في الثانية. .
- له العديد من الخصائص الموجية والكمية والهندسية والفيزيائية، وأشهرها الانتشار والحيود والانعكاس والانكسار والتداخل والاستقطاب، وللضوء خصائص جسيمية.
أنظر أيضا: ما هو الفرق بين الضوء والضوء؟
طبيعة الضوء
- يتكون الضوء من موجات لها خصائصها الخاصة ويمكن تمييزها عن موجات الماء، ويمكن ببساطة تمثيل موجتها كشعاع يمثله خط مستقيم ويظهر الاتجاه.
- توجد أسهم أعلى وأسفل الخط المستقيم، بالإضافة إلى أنها متعامدة عليه، والتي تعتبر المجال الكهربي للموجة، وتختلف هذه الأسهم في الطول.
- الموجة الضوئية لها عدة عوامل تميزها.
1- الطول الموجي
والذي يُرمز إليه بالرمز λ، وهو المسافة من قمة الموجة إلى قمة الخط المستقيم لنموذج الموجة.
2- التردد f:
هذا هو عدد المرات التي تكمل فيها الدورة في ثانية واحدة، والسعة a هي المسافة القصوى إلى الأعلى أو العكس في خط مستقيم لأعلى ولأسفل.
3- الوقت الدوري T:
إنه الوقت المستغرق لإكمال دورة كاملة، وسرعة الانتشار هي المسافة التي تقطعها الموجة في ثانية واحدة، ويمكن حساب سرعة الضوء باستخدام المعادلة التالية ج = λ. F
الفوتونات
- وضع العالم الألماني ألبرت أينشتاين نموذجًا عندما يتصرف الضوء كجسيم في ميلادي. في عام 1905، سميت جسيمات الضوء بالفوتونات.
- المسار الذي يسلكه الفوتون في نموذج أينشتاين هو شعاع من الضوء، وعندما يعمل المصباح الكهربائي على إرسال حزم ضوئية، يتكون هذا الشعاع من عدد كبير جدًا من الفوتونات.
- ينتقل كل فوتون في خط مستقيم، وباستخدام هذين النموذجين، يمكن للبعض أن يتساءل عما إذا كان الضوء موجة أم جسيمًا، لذا فإن الجواب هو أنه يتصرف كموجة في بعض التجارب.
- في حين أنه يتصرف مثل الجسيم في بعض التجارب الأخرى، ويكون للضوء سرعة واحدة عندما ينتقل في الفراغ، وبالتالي فهو يختلف عن الموجات الأخرى التي تتغير سرعتها.
- تعد سرعة الضوء أحد أسس نظرية النسبية لأينشتاين، وعندما يضرب الضوء ذرات المادة التي تعطلها، ينتقل عبر تلك الذرات بنفس السرعة.
الطيف المرئي والكهرومغناطيسي
- يتكون الطيف المرئي من سلسلة من الموجات الكهرومغناطيسية وألوان الطيف المرئي مختلفة وهي سبعة ألوان: الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والنيلي والأزرق والبنفسجي.
- كل لون من ألوان الطيف له طول موجي مختلف، بينما سرعة كل موجة ثابتة، وهي سرعة الضوء في الفراغ. الطيف المرئي هو جزء صغير من طيف الموجات الكهرومغناطيسية.
- يتراوح الطول الموجي للضوء عادةً من 400 نانومتر، وهو الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية، إلى 700 نانومتر، وهو الطول الموجي لضوء الأشعة تحت الحمراء.
نظريات الضوء
1- نظرية الجسيمات الضوئية
- هذه النظرية اقترحها العالم الفرنسي بيير جاسند، وفضلها العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن، ودرسها واقترح أن الضوء مصنوع من جسيمات، مثل جسيمات المادة، وتأتي من المصدر في جميع الاتجاهات.
- وأشار إلى أن من سمات الموجة ظهورها على شكل موجات، بينما ينتقل الضوء في خط مستقيم، وتخيل أن الضوء ينبعث منه جزيئات كروية وصغيرة وله انتظام كبير جدًا ؛ السرعة التي تختلف حسب البيئة.
- وأشار أيضًا إلى أن الموجة الضوئية تتميز بمرونة مثالية، أي عندما تظهر على سطح عاكس، تكون زاوية وصولها مساوية لزاوية انعكاسها، وهذا يشبه التصادم المرن تمامًا. كرة بسطح أملس.
- وفيما يتعلق بخاصية الانكسار، أوضح أنه عندما يخترق الضوء وسطًا ذي كثافة مختلفة، مثل الزجاج، ينكسر في هذا الوسط وينحرف عن مساره.
- إذا انتقل الضوء من الهواء إلى الماء، ولأن كثافة الماء أقل من كثافة الهواء، فإن الجسيمات تنحرف نحو الأسفل، وتقترب الجسيمات من السطح عموديًا بين الوسطين.
- وهو ما يؤدي إلى سرعة أعلى، مما يعني أن سرعة الضوء في وسط أكثر كثافة أسرع منها في وسط منخفض الكثافة، وهو ما يتعارض مع ثبات سرعة الضوء في الفراغ.
- أدى هذا الصراع إلى فشل نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والاستقطاب والتداخل.
2- النظرية الكهرومغناطيسية
- اكتشف العالم الاسكتلندي ماكسويل أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية، وسرعته هي السرعة المعروفة للضوء، أي أنه يحتوي على طاقة.
- عندما تكون الموجة ثابتة، يمكن أن تنتج الشحنات الكهربائية مجالًا كهربائيًا حولها، بينما يمكن أن تنتج مجالًا مغناطيسيًا حول نفسها عندما تكون في حالة حركة.
- وفقًا لقانون أمبير، يتم إنشاء مجال مغناطيسي أيضًا عندما يتغير مجال كهربائي، ووفقًا لقانون فاراداي، يتم إنشاء مجال كهربائي عندما يتغير مجال مغناطيسي.
- هذا هو تكوين الموجات الكهرومغناطيسية للضوء، حيث يتم إنشاؤها بواسطة شحنة كهربائية تتأرجح في الفضاء، والتي تنتج مجالًا كهرومغناطيسيًا يتكون من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي.
- وهذا المجال يتغير، ويتحرك بسرعة تساوي السرعة العادية للضوء.
- بينما يمكن التعبير عن شدة الضوء على أنها شدة تلك الموجة الكهرومغناطيسية، وهي مقدار الطاقة المرسلة لكل وحدة مساحة، لكل وحدة زمنية، وعموديًا على اتجاه انتشار الموجة.
3- نظرية النسبية العامة
- درس العالم الألماني ماكس بلانك الطاقة المشعة من الأجسام الساخنة وصاغ قانونًا لها E = hf، حيث E هي الطاقة، و f التردد، و h ثابت بلانك.
- ينبعث الضوء على شكل فوتونات، وقد طور العالم أينشتاين اقتراحًا بناءً على فرضية بلانك القائلة بأن الطاقة الضوئية تنتشر في الفراغ على شكل حزم من الفوتونات يمكن أن تنبعث على شكل رشقات نارية أو انفجارات. الكم
- كما اقترح أن الضوء يتصرف مثل جسيم، فوتون، عندما يمر عبر فراغ، وهذا يتعارض مع مبدأ نظرية الموجة للضوء.
- لكن بعد مرور بعض الوقت، فضل أينشتاين فكرة نظرية الموجة وعارض فكرة التعامل مع الضوء كجسيم.
- طور العالم الفرنسي دي برولي مبدأً مهمًا للغاية في ميلادي. في عام 1924، والذي ينص على أن الضوء له طبيعة مزدوجة.
- حيث تتصرف كموجة في ظل ظروف معينة وهذا يتفق مع النظرية التي طورها ماكسويل ويشرح ظاهرة انعكاس الضوء وانكساره وانحرافه وتداخله واستقطابه.
- كما أنه يتصرف مثل الجسيم، الفوتون، في ظل ظروف أخرى، متفقًا مع النظريات التي طورها كل من أينشتاين وماكسويل، ويشرح تفاعل الضوء مع المادة، وكذلك ظاهرة كومبتون، إلخ.
انظر أيضًا: التحقيق في نظرية انعكاس الضوء في المرايا
4- نظرية الموجات الكمومية
- عندما تنتقل الطاقة في شكل حركة موجية، يجب أن يكون هناك وسيط تنتقل من خلاله اهتزازات جزيئاتها، وتؤثر الجزيئات على الجزيئات المجاورة، كما أنها تهتز.
- يعتبر هذا انتقالًا لطاقة الأمواج داخل المادة، مثل انتقال الصوت في جزيئات الهواء أو الماء، ومفهوم الأثير، الذي تم اختراعه، هو مثال على عملية الانتقال هذه، ولكن للضوء.
- لكن وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية، لا يحتاج الضوء إلى وسيط للسفر، فهو يتحرك في فراغ، بسرعة ثابتة.
- وفقًا لنفس النظرية، يتم إنتاج الموجة الكهرومغناطيسية عن طريق تغيير مجالين متوافقين من نفس التردد، أحدهما كهربائي والآخر مغناطيسي.
انظر أيضًا: موضوع حول انعكاس الضوء
في نهاية هذا المقال عن طبيعة الضوء ونظرياته المختلفة، سنتحدث عن الضوء وطبيعته من حيث كونه موجة أو جسيمًا أو كليهما، تمامًا كما تحدثنا عن الفوتونات ونظريات العلماء المختلفة. اسحب للأمام للضوء.