كان الضوء ولا يزال سببًا أساسيًّا لوجود الحياة على كوكبنا؛ فالنباتات تحول الطاقة التي يوافرها ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية عن طريق عملية التمثيل الضوئي التي تستخدمها بعد ذلك في نموها.
اقرأ أيضًا: ما العوامل المؤثرة على ظاهرة حيود الموجات؟
مفهوم الضوء
إن الضوء هو ما يجعل الأشياء الموجودة على كوكبنا والأرض وفي الكون مرئية. وبمساعدة الضوء، "نتواصل" مع النجوم والكواكب في نظامنا الشمسي، ونجمع آلاف المعلومات حول تكوينها (الطريقة الطيفية).
كان اليونانيون القدماء أول من أدرك ما نسميه اليوم "الطبيعة الجسيمية" للضوء. بمعنى آخر، كانوا يعتقدون أن الضوء المنبعث من الشمس، وكذلك أي مصدر مُضيء، يتكون من جزيئات صغيرة تتحرك بسرعة عالية جدًّا، وعندما تسقط في عين الراصد، تحفز العضو الحسي للرؤية.
فقبل ذلك ساد الاعتقاد الشائع غير المنطقي من كل من إقليدس وديموكراط وغيرهم أن العين تصدر الضوء أو أن الأجسام تصدر الضوء، لكن رُفِضت هذه النظريات؛ بسبب عدم إمكانية الرؤية في الظلام.
وبعد ذلك بكثير، اعتمد نيوتن على هذه الفكرة ذاتها؛ أي الطبيعة الجسيمية للضوء، وذلك لصياغة قانون انعكاس الضوء استنادًا إلى مبادئ الحفاظ على الطاقة والزخم.
بلغت ذروة البحوث في طبيعة الضوء عام 1865 عندما أثبت ماكسويل في أثناء تطوير نظريته الكبرى، أن الضوء هو موجات كهرومغناطيسية مستعرضة.
استمرارًا للمراجعة التاريخية، نلتقي في بداية القرن العشرين ماكس بلانك (ماكس بلانك، 1858-1947) الذي استخدم الطبيعة الجزيئية للضوء لتفسير الإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة.
في العصر الحديث، يُفسِّر أينشتاين، باستخدام الطبيعة الجسيمية للضوء، التأثير الكهروضوئي (انبعاث الإلكترونات من المعادن عندما يسقط عليها الإشعاع الكهرومغناطيسي).
نحن اليوم نؤمن بالطبيعة المزدوجة للضوء؛ أي إن الضوء يتصرَّف كموجة وكجسيم يسمى الفوتون. ففي الظواهر مثل الوقوع والحيود والاستقطاب تتجلَّى الطبيعة الموجية للضوء (الموجة الكهرومغناطيسية)، في حين في الظواهر المتعلقة بتفاعل الضوء مع المادة (الامتصاص – الانبعاث) مثل التأثير الكهروضوئي تتجلى في الطبيعة الجسيمية من الضوء.
لذا فإن السؤال "ما الضوء الجسيم أم الموجة؟" وهذا غير صحيح؛ لأن الضوء يتصرف كموجة وجسيم.
اقرأ أيضًا: بقايا الانفجار الكونى على تلفازك
الطبيعة الموجية للضوء
نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية
كان التطور الأكثر أهمية في القرن التاسع عشر في دراسة إنتاج وانتشار الضوء هو عمل ماكسويل، الذي صاغ في عام 1873 نظرية الإشعاع الكهرومغناطيسي. ووفقًا لهذه النظرية فإن الضوء هو موجات كهرومغناطيسية مستعرضة، تبدأ من مصدر الضوء وتنتشر في جميع الاتجاهات.
أثبت ماكسويل أنه عندما تهتز الشحنة الكهربائية، فإنها تنتج موجة كهرومغناطيسية. تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من موجة كهربائية وموجة مغناطيسية؛ أي أنه حقل ذو خاصيتين، شدة Ɛ للمجال الكهربائي وكثافة B للمجال المغناطيسي التي تكون نواقلها متعامدة مع بعضها البعض وتختلف من موضع إلى موضع ومن لحظة إلى أخرى.
ولهذا السبب تُصنَّف على أنها كميتين محليتين ومتغيرتين بمرور الوقت (Ɛ و Β). تأخذ شدة الحقلين Ɛ وB القيمة القصوى والدنيا في الوقت نفسه؛ أي أنهما لهما الطور نفسه وينتشران بالسرعة نفسها c (الشكل 1-2).
تُعطي المصادر العادية الضوء المرئي ترددات (أو أطوال موجية) للموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن للعين رؤيتها، ويتراوح الطول الموجي لهذه الموجات من 400 نانومتر إلى 700 نانومتر تقريبًا.
ونجد أيضًا بسهولة أن الضوء ينقل الطاقة (على سبيل المثال، أي جسم عند تعرضه للضوء) مع الإشعاع الشمسي، مع ارتفاع درجات الحرارة). وهذه الطاقة هي طاقة كهربائية وطاقة مجال مغناطيسي تنتجها المصادر وتنتقل على شكل موجة كهرومغناطيسية.
الطبيعة الجزيئية للضوء
نظرية الكم
ومع أنَّ النظرية الكلاسيكية (التي طُوِّرت قبل عام 1922) للكهرومغناطيسية فسَّرت بعض ظواهر الضوء، مثل التداخل والحيود والاستقطاب وغيرها، لكنها فشلت في تفسير بعض الظواهر الأخرى المتعلقة بتفاعل الإشعاع الضوئي مع المادة.
لا يمكن تفسير عدد من البيانات التجريبية على افتراض أن الضوء ليس سوى موجة. ومن أهم هذه التجارب دراسة التأثير الكهروضوئي.
لتفسير انبعاث وامتصاص الضوء، لم تكن بعض التوسعات في النظرية الكلاسيكية كافية. في الواقع، استغرق الأمر شيئًا أكثر جذرية من مجرد توسع بسيط.
في عام 1900، قدم بلانك، لشرح الإشعاع الناتج عن جسم ساخن، نظرية الكم الضوئي التي طبقها أينشتاين لاحقًا لشرح التأثير الكهروضوئي.
وفقًا لنظرية الكم بلانك، فإن الضوء (وبوجه عام كل الإشعاع الكهرومغناطيسي) ينبعث ويمتص من ذرات المادة ليس على نحو مستمر وإنما يكون متقطعًا؛ أي إن كل ذرة تبعث أو تمتص كميات أولية من الطاقة تُسمَّى كوانتا الضوء أو الفوتونات، ولذلك فإن الذرة لا تبعث موجات مستمرة بل فوتونات، كل منها يتميَّز بتردد معين وله كمية محددة من الطاقة E.
عندما يضرب الضوء المادة، تمتص ذرات المادة الإشعاع على نحو متقطع؛ ما يعني أن كل ذرة تمتص فوتونات فردية. كل فوتون من الإشعاع له طاقة تعطى بالعلاقة E = hf.
E = h·f طاقة الفوتون
h هو ثابت، يسمى ثابت بلانك، وله قيمة h = 6.63·10-34J·s وf التردد.
1-2 لقطة لموجة كهرومغناطيسية بعيدة عن المصدر وتنتشر أفقيًّا. تكون شدة المجال E و B متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة ولهذا تسمى هذه الموجات عرضية.
الشكل 3.1-2 لقطة لموجة كهرومغناطيسية بعيدة عن المصدر، وتنتشر أفقيًا. تكون شدة المجال Ɛ وB متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة ولهذا تسمى هذه الموجات عرضية.
ماكس بلانك (1858-1947). يتكون شعاع الضوء من حزم صغيرة من الطاقة، تسمى الكمات الضوئية أو الفوتونات.
ماكس بلانك (1858-1947).
يتكون شعاع الضوء من حزم صغيرة من الطاقة تسمى الكمات الضوئية أو الفوتونات.
مع مصطلح التأثير الكهروضوئي، نصف انبعاث الإلكترونات من أسطح المعادن، عندما يسقط عليها الإشعاع الكهرومغناطيسي المناسب، المرئي أو فوق البنفسجي، وما إلى ذلك مصطلح الكم يأتي من الكلمة اللاتينية الكم = المبلغ.
عندما يتم تكميم كمية ما، فهذا يعني أنها تأخذ قيمًا منفصلة (معينة) فقط، أي إن مجموعة القيم ليست متصلة. Ac أذكر الشحنة الكهربائية. هذا كمي لأنه لا يأخذ أي قيم، ولكن فقط مضاعفات صحيحة للشحنة أو قيمة الإلكترون: 1.6×10-19C.
عندما يسقط الضوء على المعادن، تنتقل الطاقة من الفوتون إلى أحد إلكترونات ذرة المعدن؛ أي إن الإلكترون يتفاعل مع أحد فوتونات الضوء كما لو كان الفوتون جسيمًا.
نظرية الكم لا تنفي الطبيعة الموجية للضوء. وللفوتون أيضًا خصائص موجية، فطاقته مثلًا تعتمد على تردده، وهي خاصية موجية بامتياز.
أثبت صحة نظرية ماكسويل تجريبيًا بواسطة هيرتز في عام 1887 الذي أنتج بواسطة التذبذبات الكهربائية السريعة موجات من طبيعة الضوء نفسها، ولكن بتردد أقل.
ترتبط سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية (c) والتردد (f) والطول الموجي (α) بالعلاقة c = lectf التي تسمى معادلة الموجة الأساسية.
يجب عليك تسجيل الدخول أولاً لإضافة تعليق.