الضوء
يوجد العديد من الظواهر الطبيعية التي تتطلب التأمل والتفكير، ويُعتبر الضوء أحد أهم هذه الظواهر التي نعيش بفضلها. التفت العلماء إلى دراسة الضوء منذ العصور القديمة، ساعين لفهم أسراره وخصائصه. في هذا المقال، سنتناول الضوء، وخاصة الضوء المرئي الذي تراه العين البشرية، ونستعرض خصائصه والاكتشافات العلمية التي سعت لتفسير طبيعته.
تعريف الضوء
الضوء هو نوع من أنواع الطاقة يتكون من الموجات الكهرومغناطيسية، ويُمكن اعتباره طيفًا كهرومغناطيسيًا يضم جميع أطوال الموجات الضوئية، بداية من السدم المظلمة وصولًا إلى النجوم المتفجرة. يُعد الضوء المسؤول الرئيسي عن عملية الإبصار.
أنواع الضوء
الطيف المرئي
يُعتبر الضوء المرئي نوعًا واحدًا من الضوء، حيث يتميز بتردد معين وطول موجي يتراوح بين 400 نانومتر كحد أدنى و700 نانومتر كحد أقصى. تمثل الموجات الحمراء ضمن الموجات الطويلة بينما تندرج الموجات البنفسجية ضمن الموجات القصيرة، ويمكن للإنسان فقط رؤية هذا الطيف.
الطيف غير المرئي
ينقسم هذا الطيف إلى قسمين:
- الموجات الطويلة: تشمل الموجات تحت الحمراء، الميكروويف، والموجات الراديوية.
- الموجات القصيرة: تشمل الأمواج فوق البنفسجية، الأشعة السينية، وأشعة غاما؛ حيث يمكن لبعض الكائنات مثل النحل رؤية الضوء فوق البنفسجي.
تاريخ نظريات الضوء
في العصور السابقة، لا سيما في زمن الإغريق، كانت النظريات السائدة تشير إلى أن مصدر الضوء الرئيسي هو العين البشرية، حيث يُعتقد أن العين تُرسل أشعة ضوء نحو الأشياء، ولكن هذا الاعتقاد تغير بفعل العالم المسلم ابن الهيثم. الذي أسهم في تغيير المفاهيم الخاطئة حول الضوء، موضحًا أن الضوء يسقط على الأجسام، فتنعكس الموجات على العين، وتصل إلى المخ لتمكننا من رؤية الأشياء. ابن الهيثم ألَّف كتاب “المناظر”، الذي يُعتبر مرجعًا مهمًا في علم البصريات وترجم إلى العديد من اللغات.
من بين العلماء الذين درسوا الضوء وعملوا على تطوير مفاهيمه هو العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن، الذي اكتشف أن الضوء الأبيض ليس إلا مزيجًا من الألوان السبعة، وذلك باستخدام المنشور الزجاجي لتحليل الضوء. كما أوضح نيوتن أن الضوء ينتشر كتيار من الجسيمات الدقيقة، لكن اتضح لاحقًا أن لديه خصائص موجية أيضًا مما أدى إلى استنتاج طبيعة الضوء المزدوجة ما بين الموجات والجسيمات، وأطلق على الجسيمات الدقيقة للضوء اسم الفوتونات.
خصائص الضوء
يمكن تلخيص أهم خصائص الضوء كما يلي:
- يمتاز الضوء بعدة خصائص مثل الطول الموجي والتردد، حيث توجد علاقة عكسية بينهما. فكلما قصُر الطول الموجي زادت الترددات.
- يسير الضوء في خطوط مستقيمة.
- يمكن أن ينتقل الضوء عبر الفراغ، الهواء، والماء.
- تبلغ سرعة الضوء في الفراغ قيمة ثابتة تُقدَّر بحوالي 299,792,458 م/ث.
- الانعكاس: هو ارتداد الضوء عند ملامسته سطحًا عاكسًا مثل المرايا.
- الانكسار: هو انحراف مسار شعاع الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر، مثلما يحدث عند انتقاله من الماء إلى الهواء.
- التراكب أو التداخل: هو تحقق تداخل بين موجتين أو أكثر، حيث يمكن أن يكون التداخل بناءً أو هدّامًا.
- الحيود: هو تقوس الموجة الضوئية عند دخولها من خلال فتحات صغيرة.
- التشوش: هذه الخاصية تظهر عندما ينفذ الضوء من خلال ثقبين صغيرين جدًا، مما يؤدي إلى تداخل الموجات وتكوين مناطق ذات كثافة عالية وأخرى منخفضة.
استخدامات الضوء
من أبرز استخدامات الطيف الكهرومغناطيسي:
- تستخدم أشعة غاما في قضبان الوقود بمحطات الطاقة النووية.
- تستخدم الأشعة السينية لرصد ما بداخل أجسامنا عبر الصور الطبقية.
- يمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية في تعقيم الأشياء وصناعة التلسكوبات.
- تستخدم موجات الميكروويف لطهي الطعام.
- تسمح لنا الموجات الراديوية بالتواصل على مسافات بعيدة.
- النجوم الحمراء التي تُعتبر الأبرد لا تبعث أي ضوء مرئي، ولا يمكن رؤيتها سوى عبر التلسكوبات العاملة بالأشعة تحت الحمراء.
مصادر الضوء
تتعدد مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي، وعادةً ما تُقسم إلى فئتين: طبيعية ومن صنع الإنسان. تشمل المصادر الطبيعية الإشعاعية الشمس، النجوم، البرق، وأي جسم يمتلك درجة حرارة فوق الصفر المطلق. بينما تشمل المصادر من صنع الإنسان الأضواء المتوهجة، السخانات، أجهزة الليزر، تكنولوجيا الراديو والتلفزيون، والرادارات.
توجد نوعان مهمان من الأطياف في علم الضوئيات: أطياف الانبعاث، والتي تشير إلى الضوء المنبعث من المصدر، وأطياف الامتصاص، الناتجة عن الضوء الذي يمر عبر جسم يمتص فيه الضوء.
جميع المواد ذات درجات حرارة فوق الصفر المطلق تصدر إشعاعات كهرومغناطيسية، وكل ذرّة أو جزيء له مجموعة فريدة من الخطوط الطيفية التي تميزه عن باقي العناصر.