طبيعة الضوء ونظرياته المختلفة

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 هو الخالق لعلم الضوء ، حيث وضع الشرائع الأساسية له ، وسرعة الضوء في الفراغ تقارب 3 * 10 إلى قوة ثمانية أمتار. ثانية. .
له العديد من الخصائص الموجية والكمية والهندسية والفيزيائية ، وأشهرها الانتشار والحيود والانعكاس والانكسار والتداخل والاستقطاب ، كما أن للضوء خصائص جسيمية.

طبيعة الضوء

يتكون الضوء من موجات لها خصائصها الخاصة ، ويمكن أن تختلف عن موجات الماء ، ويمكن ببساطة تمثيل موجته كشعاع يمثله خط مستقيم ويشير إلى اتجاهه.
هناك أسهم تشير إلى أعلى وأسفل الخط المستقيم ، وكذلك متعامدة عليه ، والتي تعتبر المجال الكهربائي للموجة ، وتختلف هذه الأسهم في الطول.
موجة الضوء لها العديد من العوامل التي تميزها.

1- الطول الموجي

يُرمز لها بـ λ ، وهي المسافة من قمة الموجة إلى القمة التي تليها في الخط المستقيم لنمط الموجة.

2- التردد و

إنه عدد الدورات في الثانية التي يكملها ، والسعة a هي أقصى مسافة للرأس أو عكسها أعلى الخط وتحته.

3- الوقت الدوري ت

إنه الوقت اللازم لإكمال دورة كاملة ، وفيما يتعلق بسرعة الانتشار ، فهي المسافة التي تقطعها الموجة في الثانية ، ويمكن حساب سرعة الضوء باستخدام المعادلة التالية ج = λ. F

الفوتونات

طور العالم الألماني ألبرت أينشتاين نموذجًا للضوء عندما يتصرف مثل الجسيم ، في عام 1905 م ، وتسمى جسيمات الضوء الفوتونات.
المسار الذي يسلكه الفوتون في نموذج أينشتاين هو شعاع الضوء ، وعندما يكون هناك مصباح يرسل شعاعًا من أشعة الضوء ، فإن هذا الشعاع يتكون من عدد كبير جدًا من الفوتونات.
ويسافر كل فوتون في خط مستقيم ، ومن خلال هذين النموذجين قد يتساءل البعض عما إذا كان الضوء عبارة عن موجة أم جسيم ، لذا فإن الإجابة على ذلك هي أنه في بعض التجارب يتصرف مثل الموجة.
على الرغم من أن الضوء يتصرف في بعض التجارب الأخرى مثل الجسيم ، إلا أن للضوء سرعة عند السفر في الفراغ ، وبالتالي فهو يختلف عن الموجات الأخرى التي تتغير سرعتها.
يعد امتلاك سرعة الضوء أحد أسس نظرية النسبية لأينشتاين ، وعندما يضرب الضوء ذرات إحدى المواد المعطلة ، ينتقل بنفس السرعة عبر تلك الذرات.

الطيف المرئي والكهرومغناطيسي

يتكون الطيف المرئي من سلسلة من الموجات الكهرومغناطيسية ، وتتنوع ألوان الطيف المرئي ، وهناك سبعة ألوان هي الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والنيلي والأزرق والبنفسجي.
كل لون في الطيف له طول موجي مختلف ، في حين أن سرعة كل من الموجات ثابتة ، وهي سرعة الضوء في الفراغ ، ويشكل الطيف المرئي جزءًا صغيرًا من طيف الموجات الكهرومغناطيسية.
يتراوح الطول الموجي للضوء بشكل عام من 400 نانومتر ، وهو الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية ، إلى 700 نانومتر ، وهو الطول الموجي لضوء الأشعة تحت الحمراء.

نظريات الضوء

1- النظرية الجسيمية للضوء

هذه النظرية اقترحها العالم الفرنسي بيير جاسندي وفضلها العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن ، الذي درسها وافترض أن الضوء يتكون من جسيمات مثل جسيمات المادة ، وأنه يأتي من مصدر واحد في جميع الاتجاهات.
وذكر أن إحدى خصائص الموجة هي ظهور شكل الموجة على شكل موجات ، بينما ينتقل الضوء في خط مستقيم ، وتخيل أن الضوء يصدر جسيمات كروية صغيرة ، وهي كبيرة الحجم. السرعة العادية التي تختلف حسب المتوسط.
وذكر أيضًا أن الموجة الضوئية مرنة تمامًا ، أي عندما تصطدم بسطح عاكس ، تكون زاوية وصولها مساوية لزاوية انعكاسها ، وهذا يشبه اصطدام كرة مرنة تمامًا بسطح أملس . .
فيما يتعلق بخاصية الانكسار ، فسرها على أنها عندما يخترق الضوء وسائط ذات كثافات مختلفة مثل الزجاج ، ينكسر داخل تلك الوسائط وينحرف عن مسارها.
إذا كان الضوء ينتقل من الهواء إلى الماء ، وبما أن كثافة الماء أقل من كثافة الهواء ، فإن الجسيمات تنحرف إلى أسفل ، وبالتالي تكون الجسيمات أقرب إلى العمودي على السطح بين الوسطين.
وهذا يؤدي إلى سرعة أعلى ، مما يعني أن سرعة الضوء في وسط ذي كثافة أعلى تزداد عنه في الوسط ذي الكثافة المنخفضة ، وهذا يتعارض مع استقرار 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 سرعة الضوء المعروفة ، مما يعني أنه يحتوي على طاقة.
عندما تكون الموجة ثابتة ، يمكن أن تولد الشحنات الكهربائية مجالًا كهربائيًا حولها ، بينما يمكن أن تولد مجالًا مغناطيسيًا حولها عندما تتحرك.
وفقًا لقانون أمبير ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي أيضًا عند حدوث تغيير في المجال الكهربائي ، ووفقًا لقانون فاراداي ، يتم إنشاء مجال كهربائي عند حدوث تغيير في المجال المغناطيسي.
يعتبر هذا تكوين الموجة الضوئية الكهرومغناطيسية ، لأنها ناتجة عن اهتزاز شحنة كهربائية في الفضاء ، مما يولد مجالًا كهرومغناطيسيًا يتكون من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي.
ويتغير هذا المجال ، يتحرك بنفس السرعة مثل السرعة العادية للضوء.
بينما يمكن التعبير عن شدة الضوء ، I ، على أنها شدة تلك الموجة الكهرومغناطيسية ، وهي مقدار الطاقة المنقولة لكل وحدة مساحة ، لكل وحدة زمنية وعمودية على اتجاه انتشار الموجة.

3- نظرية النسبية العامة

درس العالم الألماني ماكس بلانك الطاقة الإشعاعية القادمة من الأجسام الساخنة وطور قانونًا لها E = hf ، حيث تعبر E عن الطاقة ، وتمثل f التردد ، بينما تعبر h عن ثابت بلانك.
ينبعث الضوء على شكل فوتونات ، وقدم العالم أينشتاين اقتراحًا بناءً على فرضية بلانك ، وهي أن الطاقة الضوئية تنتشر في فراغ على شكل حزم فوتونية ، والتي يمكن أن تنبعث على شكل فوتونات.دفعة أو كمية .
كما اقترح أن الضوء ، عندما يمر عبر فراغ ، يتصرف مثل الجسيم ، وهو الفوتون ، وهذا يتعارض مع مبدأ نظرية الموجة للضوء.
لكن بعد فترة من الزمن ، أيد أينشتاين فكرة نظرية الموجة وعارض فكرة سلوك الضوء كجسيم.
طور العالم الفرنسي دي برولي مبدأً مهمًا للغاية في عام 1924 م ، وينص المبدأ على أن للضوء خاصية مزدوجة.
حيث تتصرف كموجة في بعض الظروف ، وهذا يتفق مع النظرية التي طورها عالم ماكسويل ، ويشرح ظواهر انعكاس وانكسار الضوء وانحرافه وتداخله واستقطابه.
كما أنه يتصرف مثل الجسيم ، وهو الفوتون ، في ظل ظروف أخرى ، وهذا يتفق مع النظريات التي طورها أينشتاين وماكسويل ، ويفسر تفاعل الضوء مع المواد ، وكذلك ظاهرة كومبتون ، وغيرها.

4- نظرية الموجة الكمومية

عندما تنتقل الطاقة في شكل حركة موجية ، يجب أن يكون هناك وسيط يحدث من خلاله الانتقال من خلال تذبذب جسيماتها ، وتؤثر الجسيمات على الجسيمات المجاورة ، كما أنها تتأرجح.
هذا هو انتقال طاقة الأمواج داخل المادة ، مثل انتقال الصوت في الهواء أو في جزيئات الماء ، وفكرة الأثير التي تم ابتكارها هي مثال لعملية هذا النقل ، ولكن للضوء.
لكن وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية ، لا يحتاج الضوء إلى وسيط للسفر ، إنه يسافر في فراغ ، بسرعة ثابتة.
وفقًا لنفس النظرية ، تنتج الموجة الكهرومغناطيسية عن تغيير مجالين متوافقين على نفس التردد ، أحد هذين المجالين كهربائي والآخر مغناطيسي.