هل الضوء مادة ولماذا؟

تعريف الضوء

الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي ينتشر في نطاق معين من ترددات الإشعاع الكهرومغناطيسي.
علاوة على ذلك ، يمكن رؤية هذه الإشعاعات بوضوح بالعين المجردة ، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى التي لا تستطيع العين البشرية رؤيتها.
إنها أيضًا حالة تنتشر بسرعة عالية جدًا تبلغ حوالي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية ، حيث ينتشر هذا الضوء على شكل موجات اهتزازية.
علاوة على ذلك ، يصل الطول الموجي للضوء المرئي بالعين المجردة إلى حوالي 700000 نانومتر ، ويقع هذا الطول الموجي بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.
حيث تعتمد رؤية الألوان البشرية على طبيعة الضوء الصافي للعين المجردة ، بالإضافة إلى تحليل العين والدماغ لطبيعة هذه الألوان المختلفة.

خصائص الضوء

هناك العديد من الخصائص المختلفة للضوء وهي:

1- الانكسار

الانكسار هو أحد خصائص الضوء ، وهو تغيير في مسار موجات الضوء عندما تمر هذه الموجات من وسط مادي إلى وسط مادي آخر مختلف تمامًا عنه.
أثناء انتقال الضوء وانتشاره بين وسائط مادية مختلفة ، ينكسر بزاوية معينة تختلف اعتمادًا على الاختلاف في سرعة انتشار الضوء ، حيث ينكسر الضوء في الهواء أسرع منه في الماء.

2- تراكب

يعتبر التداخل من أهم خصائص الضوء ، فعندما يلتقي جسم معين بموجتين ضوئيتين في نفس المكان ، تتداخل هذه الموجات مع بعضها البعض ، حيث تحتوي كل موجة على قمة وقاع.
عند حدوث تداخل ، تلتقي قمتا الموجتين أو تنقصان ، وفي هذه الحالة يصبح الضوء أقوى من الضوء الناتج عن موجة واحدة.
كما أن هناك ما يسمى بالتداخل الهدام ، وهذا النوع من التداخل يجب أن يحدث عندما يلتقي الجزء العلوي من الموجة الضوئية بأسفل موجة أخرى ، حيث أن القاع يقلل من ارتفاع الموجة الأخرى ، كنقطة التقاء بينهما. يصبح مظلمًا تمامًا.

3- الانعراج والانتشار

من المعروف أن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة ، ولكن عندما يمر الضوء من خلال فتحة صغيرة ، فإن موجات الضوء ستنتشر أثناء مرورها بالحافة الصغيرة ، وهذا ما يُعرف بخاصية الانعراج.
هذه الوظيفة مفيدة في الدراسات والأبحاث التي تتناول دراسة الألوان المختلفة للإشعاع الضوئي باستخدام حواجز الانعراج.
يحتوي هذا الشق على العديد من الثقوب الصغيرة التي تسبب انحناء موجات الضوء بكميات صغيرة جدًا أثناء مرورها عبر هذه الثقوب.
علاوة على ذلك ، يمكن استخدام هذه النتيجة لمعرفة وتحليل الألوان المختلفة التي تأتي من النجوم ، ومن الممكن أيضًا معرفة المواد التي تتكون منها النجوم.

4- الانعكاس والتشتت

يتميز الضوء بخاصية الانعكاس والتشتت ، وعندما يتعرض جسم معين لأشعة الضوء ، يحتفظ هذا الجسم بالطاقة ثم يعيد إرساله في جميع الاتجاهات المختلفة ، وتسمى هذه الخاصية خاصية الانعكاس.
فيما يتعلق بالتشتت ، تظهر هذه الخاصية للضوء عندما تختلف مؤشرات انكسار الضوء نتيجة اختلاف الأطوال الموجية لأشعة الضوء.

5- الاستقطاب

يمكن لأي شخص أن يلاحظ خاصية الاستقطاب عن طريق تسليط أشعة الضوء على بلورة زجاجية معينة حيث تكون موازية لبلورة شفافة أخرى ويجب أن تدور إحداها بزاوية قائمة.
في هذه الحالة ، لا يمكن لأشعة الضوء أن تمر من خلالها ، وبالتالي يمكن الحصول على أشعة الضوء التي تعرضت لعملية الاستقطاب من خلال خاصية انعكاس الضوء ، بالإضافة إلى أن أشعة الضوء غالبًا ما تكون مستقطبة بزاوية السقوط.

اختلف الفيزيائيون حول طبيعة موجات الضوء ، وكان العالم نيوتن أول من بحث في هذا المجال ، عندما قال إن موجات الضوء هي تيار كبير من جزيئات المواد الدقيقة.
كان هذا العالم قادرًا على شرح جميع الظواهر الطبيعية التي كانت موجودة في ذلك الوقت على أساس هذا التصور. وبالتالي ، تنعكس موجات الضوء عندما تسقط على الأسطح العادية ، لأن زاوية سقوط أشعة الضوء تساوي زاوية الانعكاس. .
كان للعالم الهولندي هيغينز رأي مختلف تمامًا عن رأي نيوتن ، حيث كان يعتقد أن أشعة الضوء هي موجات تنعكس مثل انعكاس الموجات الصوتية.
حيث يرى هذا العالم الضوء ينتشر بسرعة عبر الماء بينما تتباطأ سرعة الضوء في الهواء ، ثم تنكسر أشعة الضوء ، وفي هذه الحالة تكون أشعة الضوء موجات.
أيضًا ، أخذ الفيزيائيون وجهة نظر نيوتن بأن أشعة الضوء هي جزيئات مادية.

ضوء في القرن التاسع

أما في أوائل القرن التاسع ، فقد ظهر الفيزيائي توماس ، الذي فضل وجهة نظر هيغنز للعالم ، واستنتج ذلك من خاصية التداخل للضوء ، والتي ليس لها تفسير ، باستثناء أن أشعة الضوء هي موجات وليست جسيمات فيزيائية.
حيث استمر هذا الخلاف والنقاش بين هؤلاء العلماء لمدة 25 عامًا حتى ظهور الفيزيائي فريسنل الذي استطاع قياس سرعة وتشتت أشعة الضوء في الهواء والماء.
لقد أثبت صحة نظرية هيغنز القائلة بأن الضوء موجات وليس مادة ، وبالتالي سقطت نظرية نيوتن.
لكن العالم أينشتاين لاحظ أنه عندما يتم إلقاء أشعة الضوء أو توجيهها على الأسطح المعدنية ، تنتشر الإلكترونيات الضوئية بشكل عشوائي ومتباعد على سطح المعدن ، وهذا الأمر يعتبر غير طبيعي بالنسبة لهم ، خاصة إذا كان الضوء عبارة عن موجة.
كما لاحظ أن الإلكترونيات الضوئية تظل ثابتة ولا تتغير سواء كان شعاع الضوء قويًا أم ضعيفًا ، وإذا كانت أشعة الضوء عبارة عن موجات ، فإن الضوء القوي سيشتت بشدة هذه الإلكترونيات الضوئية.
لذلك افترض أينشتاين أن أشعة الضوء هي أشعة ضوئية بدرجة عالية من الدقة ، وهذه الأشعة تنتقل وتنتشر على شكل موجات.

كيفية قياس سرعة الضوء

حاول العديد من الفيزيائيين التوصل إلى عدة طرق مختلفة تسمح لهم بقياس وحساب سرعة الضوء ، لأن قانون السرعة هو أول ما جاء إليهم. وينص هذا القانون على أن سرعة الضوء تساوي المسافة من الضوء مقسومًا على الوقت.
لكن الأمر مختلف تمامًا ، لأن سرعة الضوء كبيرة جدًا ولا يمكن قياسها بسهولة ، حيث حاول العديد من العلماء إجراء العديد من التجارب للوصول إلى نتائج دقيقة لقياس سرعة الضوء ، لكنهم لم يتمكنوا من القيام بذلك.
بعد ذلك ، تم استخدام الساعات الذرية والليزر لقياس سرعة الضوء ، حيث تم تحقيق نتائج دقيقة للغاية ، أكثر من ذي قبل.
بعد مرور عام 1970 ، استطاع العديد من العلماء قياس سرعة الضوء ، ووصل هؤلاء العلماء إلى قيمة دقيقة جدًا ، وأعطيت سرعة الضوء قيمة ثابتة لا تتغير ، وهي 792457.4 مترًا في الثانية.
كما أن سرعة الضوء ثابتة تمامًا في الفراغ ولا يمكن أن تتغير ، لأن سرعة الضوء من أعلى السرعات على الإطلاق.

مصادر الاضاءة

هناك مصادر عديدة للضوء ، منها ما هو طبيعي وما هو اصطناعي.

1- مصادر الضوء الطبيعي

تعد الشمس والنجوم من أهم المصادر الطبيعية للضوء على سطح الأرض ، حيث تنتج كل من الشمس والنجوم أشعة ضوئية بسبب ارتفاع درجة حرارتها.
كما أن القمر من المصادر الطبيعية للضوء لأن القمر من الأشياء التي تعكس أشعة الضوء ، حيث أن القمر يبدو للمشاهد أنه مصدر الضوء ، ولكن الحقيقة عكس ذلك تمامًا لأن القمر يضيء. بأشعة الشمس المنبعثة من الشمس.
من أهم مصادر الضوء الطبيعي أيضًا التلألؤ الحيوي لبعض الكائنات الحية ، وخاصة البحرية ، مثل قنديل البحر واليراعات ، التي تشع الضوء المرئي لجذب الكائنات الحية الأخرى.

2- مصادر الضوء الصناعي

تتعدد مصادر الضوء الصناعي والكهربائي ومن أهم هذه المصادر.

مصابح زيتية

يعود استخدام هذه المصابيح إلى القرن الثامن عشر الميلادي ، حيث تتكون هذه المصابيح من مصدر أساسي للوقود بالإضافة إلى حاوية معدنية للتحكم في احتراق الوقود وأيضًا التحكم في قوة الضوء وشدته.
ثم بعد ذلك تم تطوير هذه المصابيح وأضيفت إليها مداخن مصنوعة من الزجاج لمنع اللهب من الخروج وحمايته من الهواء المحيط.

مصابيح الوقود

تعتبر مصابيح الوقود من أهم مصادر الإضاءة الصناعية حيث تم استخدامها منذ القدم ، وكان الوقود المستخدم في ذلك الوقت هو الشمع وزيت الزيتون وزيت السمك وزيت جوز الهند.
ولكن بحلول عام 1859 ظهرت مصابيح الكيروسين ومصابيح الغاز والفحم ، مع بداية عملية استخراج الفحم.

مصابيح الغاز

يعد العالم الألماني فريدريك أول من اخترع مصابيح الغاز ، حيث حصل هذا العالم على براءة اختراع في عام 1804 عن استخدام غاز الفحم للإضاءة.
انتشر استخدام مصابيح الغاز على نطاق واسع في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا ، ولكن تم استبدال هذه المصابيح والإضاءة الكهربائية في أوائل القرن التاسع عشر.

المصابيح الكهربائية

اخترع الفيزيائي توماس إديسون إضاءة المصباح الكهربائي باستخدام تيار كهربائي منخفض وبضعة خيوط صغيرة من الكربون بالإضافة إلى مساحة لإظهار الضوء.
نجح هذا العالم في اختراع المصابيح الكهربائية التي استُخدمت لفترات طويلة من الزمن.

مصابيح فلورسنت

اخترع Hans و Meyer و Germ مصابيح الفلورسنت ، حيث تتميز هذه المصابيح بأنها مغلفة من الداخل لزيادة كفاءتها.
أيضًا ، تم استخدام البريليوم لتغليف هذه المصابيح ، وتم استبدال البريليوم لاحقًا بمواد كيميائية أخرى أكثر أمانًا وفعالية من البريليوم.

مصابيح الهالوجين

تعتبر مصابيح الهالوجين من الأنواع المتقدمة والمحسنة للمصابيح المتوهجة ، وقد اخترع هذا النوع من المصابيح المهندس موبي الذي حصل على براءة اختراع أمريكية لمصباح الهالوجين.
عندما يمكن استخدام مصباح التنغستن كحامل مصباح لمصباح كهربائي ، بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير العديد من الطرق لتصنيع هذه المصابيح وتطويرها.

أنواع الضوء

هناك نوعان من أشعة الضوء:

1- ضوء مرئي

إنه نوع من أشعة الضوء الكهرومغناطيسية ، بالإضافة إلى هذا النوع من الضوء له تردد ، ويمكن للإنسان رؤية هذا الضوء.
يتراوح الطول الموجي لهذا الضوء من 400 إلى 700 نانومتر ، حيث يشمل هذا الضوء الموجات الطويلة ، وهي الأمواج الحمراء ، بينما تمثل الأشعة البنفسجية الموجات القصيرة.

2- الضوء غير المرئي

هذا الضوء عبارة عن طيف واسع وكبير من أشعة الضوء الكهرومغناطيسية ، وينقسم هذا الضوء إلى قسمين:

الموجات الطويلة تشمل هذه الموجات موجات الراديو والميكروويف والأشعة تحت الحمراء.
الموجات القصيرة تشمل هذه الموجات الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ، حيث لا تستطيع العين البشرية رؤية هذا الضوء ، لكن بعض الحيوانات يمكنها رؤية الأشعة فوق البنفسجية ، مثل النحل.