الضوء (الجمع: أضواء) هوإشعاع كهرومغناطيسي مرئي للعين البشرية، ومسؤول عن حاسة الإبصار. يتراوح الطول الموجي للضوء ما بين 400 نانومتر (nm) أو400×10⁻⁹ م، إلى 700 نانومتر - بين الأشعة تحت الحمراء (الموجات الأطول)، والأشعة فوق البنفسجية (الموجات الأقصر). ولا تمثل هذه الأرقام الحدود المطلقة لرؤية الإنسان، ولكن يمثل النطاق التقريبي الذي يستطيع حتى يراه معظم الناس بشكل جيد في معظم الظروف. تقدر أطوال الموجات للمصادر المتنوعة للضوء المرئي ما بين النطاق الضيق (420 إلى 680) إلى النطاق الأوسع ( 380 إلى 800) نانومتر. يستطيع الأنسان تحت الظروف المثالية حتى يرى الأشعة تحت الحمراء على الأقل التي يصل طولها الموجي 1050 نانومتر، والأطفال والشباب يستطيعون رؤية ما فوق البنفسجية ما بين حوالي 310 إلى 313 نانومتر.

الخصائص الأساسية للضوء المرئي هي الشدة، اتجاه الانتشار، التردد أوالطول الموجي والطيف، والاستقطاب، بينما سرعته في الفراغ، تقدر بـ (299,792,458 م/ث) وهي احدى الثوابت الأساسية في الطبيعة.

من القواسم المشهجرة بين جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR)، حتى الضوء المرئي ينبعث ويمتص في هيئة "حزم" صغيرة تدعى الفوتونات يمكن دراستها كجسيمات أوالموجات. وتسمى هذه الخاصية بازدواجية موجة الجسيمات. تعهد دراسة الضوء باسم البصريات، وهي مجال بحثي مهم في الفيزياء الحديثة.

تُطلق حدثة ضوء في الفيزياء أحيانًا على الإشعاع الكهرومغناطيسي لأي طول موجي، سواء كان مرئي أم لا. وتَرتكز هذه الموضوعة على الضوء المرئي. أما كمصطلح عام فراجع منطقة الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تاريخ

توصل الإغريق القدماء إلى بعض النظريات في مجال الضوء، وفتحت آفاق دراسة، لكنها كانت في الأغلب نظرية، ولم تتح الفرصة للبحث العملي لهذا الجانب الحيوي إلا على يد عدد من الفهماء المسلمين في القرون الوسطى، ويأتي في مقدمتهم الحسن بن الهيثم.

وكانت أبرز إسهامات الحسن بن الهيثم (354- 430هـ، 965-1039م) في كتاب المناظر الاهتداء إلى طبيعة الضوء ووظائفه وحالة القمر وقوس قزح والمرايا ذات البتر المتكافئ، والمرايا الكروية والكسوف والخسوف والظلال. فانتفع بفهمه بالبصريات وإنتاجه الغزير جميع من روجر بيكون، وفيتلوالبولندي، وليوناردودافينشي، ويوهان كبلر. وقد ترجم كتابه المناظر أكثر من خمس مرات إلى اللاتينية، وفيه يؤكد على حتى الضوء مستقل عن اللون، وحلل لأول مرة عملية الإبصار، وأشعة الضوء التي مضى من سبقوه إلى أنها تنبعث من العين إلى الأجسام فنراها، في حين نطق ابن الهيثم:

وأهتم ابن الهيثم بالعدسات ونطق إذا تكبير العدسة يتوقف على مقدار تحدُّبها، كما تفهم الانكسار والانعكاس.

لم يظهر عالم في الضوء يعتد به بعد ابن الهيثم إلا في القرن 17 أي بعد نحوسبعة قرون. ففي سنة 1666م اكتشف العالم الإنجليزي السير إسحق نيوتن حتى الضوء الأبيض مؤلف من جميع الألوان، ووجد باستخدام المنشور حتى جميع لون في الشعاع الأبيض يمكن حتى يفصل. ووضع نيوتن نظرية تقول إذا الضوء يتألف من أجسام صغيرة تنتقل في خطوط مستقيمة خلال الفراغ، وسمّى النظرية نظرية الجسيمات الضوئية^{[محل شك]}. وفي نفس الوقت الذي وضع فيه نيوتن نظريته للضوء، نطق الفيزيائي والفلكي الهولندي كريستيان هويجنز إذا الضوء يتألف من موجات. وقدم نظريته الموجية لشرح طبيعة الضوء. وتبدوالنظريتان نظرية الجسيمات الضوئية والنظرية الموجية متضادتين تمامًا، وقد دارت مجادلات بين الفهماء حولهما لحوالي 100 سنة. وفي بداية القرن 19 شرح الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ تداخل الضوء وأوضح حتى الشعاعين من الضوء يلغي أحدهما الآخر تحت شروط محددة. وتتصرف موجات المياه بنفس الطريقة لكن بسبب صعوبة فهم كيفية حدوث التداخل بين الجسيمات قبل معظم الفهماء تجربة يونغ كبرهان على النظرية الموجية للضوء.

طبيعة الضوء

كان الفهماء خلال القرن 19 يظنون حتى الضوء موجة تنتقل كما تنتقل الموجة المائية. وقد راجت النظرية الموجية للضوء لأنها مكّنت الفهماء من تفسير ظاهرة نمط التداخل، وهي خطوط ساطعة وأخرى مظلمة حصل عليها الفهماء من التجارب الضوئية. وإذا كان الضوء موجة فماهي هذه الموجات،يا ترى؟ موجات الماء سهلة التفسير لأنها تسير خلال سطح الماء بينما الماء نفسه يتحرك إلى أعلى وأسفل. وبالنسبة لفهماء القرن 19 كان الضوء يظهر مختلفًا عن موجات الماء بسبب انتنطقه في الفضاء من الشمس والنجوم الأخرى إلى الأرض، فافترضوا حتى موجات الضوء يجب حتى تنتقل خلال مادة تمامًا كما هوالحال بالنسبة لموجات المياه التي تنتقل خلال الماء. وأطلق الفهماء على هذه المادة اسم الأثير، بالرغم من أنهم لم يتوصلوا إلى مايبرهن على وجود هذه المادة. واستطاع الفهماء بنهاية القرن 19 التوصل إلى حتى موجات الضوء تتألف من مناطق تعهد بالمجالات الكهربائية والحقول أوالمجالات المغنطيسية.

يبدأ النموذج البسيط لموجة الضوء بشعاع (خط مستقيم) يوضح اتجاه انتنطق الضوء. وتمثل الأسهم القصيرة التي على طول الشعاع، والمتعامدة (زاوية قائمة) عليه، المجال الكهربائي. وتشير بعض الأسهم إلى الأعلى من الشعاع والأسهم الأخرى تشير إلى الأسفل منه. وهي تختلف في الطول، لذلك فإن النمط الكلي لرؤوس الأسهم يُشْبه الموجة والأسهم التي تمثل الحقل المغنطيسي هي أيضًا تشبه الموجة ولكن هذه الأسهم تصنع زاوية قائمة مع الأسهم التي تمثل الحقل الكهربائي. وهذا النمط يتحرك خلال الشعاع وهوالضوء. أثبتت التجارب في بداية القرن 20 حتى الفهماء في النهاية هجروا فكرة الأثير. وأدركوا حتى موجة الضوء، بوصفها نمطًا منتظمًا من الحقول الكهربائية والمغنطيسية، يمكن حتى تنتقل عبر الفضاء.

وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :

• الطول الموجي (λ) : المسافة لخط مستقيم من قمة الموجة إلى القمة التي بعدها.
• التردد (f): عدد المرات التي تمر خلالها القمة من نقطة ثابتة في الثانية.
• السعة (a): هي أقصى مسافة للقمة أوالقاع (النقطة السفلى من الشعاع).
• الفترة (T): هوالوقت اللازم لمرور قمتين أوقاعين خلال نقطة ثابتة في الفراغ.
• سرعة الانتشار: المسافة التي تبترها الموجة في زمن قدره ثانية واحدة أثناء انتشارها.

ولحساب سرعة انتشار الضوء (c) في الفراغ:

${\displaystyle c=\lambda \cdot {f$

أو

${\displaystyle c={\frac {\lambda {T$

الفوتون

اقترح العالم الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين في سنة 1905 نموذجًا للضوء، وهومفيد تمامًا مثل النموذج الموجي. يتصرف الضوء في بعض التجارب كما لوأنه جسيمات، وتسمّي هذا النوع من الجسيمات الآن الفوتونات. وفي نموذج أينشتاين فإن شعاع الضوء هوالمسار الذي يسلكه الفوتون. فمثلاً عندما يرسل المصباح شعاعًا من الضوء خلال غرفة مظلمة فإن شعاع الضوء يتألف من عدد كبير من الفوتونات، وكل واحد منها يسير في خط مستقيم. فهل الضوء موجات أوجسيمات،يا ترى؟ فيما يبدو، لا يمكن حتىقد يكون النموذجان معًا، لأن النموذجين مختلفان تمامًا. وأفضل إجابة حتى الضوء لا هذا ولا ذاك. ويتصرف الضوء في بعض التجارب كما لوأنه موجة، وفي بعضها الآخر كما لوأنه جسيمات. وللضوء في الفراغ سرعة واحدة، بعكس الأنواع الأخرى من الموجات، وهي أقصى سرعة ممكنة لأي شيء. ولا يفهم الفهماء كنه هذه الحقيقة. والحقيقة التي تنص على حتى الضوء في الفراغ يملك سرعة واحدة وهي واحدة من أسس النظرية النسبية لأينشتاين.

عندما يدخل الضوء مادة ما يصطدم بالذرات التي تعطل سيره، إلا أنه يسير بسرعته المعتادة بين ذرة وأخرى.

الطيف المرئي والكهرومغناطيسي

يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرومغناطيسية بإنه ذلك الطيف الذي يمكن حتى يؤثر في العين فتحس بالرؤية، ويبدأ طيف الضوء المرئي عند اللون البنفسجي وينتهي عند اللون الأحمر. ونظرًا لأن حساسية العين تختلف باختلاف طول موجة الأشعة الضوئية المستقبلة فهي قادرة على التمييز بين الألوان المتنوعة. وتكون حساسية العين أكبر ما يمكن عند الطول الموجي الذي يقع بين الأخضر والأصفر. وتقاس أطوال الموجات الضوئية بوحدات صغيرة جدا مثل الميكرومتر والنانومتر والانجستروم.

يمكن ملاحظة اختلاف الطول الموجي بالعين ثم يترجم داخل العقل للون من الأحمر وهوذوأطول موجة حيث حتى طوله الموجي 700 نانومتر، والبنفسجي ذوأقصر طول موجي حيث حتى طوله الموجي حوالي 400 نانومتر، وبينهم ترد مختلف الألوان كالبرتنطقي، والآخضر، والأزرق.

الطول الموجي الطيف الكهرومغناطيسي خارج مجال رؤية العين يطلق علية الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. تستطيع بعض الحيوانات رؤية بعض الأطوال الموجية الطويلة مثل النحل.

إن تعرض الجلد للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة يمكن حتى يسبب حروق الشمس أوسرطان الجلد، ونقص التعرض يسبب نقص فيتامين د.

خواص الضوء

انكسار الضوء

الانكسار تغير اتجاه مسار الموجة عندما تنـتقل من وسط مادة إلى وسط مادة آخر. تنكسر الموجات (تنثني) عندما تنتقل بزاوية من وسط إلى آخر حيث تكون سرعة الضوء مختلفة. والواقع حتى القشة الموضوعة داخل كوب به ماء تبدومنكسرة عند سطح الماء. لأن سرعة الضوء في الماء أقل منها في الهواء. يتحدد مقدار انثناء شعاع ذي طول موجي معين، عند انتنطقه من وسط إلى آخر، بوساطة قانون الانكسار (قانون سنيل) بين الوسطين لذلك الطول الموجي. ويتم إيجاد قانون الانكسار عن طريق حساب المثلثات. وهودالة جيبية لزاويتي السقوط والانكسار:

${\displaystyle n_{1 \sin \theta _{1 =n_{2 \sin \theta _{2$

حيث حتى ${\displaystyle {\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_1}$n = 1 في الفراغ وn > 1 في المادة الشفافة.

تعتمد أغلب قوانين الانكسار على العلاقة بين زاوية الشعاع في الهواء وزاويته في وسط مثل الزجاج أوالكوارتز (المرو) أوالبلاستيك. كما حتى ألوان الضوء المتنوعة لا تنكسر بالدرجة نفسها، ذلك لأن لها أطوالاً موجية مختلفة وتردد ثابت. وبسبب هذه الخاصية الضوئية، تتحلل أشعة الضوء إلى ألوان الطيف السبعة. والمنشور يعمل على أساس هذا المبدأ. وتستخدم خاصية الانكسار في العدسات لمعالجة الضوء من أجل تغيير حجم ووضوح الصور. ومن الامثلة على ذلك العدسات المكبرة، النظارات، العدسات اللاصقة، المجاهر والتلسكوبات الأنكسارية.

التداخل

يعهد الضوء في معظم الحالات بأنه موجات لكل منها قمة وقاع. فعندما تمر موجتان ضوئيتان خلال نفس النقطة فإنهما تتداخلان في بعضهما لذلك فإنهما تجمعان أوتطرحان بعضهما من بعض. افترض أنه متى ما مرت قمة لموجة خلال النقطة فإنه تمر في الوقت نفسه قمة لموجة أخرى. وتجتمع القمتان مع بعضهما لتعطيا قمة كبرى. وتسمى هذه العملية التداخل البَنَّاء، وتعطي ضوءًا ساطعًا أكثر مما تعطيه أي موجة منفردة. وإذا افترضنا بدلاً من ذلك أنه متى ما وجدت قمة لموجة تمر خلال النقطة كان هناك قاع لموجة أخرى تمر خلاله، فإن القاع يفترض أن يقلل من ازدياد القمة ويهجر النقطة معتمة أومظلمة. وتسمى هذه العملية بالتداخل الهدام.

ووجود ظاهرة التداخل التي ينتج عنها سطوع أوتعتيم للضوء هي من أقوى الحجج التي تؤيد النظرية الموجية للضوء. وتنتج جميع أنواع الموجات أنماطاً من التداخل البَنَّاء والهدَّام عندما تمر خلال فتحتين صغيرتين متجاورتين.

وقد برهن العالم الإنجليزي توماس يونغ في بداية القرن 19 في تجربته الشهيرة على الطبيعة الموجية للضوء بإرسال شعاع ضوئي خلال فتحتين ضيقتين. ويصل الضوء الذي يخرج من الفتحتين إلى شاشة. فإذا كانت طبيعة الضوء غير موجية، فإنه يظهر على الشاشة كنقطتين ساطعتين ضيقتين، جميع واحدة منهما تخرج من فتحة، لكن الواقع أنه عندما يخرج الضوء من جميع فتحة، فإنه ينتشر مع الضوء الآخر، وتمتلئ الشاشة بخطوط مضيئة وأخرى معتمة تسمى الأهداب. تتكون أهداب لامعة عندما تصل الموجتان قمة مع قمة لتعطي تداخلاً بناء. وتتكون أهداب معتمة عندما تصل الموجتان قمة مع قاع لتعطي تداخلاً هدامًا.

الحيود والانتشار

أحد الخصائص الأكثر وضوحا للعين المجردة هوالضوء الذي ينتشر بخط مستقيم، ويسمى هذا النوع من الانتشار الحُيُودُ. فالحيود كما في التداخل ناتج من الحقيقة التي تنص على حتى الضوء يتصرف كموجة. وتنتشر موجة الضوء قليلاً عندما تسير خلال فتحة صغيرة، أوحول جسيم صغير، أويمر خلال حافة. وتنتشر كذلك موجات المياه، لكن الفتحات والأجسام التي تسبب الانتشار يجب حتى تكون أكبر من تلك التي في حالة الضوء. ويمكن حتىقد يكون حيود الضوء أمرًا مزعجًا. افترض أنك حاولت رؤية جسيم صغير جدًا بوساطة مجهر ذي كفاءة عالية. فحدثا زادت قدرة التكبير لرؤية الجسم عن قرب أكثر، فإنه تبدوعلى حافات الجسم غشاوة. وكل حافة مُغَشَّاة سببها حتى الضوء ينكسر عندما يمر خلال الحافة في طريقه إلى العين.

من ناحية أخرى يخدم الحيود دراسة ألوان شعاع الضوء إذا استخدمنا نبيطة تسمى محزز الحيود. ويحتوي المحزوز على آلاف الفتحات النحيفة التي تعطينا الضوء. يحيد جميع لون في الضوء بكمية مختلفة قليلاً، وانتشار الألوان بهذا الكبر يجعل بإمكاننا رؤية جميع لون. ويستخدم محزز الحيود في التلسكوبات التي تفصل الألوان في الضوء القادم من النجوم وهذا يمكِّن الفهماء من دراسة المواد التي تتألف منها النجوم.

الانعكاس والتشتت

عندما يصطدم الضوء على الجسم، تحتفظ مادة ذلك الجسم بالطاقة ثم تعيد انبعاثها في جميع الاتجاهات، وتسمى هذه الظاهرة بالانعكاس. ومع ذلك، فإن الأسطح الملساء بصريا بسبب التدخل الهدام فإنها تفقد معظم الاشعة، عدا أنها تنتشر في نفس الزاوية التي كان لها التأثير. ومن الأمثلة على هذا التأثير هي المرايا والأسطح المصقولة مثل الكروم، ومياه الانهار (لأن قاعها داكن).

الاستقطاب

يمكن ملاحظة ظاهرة الاستقطاب في بلورة شفافة توضع في شكل متوازي مع اخرى ويتم تدوير أحداها بزاوية 90°، فإن الضوء لا يمكن حتى يمر من خلالهما.

بالإمكان الحصول على الضوء المستقطب من خلال انعكاس الضوء. والضوء المنعكس جزئيا أوكليا مستقطب مع زاوية السقوط. وتسمى الزاوية التي تسبب الاستقطاب الكلي بزاوية بروستر أوزاوية الاستقطاب.

تحتوي الكثير من النظارات الشمسية ومرشحات الكاميرا على بلورات استقطاب للقضاء على الانعكاسات المزعجة.

الآثار الكيميائية

يمكن لطاقة الضوء تغيير أسطح المواد كيميائيًا بواسطة امتصاصها. عملى سبيل المثال يغيّر الضوء كيميائيًا جزيئات هاليد الفضة للفيلم الضوئي، ولذلك يمكن تسجيل الصورة عليه. ويمكن للضوء القوي حتى يُبَهِّتَ ألوان الأقمشة بتغير صبغتها كيميائيًا. وشبكية العين تتغير كيميائيًا بسبب الضوء، ولذلك فإن الشبكية تنتج إشارات بالنسبة للبصر. والضوء عامل ضروري للهجريب الضوئي في النبات الذي يمثل العملية اللازمة لإنتاج الغذاء بتفاعل الضوء مع الماء وثنائي أكسيد الكربون. وكذلك تخليق فيتامين د بتفاعل الأشعة الفوق بنفسجية مع مركب 7-ديهيدروكوليستيرول تحت الجلد.

الظاهرة الكهروضوئية

تحدث الظاهرة الكهروضوئية أوالمفعول الكهروضوئي عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير إلكترونات من سطح المعدن. ذلك لأن جزءا من طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بذرات المعدن فيتحرر منه ويكتسب طاقة حركة وهذه العملية تعتمد على تردد موجة الضوء.

بقيت النظرية الموجية للضوء سائدة زمن طويل حتى نهاية القرن 19 إلى حتى إكتـُشفت الظاهرة الكهروضوئية فعملت على قلب المفاهيم لطبيعة الضوء. تتلخص الظاهرة الكهروضوئية فيمايلي : يسلط إشعاع ضوئي على معدن موضوع في ناقوس مفرغ من الهواء وفي وجود حقل كهربائي مطبق بين قطبين مربوطين بمقياس التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود أي إشعاع يشير مؤشر الجهاز إلى الصفر. وعند تسليط الإشعاع يلاحظ تحرك مؤشر الجهاز دلالة على وجود تيار كهربائي، أي حتى عددا من الإلكترونات انتـُزعت من المعدن وانتقلت تحت تأثير الحقل الكهربائي إلى القطب الموجب. إلى هنا لا شيء يتناقض مع النظرية الموجية، حيث يمكن الافتراض ان طاقة الموجة(والمتناسبة مع مربع سعة الموجة) انتقلت إلى إلكترونات المعدن. لكن التجربة أثبتت حتى طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدة الإشعاع ولكن على تواتره : تستجيب الإلكترونات في الذرة لتردد شعاع الضوء بصفة خاصة، وزيادة شدة الإشعاع يُزيد فقط عددالإلكترونات.

العلاقة بين طاقة الإلكترونات E وتواتر الإشعاع f خطية:

${\displaystyle V-hf=E$

حيث V هوجهد التأين للمعدن ويسمى كذلك جهد الخروج, h هوثابت بلانك وهوالعدد المميز لميكانيكا الكم وهويعطي العلاقة بين تردد الموجة وطاقة الموجة. وجهد التأين خاصية من خواص المادة ويعتمد على التوزيع الإلكتروني لذرة العنصر، ومقداره يختلف من عنصر إلى عنصر.

أول من قدم تفسير هذا المفعول كان ألبرت آينشتين فحسب هذا الأخير فإن الضوء يصدر في شكل كمات منفصلة من الطاقة تسمى فوتونات جميع فوتون يحمل معه مقدارا من الطاقة يساوي جداءالتواتر بثابت بلانك.

ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن أينشتين حصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس عن النظرية النسبية

المصادر الضوئية

يوجد الكثير من المصادر الضوئية. وأكثرها شيوعا هي الحرارية: وهي الجسم الذي يصدر درجة حرارة معينة وتبعث نفس خصائص طيف إشعاع الجسم الأسود. ومن الامثلة البسيطة للمصدر الحراري هي أشعة الشمس المنبعثة من جوالشمس عند تقريبا 6,000 كلفن القمة في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي في مخطط وحدة الطول الموجي، وتقريبا 44% من طاقة الشمس التي تصل إلى الأرض مرئية. ومن الأمثلة الأخرى المصابيح المتوهجة، التي تنبعث منها فقط حوالي 10% من طاقتها على شكل ضوء مرئي والباقيقد يكون أشعة تحت الحمراء. ومن مصادر الضوء الحرارية الشائعة في التاريخ هي الاجسام الصلبة المتوهجة بسبب اللهب، ولكن هذه أيضا تبعث معظم إشعاعتها تحت الحمراء وجزء صغير فقط كطيف مرئي. تكون ذروة طيف الجسم الأسود في اتجاه الأشعة تحت الحمراء العميقة عند الطول الموجيعشرة ميكرومتر، وتكون للأجسام الباردة نسبيا مثل البشر. وحدثا ازدادت درجة حرارة الجسم، تنزاح الذروة إلى أطوال موجية أقصر، مولدة أولا توهجًا أحمرًا، ثم توهجًا أبيضًا، وأخيرًا توهجًا أزرقًا حين تنزاح الذروة خارجة من الجزء المرئي من الطيف تجاه مجال الأشعة الفوق بنفسجية. يمكن رؤية هذه الألوان عند تسخين المعدن إلى درجات حرارة عالية فنرى اللون الأحمر ثم اللون الأبيض. أما الانبعاثات الحرارية الزرقاء فلا يمكن رؤيتها غالبًا، بإستثناء النجوم واللون الأزرق الذي نراه في لهب الغاز أومشعل اللحام هوفي الواقع نتيجة لانبعاثات جزيئية، وخصوصًا من جذور CH الحرة (تصدر حزمة موجية طولها حوالي 425 نانومتر، ولا ترى في النجوم أوالإشعاع الحراري النقي).

تصدر الذرات الضوء وتمتصه عند طاقات مميزة. مما يولد خيوط الإصدار الذري في طيف جميع ذرة. يمكن للإصدار حتىقد يكون تلقائيا، كما في حالة مصباح ثنائي باعث للضوء (LED)، ومصباح التفريغ الغازي (مثل مصابيح النيون، ولافتات النيون، ومصابيح بخار الزئبق، وغيرها)، واللهب (ضوء صادر عن الغاز الساخن نفسه، على سبيل المثال، يـُصدر الصوديوم ضوءا أصفرا عند وضعه في لهب الغاز). ويمكن أيضا حتىقد يكون الإصدار محفزًا، كما هوالحال في الليزر أوفي الموجات الدقيقة للمايزر.

تباطؤ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترون، يمكن حتى يُولد إشعاعًا مرئيًا: إشعاع سيكلوتروني، وإشعاع سنكتروني، وأشعة انكباح. الجسيمات الأولية المتحركة بسرعة أكبر من سرعة الضوء ضمن وسط ما يمكن حتى تولد إشعاع شيرنكوف.

تُولد بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا بعملية الضيائية الكيميائية. وكذلك في الأجسام الحية، تسمى هذه العملية بالضيائية الحيوية. فمثلا تقوم اليراعة بتوليد الضوء بهذه الطريقة، ويمكن للمراكب المبحرة في الماء حتى تميز البلانكتون الذي يولد توهجًا ضعيفًا. تقوم بعض المواد بتوليد الضوء عندما تضاء بإشعاع ذي طاقة تناسب توزيعها الإلكتروني. تعهد هذه الظاهرة بالفلورية. وتستخدم في المصابيح الفلورية. تصدر بعض المواد الضوء بعد فترة قصيرة من تحفيزها بإشعاع طاقي، وتعهد هذه الظاهرة باسم الفسفورية .

يمكن تحفيز المواد الفسفورية بتسليط جسيمات دون الذرية عليها. والتألق المهبطي (بالإنجليزية: Cathodoluminescence)‏ هوأحد الأمثلة على ذلك. هذه الآلية تستخدم في الرائي ذوأنبوب الأشعة المهبطية.

ويوجد آليات أخرى لإنتاج الضوء:

• ضيائية حيوية
• ضيائية صوتية
• ضيائية كهربائية
• ضيائية احتكاكية
• وميض
• إشعاع شيرينكوف

عندما يمتد مفهوم الضوء ليضم الفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا (أشعة غاما)، فإن آليات توليد الضوء تضم أيضًا:

• النشاط الإشعاعي
• فناء الجسيم – الجسيم المضاد.

ميزت هيئة الإضاءة الدولية بين المنبع الضوئي والمضياء. المنبع الضوئي هومصدر فيزيائي للضوء، مثل الشمس والمصابيح، بينما يشير مصطلح مضياء إلى توزيع قدرة طيفية خاص. وبالتالي يمكن توصيف المضياء مسبقًا، ولكن قد لا يمكننا تصنيعه عمليًا.

قياس الضوء

يقيس الفهماء الطول الموجي للضوء بمقاييس متنوعة من الوحدات المترية والإمبراطورية. وإحدى هذه الوحدات المترية المعروفة هي الميكرومتر الذي يساوي 0.000001 متر (عشرة ⁻⁶ م).

والطول الموجي للضوء في الطيف المرئي محصور في المنطقة من حوالي 0.4 ميكرومتر للبنفسجي الغامق إلى حوالي 0.7 ميكرومتر للأحمر القاني. والتردد لأي موجة يساوي النسبة بين سرعة الموجة إلى الطول الموجي، ويقاس بوحدات تسمَّى الهرتز. فالموجة لها تردد يساوي هرتزًا واحدًا إذا كانت قمة واحدة تمر خلال نقطة محددة في جميع ثانية. والموجة لها تردد يساوي 100 هرتز إذا كانت 100 قمة تمر خلال نقطة محددة للقياس في جميع ثانية. يسير الضوء في الفراغ بسرعة 300 مليون متر لكل ثانية تقريبًا. ولأن الضوء المرئي له طول موجي قصير وسرعة عالية فله تردد عال. فتردد الضوء البنفسجي مثلاً، يساوي 750 مليون مليون هرتز.

سرعة الضوء

بالرغم من حتى الضوء يبدوكأنه ينتقل خلال الغرفة في لحظة حمل ستارة النافذة، فإنه في الحقيقة يستغرق بعض الوقت للانتنطق لأي مسافة. وسرعة الضوء خلال الفراغ ـ حيث لا تعطّل الذرات انتنطقه ـ هي 299,792,458 م/ث (تقريباً 186,282 ميل/ث). وجميع أشكال الاشعة الكهرومغناطيسي تتحرك بنفس السرعة في الفراغ.

كان الفلكيون منذ القدم يعتقدون حتى الضوء ينتقل بسرعة لانهائية كما كان يُعتقد حتى أي وقع يحدث في أي مكان في الكون يلاحظ في جميع النقاط الأخرى في الكون في الوقت ذاته. ولكن عالم الطبيعة الإيطالي جاليليوصمم في أوائل القرن 17 تجربته لقياس سرعة الضوء ليحسم الأمر. أوفد جاليليوأحد المساعدين إلى هضبة بعيدة مع التعليمات له بفتح غطاء فانوس يحمله عندما يشاهد جاليليوالموجود على هضبة أخرى يفتح غطاء فانوسه، وكان هدف جاليليوأنه بمعهدته للمسافة بين الهضبتين يستطيع حساب سرعة الضوء بواسطة قياسه للزمن بين لحظة فتحه للغطاء ولحظة رؤيته لضوء الفانوس الثاني، وفشلت التجربة على الرغم من حتى تفكير جاليليوكان معقولاً. ولأن سرعة الضوء عالية جدًا لذلك لم يستطع حساب الزمن القصير.

أتى الفلكي الدنماركي أوول رومر في حوالي 1675 بشواهد برهنت على حتى الضوء ينتقل بسرعة ثابتة (محدودة). حيث رصد خلال عمله في باريس أحد أقمار المشتري الذي يسمى آيوباستخدام المقراب، وقد لاحظ تناقض في فترة ظهور مدار (آيو)، وتمكن من حساب حتى الضوء يلزمه 22 دقيقة لاجتياز قطر مدار الأرض. وأشارت ملاحظات رومير إلى حتى سرعة الضوء الثابتة هي 226,000 كم/ثانية، ويمثل هذا الرقم 75% من السرعة العملية.

أجريت في أوروبا تجربة أخرى أكثر دقة لقياس سرعة الضوء على يد هيبوليت فيزوفي عام 1849. حيث وجه فيزوحزمة من الضوء إلى مرآة تبعد عدة كيلومترات. بوضع ترس دوار في مسار اشعة الضوء من المصدر إلى المرآة وبالعكس، وقد عثر فيزوعند معدل دوران محدد بأن الضوء سيعبر خلال إحدى فجوات الترس في طريقه إلى المرآة وسيعبر في الفجوة القادمة على الترس في طريق العودة إلى المصدر. بفهم المسافة إلى المرآة، عدد أسنان الترس، ومعدل الدوران، تمكن فيزومن حساب سرعة للضوء تساوي 313,000,000 م/ث.

في عام 1862 أجرى ليون فوكوتجربة باستخدام مرايا دوارة لتحدد سرعة للضوء واتت النتيجة ما يقارب 298,000,000 م/ث.

في عام 1926 يردد الفيزيائي الأمريكي ألبرت ميكلسون طريقة فوكوباستخدام مرايا دوارة مطورة لقياس الزمن اللازم للضوء لاتمام رحلة ذهاب وعودة من ماونت ويلسون إلى ماونت سان انطونيوفي كاليفورنيا. أسفرت القياسات الدقيقة عن سرعة للضوء تساوي 299,796,000 م/ث. ونسبة الخطأ المحتمل في هذا الرقم أقل من أربعة كيلومترات لكل ثانية.

السرعة الفعالة للضوء في المواد الشفافة المتنوعة العادية تكون أقل مما هي عليه في الفراغ. على سبيل المثال سرعة الضوء في الماء هي حوالي 3/4 من سرعته في الفراغ، وفي الزجاج هي 2/3 من سرعته في الفراغ.

يوجد مثالا غير مسبوق على طبيعة تباطؤ الضوء في المادة، حيث أجرى فريقان مستقلان من فهماء الفيزياء على وضع الضوء في حالة "الشلل التام" عن طريق بتمريره بواسطة تكاثف بوز-أينشتاين لعنصر الروبيديوم، أحد الفريقين في جامعة هارفارد ومعهد رولاند للعلوم في كامبريدج، ماساتشوستس، والآخر في مركز هارفارد-سميثونيان للفيزياء الفلكية، أيضا في كامبريدج. وبذلك فإن الوصف العام ليصبح الضوء في حالة "توقف" في هذه التجارب تشير فقط إلى الضوء المخزن في حالة اثارة الذرات ثم إعادة اطلاقة في وقت لاحق، كتحفيز لنبضة ليزر ثانية. خلال وقت "التوقف" لم يعد ليكون ضوء.

سطوع الضوء

استخدم الفهماء وحدات مختلفة لقياس سطوع مصدر الضوء وكمية الطاقة في شعاع الضوء الآتي من ذلك المصدر. تُسمى كمية الضوء المنتجة بواسطة أي مصدر ضوئي شدة الاستضاءة لذلك المصدر، والوحدة المستخدمة لقياس شدة الاستضاءة تسمى الشمعة. وأُخذَت شدة الاستضاءة المنتجة بواسطة شمعة بحجم معيّن مصنوعة من زيت الحوت، لسنوات عديدة، وحدة قياس ثابتةً وسُميّت هذه الوحدة الشمعة، ومع ذلك لم توفر شمعة زيت الحوت استخدامًا بسيطًا وثابتًا لقياسات الضوء. وتعهد الشمعة الواحدة الآن بأنها كمية الضوء المنطلقة من مصدر يبعث عند تردّد محدّد (540×10¹² هرتز)، وعند شدة إشعاعية محددة (¹⁄₆₈₃ واط لكل وحدة مساحة تسمى ستراديان). ولا تشير شدة ضوء المصدر بالشموع إلى مدى سطوع الضوء عندما يصل إلى سطح جسم مثل كتاب أومنضدة. وقبل حتى نقيس كثافة التدفق الضوئي أوالدفق الضيائي (الضوء الساقط على السطح)، يجب علينا حتى نقيس مسافة انتنطق الضوء خلال الفراغ بين المصدر والجسم. ويمكننا قياس شعاع الضوء بوحدة تُسمّى لومن. ولفهم كيفية قياس اللومن، تصوّر حتى هناك مصدرًا ضوئيًا في وسط تجويف كروي. وفي السطح الداخلي للجسم الكروي مساحة تساوي مربع نصف قطر الجسم الكروي. فإذا كان نصف القطر مترًا واحدًا، على سبيل المثال، وكان مصدر الضوء له شدة إضاءة تساوي شمعة واحدة، فإن المساحة المقطوعة يفترض أن تحصل على فيض ضوئي (سرعة تدفق الضوء) يقدر بلومن واحد.

ويقيس المهندسون في النظام المتري كثافة التدفق الضوئي بوحدات تُسمّى لكس وينتج كثافة تدفق ضوئي مقدارها لكس واحد، لومنًا واحدًا من الضوء على مساحة متر مربع واحد. ويستخدم في النظام الإمبراطوري وحدات تُسمّى قدم ـ شمعة. وينتج كثافة تدفق ضوئي مقدارها قدم ـ شمعة واحدة بلومن واحد من الضوء يسقط على مسافة مقدارها قدم مربع واحد. تتغير شدة الضوء الساقط على مساحة ما عكسيًا مع مربع المسافة التي بين المصدر والسطح. ولهذا إذا زادت المسافة فإن كثافة التدفق الضوئي تقل بمقدار مربع تلك الزيادة، وتُسمّى هذه العلاقة بقانون التربيع العكسي. فإذا كان السطح يحصل على لكس واحد من الضوء على بعد مسافة مقدارها متر واحد من المصدر، ثم أزيح لمسافة مترين مربعين من المصدر، فإنّ هذا السطح يفترض أن يحصل على (½)² أو¼ لكس من الضوء. ويحدث هذا لأن الضوء ينتشر خارجًا من المصدر.

نظريات

لقد كان يٌعـتقد حتى نهاية القرن الثامن عشر بأن الضوء شبيه بالصوت ويحتاج إلى وسط مادي حتى ينتقل ويسمى هذا الوسط بالأثير الذي كان يعهده الفهماء بأنة مادة رقيقة جداً ذات كثافة متناهية في الصغر وذلك لتبرير إذا الأثير لا يمكن ملاحظته ولكن تجربة ميكلسون ومورلي أثبت إذا الأثير غير موجود.

ففي عام 1905م وضع اينشتاين فرضاً لحل هذه المشكلة والفرض يقول : (إذا كان هناك عدد من الراصدين يتحركون بسرعة منتظمة جميع منهم بالنسبة للآخر وأيضاً بالنسبة للمصدر الضوئي وإذا جميع من الراصدين يقيس سرعة الضوء الخارج من المصدر فأنهم جميعاً سيحصلون على نفس القيمة لسرعة الضوء).

هي نفس فكرة جاليلوعام 1600م وهذا الفرض هوأساس النظرية النسبية الخاصة والتي استغنت عن فكرة وجود الأثير. وأثبت حتى سرعة الضوء ثابتة في جميع المراجع.

نظرية الجسيمات الضوئية

اقترح العالم الذري بيير جاسندي (1592-1655)، نظرية الجسيمات في الضوء ونشرت بعد وفاته في الستينات. وقد تفهم إسحاق نيوتن وقت مبكر نظرية جاسندي، وفضلها على نظرية ديكارت في الأثير. وفي عام 1675 ذكر في فرضيته للضوء بأن الضوء مكون من كريات (جزيئات مادة) تنبعث من مصدر في جميع الاتجاهات. وكانت احدة حجج نيوتن ضد الطبيعة الموجية للضوء، حيث حتى الموجات معروفة بانحنائها حول العقبات، والضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فقط. بالرغم من انه شرح ظاهرة حيود الضوء (الذي كان قد لاحظها فرانشيسكوماريا جريمالدي) عن طريق السماح بالجسيمات الضوئية بأن تخلق موجة محلية من الأثير.

تصور نيوتن حتى الجسم المضيء تنبعث منه جسيمات دقيقة كروية تامة المرونة وتسير بسرعة منتظمة كبيرة جداً وتختلف من وسط إلى آخر حسب كثافته. وتكون حركة هذه الجسيمات الكروية في خطوط مستقيمة في الوسط المتجانس الواحد وقد استدل نيوتن على حتى الأشعة الضوئية عندما تصطدم بسطح عاكس فأن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس كاصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس مرتدة بحيث زاوية سقوطها تساوي زاوية انعكاسها.

أما في ظاهرة الانكسار فأنه قد فسره نيوتن عندما تخترق هذه الجسيمات الكروية الضوئية أوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أوالزجاج فإنها تنكسر داخل جميع وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها. فعند انتنطق الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل، ومعنى ذلك حتى المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر يفترض أن تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين.

وبذلك يفترض أن تزداد السرعة المحصلة، أي حتى سرعة الضوء في الوسط الكثيف يفترض أن تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي حتى سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط). وهذا غير سليم ويخالف التجارب الفهمية حيث حتى سرعة الضوء تكون أكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد حدثا قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.

النظرية الكهرومغنطيسية

وجد ماكسويل حتى الضوء هوموجة كهرومغناطيسية سرعتها تساوي سرعة الضوء. أي حتى الضوء موجات كهرومغناطيسية ذات طاقة، وقد أتضح حتى الشحنة الكهربائية تولد مجالاً كهربائياً حولها وهي ساكنة، وتولد مجالاً مغناطيسياً وهي متحركة. كذلك التغير في المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً، وهذا نص قانون أمبير. وأن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجالا كهربائيا وهذا نص قانون فاراداي. هذه الحقيقة هي أصل تكوين الموجات الكهرومغناطيسية حيث حتى شحنة كهربائية متذبذبة تولد في الفضاء مجالين كهربائي ومغناطيسي ،أي مجالاً (كهرومغناطيسي) متغير وهذا المجال يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء نفسها (3exp8 متر /ثانية) أي 300000 كيلومتر /ثانية.

C =1/ ((ε.μ) (1/2)) = ثلاثة exp8

أما شدة الضوء (I) أوشدة الموجة الكهرومغناطيسية فهي (الطاقة في وحدة الزمن لوحدة المساحة وعمودية على اتجاه انتشار الموجة) . I= ε. (Eexp2). c

حيث (E) شدة المجال الكهربائي أوالمغناطيسي (B).

يحدد المدى التقريبي للطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديوذات الطول الموجي الطويل إلى أشعة غاما ذات الطول الموجي القصير جداً والطاقة العالية. والضوء المرئي أي الذي يمكن للعين البشرية رصد موجاته يقع بين مدى من فوق البنفسجي إلى تحت الأحمر.ومن الجدير بالذكر أنة لا توجد حدود تفصل مناطق الطيف من بعضها البعض.

عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية على سطح ما وبصورة عمودية فأن الجسم يمتص تلك الأشعة وأن قوة تسمى قوة الأشعاع تظهر وتحسب من خلال العلاقة التالية :

F= P/ ©

حيث P هي الطاقة لكل وحدة زمن أي القدرة للموجة الكهرومغناطيسية الممتصة ويمكن الحصول على P من خلال العلاقة التالية:

P= (u) / c

حيث u هي الطاقة الكهرومغناطيسية.

نظرية النسبية العامة

من أبرز الفهماء الفيزيائيين الذين قاموا بتفسير سلوك الضوء حول العالم بلانك الذي تفهم الطاقة الأشعاعية المنبعثة من الأجسام الساخنة واستطاع حسابها بالقانون التالي:

E= h. f

حيث (E) هي الطاقة و(h) هوثابت يسمى ثابت بلانك ويساوي 6.635exp-34 J.s جول.ثانية. و(f) هوالتردد الضوء المنبعث.

وأن الضوء ينبعث على شكل كمات صغيرة سماها الفوتون واقترح اينشتاين على أساس فرض بلانك حتى الطاقة في الحزم الضوئية تنتشر في الفراغ بشكل حزم مركزة من الطاقة وهي الفوتونات ويكون انبعاثها على شكل كمات أي دفعات واقترح حتى الضوء المار خلال الفراغ لا يسلك سلوك الموجة إطلاقاَ بل سلوك جسيم الفوتون وبذلك تعارض اينشتاين في أول الأمر مع مبدأ النظرية الموجية للضوء التي حققت نتائج مخبريه عظيمة ولكن بعد مرور فترة زمنية أيد اينشتاين فكرة النظرية الموجية وعارض نفسه أي عارض مبدأ سلوك الجسيمات.

وفي عام 1924م وضع العالم الفرنسي دي بروجلي مبدأ هام جداً وهوالمبدأ السائد حتى الآن والذي نال على أثرة شهادة الدكتوراه في الفيزياء وينص على: (أن للضوء صفة مزدوجة فهويسلك سلوك الموجة تحت ظروف معينة - (وهذا يفسر الانعكاس والانكسار والاستقطاب والحيود والتداخل وهذا ما يتفق مع نظرية ماكسويل)- وأن الضوء يسلك سلوك الجسيم (الفوتون) تحت ظروف أخرى -(وهذا يفسر تفاعل الضوء مع المواد والظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كومبتون وغيرها وهذا ما يتفق مع نظريات اينشتاين ونيوتن).

وهذا يعني حتى للمادة صفة مزدوجة فإذا كان لدينا جسم كتلته (m) يتحرك بكمية حركة (p) فأن طول الموجة المصاحبة له تعطى من خلال القانون التالي :

λ = (h) / P

ومن وجه نظري فأن هذا القانون مهم جداً وهومحور النظرية الكمية لاحظ في القانون أن

P. λ= h

حيث حتى (p) تمثل الاعتبارات الجسيمية(P = m. v حيث v سرعة الجسيم) و(λ) طول الموجة وحاصل ضربهم هوثابت بلانك (h). ويعني بشكل أدق أنه يمكن القول بأن حزمة أي حزمة ضوئية لها تردد وطول موجي ويمكن اعتبارها موجة ويمكن القول حتى الحزمة الضوئية معضلة من الفوتونات أي لها طاقة حركة وكمية حركة.

النظرية الموجية الكمية

لدراسة انتنطق الطاقة كحركة موجية يحتاج عادة وسط حيث تتذبذب جزيئات الوسط. فالجسيم المتذبذب يؤثر بقوة على جارة فتجعله يتذبذب أيضاً وبهذه الطريقة فأن الحركة من جسيم إلى آخر وبالتالي يتم انتنطق الطاقة الموجية في المادة، وهي حالة مماثلة لما يحدث في الماء عندما تنقل الطاقة إلى الضفة دون حتى تنتقل جسيمات الماء نفسه أوانتنطق الصوت في الهواء. وفكرة الأثير ابتكرت كيقد يكون هذا الوسط هوالوسط الناقل للضوء بالطريقة السابقة. ولكن الضوء حسب النظرية الكهرومغناطيسية لا يحتاج إلى وسط فهويأتي من الشمس أي في الفراغ الذي لا وسط فيه وبسرعة الضوء المطلقة وبعد ذلك تبين من النظرية الكهرومغناطيسية حتى الموجة الكهرومغناطيسيةعبارة عن تغير مجالين متوافقين بنفس التردد، أحدهما كهربائي (E) ووالآخر مغناطيسي (B).

وقد عُرّفت جبهة الموجة على أساس ذلك بأنها المحل الهندسي لجميع النقاط ذات الطور الواحد.

اقرأ أيضاً

• الأشعة الضوئية
• خطوط طيف الهيدروجين
• مطيافية فلكية
• ضغط إشعاع
• شمس اصطناعية
• موجة كهرومغناطيسية
• طيف
• طيف امتصاص
• طيف انبعاث
• مجموعة خطوط بالمر
• مصابيح الإضاءة .
• مجموعة خطوط رايلي
• طاحونة ضوئية
• مطيافية
• مطيافية الأشعة تحت الحمراء
• مطياف الإلكترونات
• مطيافية الكتلة
• مرشح ضوئي
• منحنى تساوي الإضاءة
• مصباح اصطرابي

المراجع