بصريات

ابحث عن بَصَرِيَّات في ويكاموس.

Table of Opticks, 1728 Cyclopaedia

يصف عِلْم البَصَرياتِ أوفهم المَناظِرِ سلوك الطيف المرئي، تحت الأحمر، فوق البنفسجي، بشكل مجمل معظم الأمواج الكهرمغناطيسية والظواهر المشابهة مثل الأشعة السينية، الأمواج الميكروية، الأمواج الراديوية وغيرها من أنواع الأمواج والإشعاع الكهرطيسي. لذا يتم اعتبار البصريات أحياناً فرعاً من الكهرطيسية. تعتمد بعض الظواهر البصرية على ميكانيكا الكم لكن الغالبية العظمى من الظواهر البصرية يمكن شرحها وتفسيرها بناء على الوصف الكهرطيسي للضوء الذي تحدده بدقة قوانين ماكسويل.

بشكل كبير تعتبر البصريات حقل دراسي مستقل عن بقية فروع واختصاصات الفيزياء بحيث يملك كياناً مستقلاً وجمعيات فهمية خاصة ومؤتمرات خاصة، تدعى النواحي الفهمية البحتة من البصريات فيزياء بصرية اما النواحي التطبيقية فتدعى هندسة بصرية.

تاريخياً يعتبر العالم العربي ابن الهيثم 965-1039 م مؤسس فهم بصريات بكتابه الفريد المناظر، وهوالذي قام بتوصيف آلية الإبصار العين كجسم مستقبل للضوء فحسب، مخالفاً نظرية بطليموس الذي اقترح حتى العين تصدر الضوء أيضاً.

أهم تطبيقات فهم البصريات اليوم في المجال التكنولوجيا هي الألياف البصرية لنقل البيانات وأشعة الليزر.

البصريات هي الفهم الذي يتعامل مع الضوء في كيفيه تولده وانتشاره اما الضوء فهونوع من أنواع الطاقات المعروفة كالطاقة الحرارية والطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربية ولكن الطاقة الضوئية تظهر في صورة خاصه من صور الطاقة هي الصورة الاشعاعية والتي تؤثر في العين فتسبب الرؤية وتتحول هذه الطاقة الاشعاعية الضوئية إلى الأنواع المعروفة للطاقة تحقيقا لمبدأ بقاء الطاقة وكيفية رؤية العين لا كما كان يفسر قديما بأن الأشعة تخرج من العين فتسقط على الجسم فترى العين ويعهد الضوء المرئي بأنه الإشعاع الذي يؤثمر في العين فيسبب الرؤية وتعتمد درجة وضوح رؤية الجسم المرئي على الكم والنوع للطاقه المرتدة من الجسم والتي تستقبلها العين وكل نقطة على الجسم المرئي تعتبر مصدرا للإشعاع تستقبل منه العين جميع الأشعة الصادرة منه على شكل مخروطى قاعدته هي العين وقمته هي النقطة التي على الجسم المضئ. ينتشر الضوء في جميع الاتجاهات بسرعة فائقة جداً لدرجة انه لا يوجد في تجاربنا اليومية ما يدعونا للظن بأن سرعة الضوء ليست نهائية وتقل سرعة الضوء في الأوساط المادية فمثلا سرعة الضوء في الماء أكبر من سرعته في الماس. وتختلف مصادر الضوء عن بعضها في مقدار الذبذبات الصادرة منها وبذلك تختلف في مقدار الطاقة الاضعاعية الصادرة عنها وبالتالى تأثيرها على الرؤية أي أنها تختلف في طول الموجة والتردد ويتضح من هذا علاقه الألوان المكونة للضوء جميع واحد منها له طول موجى وتردد خاصين بها ويختلفان عن باقى الألوان. أوضح ماكسويل حتى الضوء هوأحد الأجزاء المكونة للطيف الكهرومغناطيسي .

تاريخ

عدسة النمرود

بدأت البصريات مع تطور العدسات من قبل قدماء المصريين وبلاد ما بين النهرين. وكانت أولى العدسات مصنوعه من الكريستال المصقول، وغالبا الكوارتز،كما تم في وقت مبكر من التاريخ (700 ق.م) عمل عدسات مثل عدسة النمرود في بلاد آشور قديماً، كما كان الرومان القدماء والإغريق يصنعون عدسات بدائية عن طريق ملئ الزجاجات بالماء. تلت هذه التطورات، تطوير نظريات الضوء والرؤية من الفلسفة اليونانية والهندية، ثم تطورت البصريات الهندسية عند اليونان والرومان

نظرية إبن سهل

خلال العصور الوسطى، كانت الأفكار اليونانية حول مأخوذه من العالم الإسلامي. وكان أول المسلمين هويعقوب بن إسحاق الكندي والذي خط في موضوع الأفكار الأرسطية والبصريات الإقليدية، والعالم المسلم الفارسي إبن سهل خط أطروحة حول المرايا والعدسات وضع واكتشف ابن سهل أول قانون انكسار، وقد استخدم القانون لاستخلاص أشكال العدسات التي هجرز الضوء من غير انحراف.

وفي أوائل القرن الحادي عشر خط ابن الهيثم خط في البصريات كتاب المناظر والذي درس في الانعكاس والانكسار، واقترح نظاماً جديداً لشرح الرؤية والضوء اعتماداً على الملاحظة والتجربة، ورفض نظرية الانبعاث، ووضع بدلاً من ذلك فكرة حتى الضوء المنعكس في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة من جميع نقاط الجسم تظهر ويتم مشاهدتها ومن ثم تدخل العين، على الرغم من انه لم يتمكن من شرح آلية سليمة لكيفية التقاط العين للأشعة. تم تجاهل إلى حد كبير عمل ابن الهيثم في العالم العربي ولكن تم ترجمتها بشكل مجهول إلى اللاتينية حوالي 1200 م وتلخيص المزيد ووسعت من قبل الراهب البولندي Witelo

غلاف أول نسخه من بصريات نيوتن

في منتصف القرن السابع عشر خط الفيلسوف رينيه ديكارت بعض النظريات البصريه، والتي أوضحت مجموعة متنوعة من الظواهر البصرية بما في ذلك الانعكاس والانكسار وهذا يختلف تماماً عن نظرية الانبعاث اليونانية القديمة. وفي (أواخر 1660s وأوائل 1670s) وسع نيوتن أفكار ديكارت في نظرية جسيمية الضوء الشهيرة والتي تظهر حتى الضوء الأبيض مزيج مركب من الألوان المتنوعة والتي يمكن فصلها بالمنشور.

البصريات الكلاسيكية

تنقسم البصريات الكلاسيكية إلى فرعين رئيسيين: البصريات الهندسية والبصريات الفيزيائية.

البصريات الهندسية

انعكاس وانكسار أشعة الضوء

البصريات الهندسية، أوأشعة البصريات، ويصف انتشار الضوء من حيث "الأشعة" التي تتجه في خطوط مستقيمة، ومسارات تخضع لقوانين الانعكاس والانكسار تم اكتشاف هذه القوانين تجريبيا بقدر ما يعود إلى 984 م، واستخدمت من ذلك الحين وحتى اليوم في تصميم أدوات ومكونات بصرية. ويمكن تلخيصها على النحوالتالي: عندما يصطدم شعاع من الضوء بين مادتين شفافتين، ينقسم إلى انعكاس وشعاع منكسر.

قانون الانعكاس يقول حتى انعكاس الأشعة يكمن في زاوية السقوط، وأن زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط.

قانون الانكسار يقول حتى انكسار الأشعة يكمن في زاوية السقوط، وجيب زاوية الانكسار مقسوما على جيب الزاوية الإصابة هوثابت.

{\displaystyle {\frac {\sin {\theta _{1 {\sin {\theta _{2 =n

حيث n هوثابت لأي مادتين ولون معين من الضوء. كما هومعروف في معامل الانكسار.

ويمكن اشتقاق قوانين الانعكاس والانكسار من مبدأ فيرما التي تنص على حتى تتخذ مسار بين نقطتين من قبل شعاع الضوء هوالمسار الذي يمكن اجتيازه في أقل وقت.

الضوء المرئي

يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرطيسية بأنه ذلك الطيف الذي يمكن حتى يؤثر في العين فتحس الرؤية ويبدأ المدى باللون البنفسجي وينتهى ياللون الأحمر ونظراً لأن حساسية العين تختلف باختلاف طول موجه 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 جداً مثل الميكرومتر والنانومتر والانجستروم.