طبيعة الضوء و انتشاره

ينتشر الضوء في جميع الاتجهات وبسرعة فائقة جداً لدرجة لا يوجد في حياتنا اليومية أي شيء يدعونا للقول أنه يتحرك أسرع من الضوء يكون انتشار الضوء في خطوط مستقيمة. لذلك فان لكل جسيم ظل عند سقوط الضوء عليه أو على أي شي يصدر منه , لذلك يمكن القول بأن انتشار الضوء بخطوط مستقيمة هو مبدأ علمي يتحقق من مشاهدة الظل وكذلك فإن تجمع الضوء بالعدسات و بالكاميرات هو تطبيق لهذه الحقيقة . تختلف حساسية العين باختلاف الطاقة الإشعاعية المستقبلة من الأجسام المضيئة أو المرئية والعين قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة المكونة لضوء العادي ضوء الشمس المرئي الواصل لسطح الأرض حيث لكل لون خواص مختلفة عن اللون الآخر . حيث تقع حد حساسية العين في التمييز أو الرؤية للألوان أي للموجات الضوئية بين الضوء الذي طول موجته (4000A أو 400 نانومتر) إلى (7000A أو 700 نانومتر) أي هاتين القيمتين هما حدود الإحساس بالرؤية. لكن للعين ايضاً أن تكشف ضوء بطول موجة خارج عن هذه الحدود إذا كانت شدة الضوء عالية لدرجة كافية وتستخدم الألواح الفوتوغرافية والكاشفات الالكترونية الحساسة للكشف عن الإشعاع بدلاً عن العين البشرية وخاصة خارج الحدود المذكورة (4000-7000A) هذه الحدود تعرف بحدود الضوء المرئي (visible light).

وحسب تعريفنا السابق للضوء فيمكن أن نعطي تعريف لطبيعة الضوء واستناداً إلى معادلات ماكسويل و نظرية الكهرومغناطيسية بأنه عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر على هيئة موجات مستعرضة ، جزء منها يتغير فيها الجهد الكهربي دوريا ً والجزء الأخر يتغير فيه الجهد المغناطيسي دوريا أيضا وبنفس معدل تغير الجهد الكهربي . والإثنان متعامدين على بعضهما .


موجة يتغير فيها المجال الكهربي E متعامدا على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي B. وتنتشر الموجة في الإتجاه k العمودي على المستوي الذي ينغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين )وتتميز الموجة الكهرومغناطيسية عامة بالعوامل التالية :

1- سعة الموجة (a) بالمتر.

2- طول الموجة (λ) بالمتر.

3- سرعة الموجة (υ) متر/ثانية.

4- التردد (f) بالهرتز أي دورة/ثانية.

5- العدد الموجي(k) أي عدد الموجات لكل وحدة طول والذي يساوي (2Π/ λ) (متر)^(-1).

6- السرعة الزاوية(ω) والذي يساوي (ω=2Πf).

العلاقة الخاصة بسرعة الموجات تعطى كالتالي (υ=λ.f) ، وفي حالة الموجات الكهرومغناكيسية تكون العلاقة c =λ.f حيث c سرعة الضوء في الفراغ . و هي تقدر ب 300000 كيلومتر / ثانية.

وقد أثبت أينشتين في النظرية النسبية أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة لا تتغير ، وأنها أعلى سرعة على الإطلاق ولا تستطيع الأجسام الوصول إليها . حيث أن الأجسام تزيد كتلتها كلما إقتربت سرعتها من سرعة الضوء .


وفي علم البصريات والموجات تقاس الأطوال بوحدات صغيرة جداً والمستخدم هو الميكرومتر μ ، والمللي مايكرومتر mμ ، أو النانومتر mμ ، أو الانجستروم A ، حيث :

1A=10^(-10) meter

1μ=10^(-6) meter

1mμ=1nm=10^(-9) meter


فمثلاً طول الموجة الضوء الأصفر هي (5890A) وهي ضمن حدود حد الرؤية (4000A-7000A) ومنبع الضوء حولنا هي الشمس وهذا لا يعني أن الشمس فقط هي مصدر الضوء الوحيد ، فالنجوم و المجرات تـُصدر ضوءا . وفى حياتنا اليومية نحصل على الضوء بواسطة الكهرباء و المصابيح . ولاننسى النار فهي أيضا مصدر للضوء.


[عدل] سرعة الضوء
كان الفلكيون يعتقدون أن الضوء ينتقل بسرعة لانهائية كما كان يُعتقد أن أي حدث يحدث في أي مكان في الكون يلاحظ في جميع النقاط الأخرى في الكون في الوقت ذاته. ويٌقال أن جاليلو قد حاول أن يقيس سرعة الضوء عام 1600م ولكنة لم ينجح في تلك الفترة إلا بعد محاولات متعددة وأقتنع أن سرعة الضوء لانهائية أي لا يوجد شي أسرع من الضوء. ولكن في عام 1849م نجح العالم فيزو بإعطاء قيمة مطلقة لسرعة الضوء على كوكب الأرض وهي(2.9999exp8 m/s) أما في الفضاء فان سرعة الضوء المطلقة هي (3exp8 m/s). أما هذا الفرق البسيط لا قيمة له في الحسابات لأنة يساوي فقط (87000 m/s) أما في الأوساط المادية فينتقل بسرعة معتمدة على خواص الوسط حيث نستطيع وضع معادلة بين سرعة الضوء بالوسط (v) وسرعة الضوء في الفراغ حيث

(c/n) = v = c .(ε.μ)^(1/2)

حيث (v) سرعة الضوء في الوسط المادي.

و سرعة الضوء في الفراغ وهي تساوي (3exp8 m/s).

و(ε) معامل السماحية الكهربائيه أي (معامل سماح المجال الكهربائي للوسط ).

و(μ) معامل النفاذيه المغناطيسية أي (معامل النفاذ للمجال المغناطيسي للوسط).

و (n=(c/v معامل الانكسار للوسط حيث يمثل النسبة سرعة الضوء بالفراغ وسرعة الضوء في الوسط أو (n^2= ε.μ) لذلك قيمته دائماً اكبر من الواحد.

سرعة الضوء في الماء هي ثلاثة أرباع سرعة الضوء في الفراغ. سرعة الضوء في الزجاج هي ثلثي سرعة الضوء في الفراغ.

حسبت سرعة الضوء بالفراغ و كانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، أما عند مرور الضوء في أوساط شفافة فان سرعته تقل كما انه من الممكن ان يتعرض للانكسار و الانعكاس حسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما.