الضوء الهندسي

الضوء الهندسي



















الباب الأول
المقدمة

لفهم طبيعة أي علم من العلوم يتطلب تتبع تطور هذا العلم من مرحلة إلى أخرى، و أن نتعرف على أشهر علمائه الذين أسهموا في تقدمه عبر العصور. و معرفة المراحل المختلفة التي مرت بها نظريات هذا العلم و الوقوف على مواطن القوة و الضعف في كل نظرية من نظرياته يؤدى إلى فهم تام لهذا العلم.
و تاريخ تطور علم البصريات بفروعها المختلفة له صلة قوية بمراحل ازدهار و انحطاط الحضارات الإنسانية منذ عصورها القديمة و حتى عصرنا هذا.
1- طبيعة الضوء
اختلف العلماء في تفسير طبيعة الضوء و وضعت العديد من النظريات لتفسير هذه الطبيعة.
ألضوء و الفلاسفة

كانت آراء فلاسفة الإغريق هي أول ما سجله العلم في محاولة تفسير حاسة الإبصار و فهم طبيعة الضوء و تعليل الظواهر الضوئية، و هو ما عرف في لغتهم باسم " أوبطيقا" Optics ، أي البصريات. لكن إنتاجهم العلمى في هذا المجال لم يكن وافيا و لم يتعمقوا كثيرا في الموضوعات التي درسوها.
- أعتقد أفلاطون أن إبصار الأشياء يتم عن طريق خروج النور من العين على هذه المواد فيحدث الإبصار.
- و لكن تلميذه أرسطو خالفه الرأي، و زعم أن الضوء ليس له وجود في ذاته، و أن الإبصار يتم بانطباع صور الأشياء في العين.
- أما أبيقور فقد تخيل أن للأشياء التي نراها أشباحا أو صورا تنخلع عنها و تنبعث منها بصورة مستمرة و يتم الإبصار بورود هذه الصور إلى العين.
- أما الرواقيون فقد كانت لهم فلسفة مختلفة عن سابقيهم، حيث افترضوا حدوث اتصال بين العين و الأجسام المرئية عن طريق شعاع يخرج من العين على شكل مخروط رأسه عند العين و قاعدته عند الجسم، فإذا لمس هذا الشعاع جسما ما حدث الإبصار. و قد شاع و اشتهر هذا الرأي في وقته حتى أن أصحاب هذا الرأي سموا " بأصحاب الشعاع".
و هكذا تعددت آراء فلاسفة الإغريق في طبيعة الضوء و تفسير الإبصار و ذلك لأن منهج التفكير في عصرهم كان فلسفيا يعتمد على التأمل العقلى الخالص بعيد عن التجربة و التحليل العلمى.

العرب مؤسسى علم البصريات

يعتبر العالم العربي المسلم الحسن بن الهيثم واحدا من أعلام الحضارة الإسلامية الذين حققوا الريادة في وضع المنهج العلمي المبنى على التجربة و الاستقراء. و ينسب لحسن بن الهيثم تأسيس علم البصريات بأكمله، فقد ألف العديد من المراجع العلمية المهمة من بينها كتاب "المناظر" الذي نهل منه كل من أتى بعده وكان واحدا من المصادر الهامة التي اعتمدت عليها معظم جامعات أوروبا و الغرب الحديثة لعدة قرون. و استطاع بن الهيثم أن يضح حدا للخلافات القديمة حول تعريف الضوء و تفسير حاسة الإبصار، حيث أعزى إحساس الرؤية إلى عامل أو مؤثر خارجي له وجود و أسماه "الضوء".
و استطاع الحسن بن الهيثم من وضع تعريف للضوء بأنه عبارة عن " حرارة نارية تتألف من أشعة لها أطوال و عروض، تنبعث من الأجسام المضيئة كالشمس و الأجسام المتوهجة، و إذا سقطت على جسم كثيف أسخنته، و إذا انعكست من مرآة مقعرة و تجمعت عند نقطة واحدة و كان عندها جسم يقبل الاحتراق أحرقته". و هذا التعريف يتفق مع ما نعرفه الآن عن طبيعة الطاقة الضوئية.
و ناقش ابن الهيثم عملية الإبصار، و بين في ذلك تركيب العين من الناحية التشريحية و وظيفة كل جزء من أجزائها، و أعزى حدوث الإبصار إلى تكون صور للمرئيات علم ما نسميه الآن شبكية العين و انتقال التأثير الحادث إلى المخ عن طريق العصب البصري. و علل ابن الهيثم رؤية الشئ واحدا على الرغم من النظر إليه بعينين اثنتين بوقوع الصورتين على جزئيين متماثلين من الشبكية. و تحدث كذلك عن تكبير المرئيات و ذلك وفقا لزاوية إبصارها و بعدها عن العين.
و بحث الحسن ابن الهيثم ظاهرة انعكاس الضوء و قد استطاع أن يضع أساسا نظريا لقانون الانعكاس و الذي توصل إليه فلاسفة اليونان و الذي ينص على أن " زاوية السقوط تساوى زاوية الانعكاس" و زاد عليه القانون الأخر الذي ينص على أن " زاويتى السقوط و الانعكاس تقعان في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس".
كذلك بحث ابن الهيثم في ظاهرة انكسار الضوء عند نفاذه من وسط شفاف إلى وسط شفاف آخر مختلف عنه في الكثافة الضوئية، و أثبت قانوني هذه الظاهرة على أساس سرعة الضوء في الوسط الأقل كثافة ضوئية أكبر منها في حالة الوسط الأعلى كثافة ضوئية، و بين أن الشعاع المنكسر يقترب إلى العمود في الوسط الأعلى كثافة ضوئية، وقاس زاويتي السقوط و الانكسار، و لم يذد العلم الحديث على ذلك إلا إثبات أن النسبة بين جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار ثابتة لكل وسطين.
و تجدر الإشارة إلى أن هناك علماء آخرين كتبوا في البصريات مثل ابن سينا و ابن النفيس و الرازى و الكندى و غيرهم من العلماء العرب المسلمين الذين أسهموا في تطور هذا الفرع من العلوم. و لعل أول ما استحدثه الأوربيون في البصريات اختراعهم التلسكوب و الميكروسكوب في القرن السابع عشر الميلادي.
و بالرغم من كل هذه الإنجازات التي تمت في البصريات ألا إن طبيعة الضوء ظلت لفترات طويلة بعد ذلك موضع للاهتمام و الاختلاف بين العلماء و ذلك لتعارض هذه الطبيعة في تفسير ظاهرة ضوئية معينة. و من أهم النظريات التي وضعت لتفسير طبيعة الضوء و منها:

النظرية الجسيمية لنيوتن:- اعتقد نيوتن أن الضوء عبارة عن جسيمات دقيقة متناهية في الصغر تنتشر في الفراغ بسرعات عالية و قد نجحت هذه النظرية في تفسير ظاهرة الانتشار و الانعكاس و لكنها فشلت في تفسير ظاهرة الانكسار حيث افترضت أن سرعة الضوء في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالماء اكبر منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهواء.
النظرية الموجية لهايجنز:- افترضت هذه النظرية أن الضوء عبارة عن موجات و أن كل نقطة على صدر الموجة تعتبر مصدر إطراب ثانوى. وأنه لابد من وجود وسط مادي لكي تنتشر من خلاله هذه الموجات و قد أعطى هيجنز مواصفات خاصة لهذا الوسط و سماه الأثير. هذا و قد استطاعت هذه النظرية في تفسير ظاهرة الانكسار حيث اعتبرت أن سرعة الضوء في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالماء اقل منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهواء. و لكنها فشلت في إيجاد هذا الأثير كما أنها فشلت في تفسير ظاهرة الاستقطاب …………….!
النظرية الكهرومغناطيسية لماكسويل:- حيث اعتبرت هذه النظرية ان الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ. و من المعروف أن الموجة الكهرومغناطيسية تتكون من مجالين متعامدين أحدهما المجال الكهربي و الأخر هو المجال المغناطيسي و كلاهما متعامد على اتجاه انتشار الموجة، و من المعروف أيضا أن مثل هذه الموجات هي موجات مستعرضة. و من ثم استطاعت هذه النظرية من تفسير ظاهرة الاستقطاب و أهملت وجود الوسط ( حيث أن هذه الموجات تنتشر في الفراغ). و لكن ظهرت حينئذ ظاهرة فيزيائية مهمة لم تستطع هذه النظرية من تفسيرها و هي الظاهرة الكهروضوئية.
النظرية الكمية لبلانك:- قد تنجح أي نظرية من النظريات السابقة في تفسير الظواهر الضوئية المعتمدة على تفاعل الضوء مع الضوء (الحيود و التداخل والاستقطاب و ………….), لكن عند دراسة تفاعل الضوء مع المادة ( انبعاث و امتصاص و الظاهرة الكهروضوئية) فانه لا يمكن تفسير مثل هذه الظواهر إلا من خلال الطبيعة الكمية للضوء.
حيث افترضت هذه النظرية أن الضوء عبارة عن سيل من الفوتونات (الكمات) و أن طاقة كل فوتون تعطى من العلاقة
E = h ?



















الباب الأول
المقدمة

لفهم طبيعة أي علم من العلوم يتطلب تتبع تطور هذا العلم من مرحلة إلى أخرى، و أن نتعرف على أشهر علمائه الذين أسهموا في تقدمه عبر العصور. و معرفة المراحل المختلفة التي مرت بها نظريات هذا العلم و الوقوف على مواطن القوة و الضعف في كل نظرية من نظرياته يؤدى إلى فهم تام لهذا العلم.
و تاريخ تطور علم البصريات بفروعها المختلفة له صلة قوية بمراحل ازدهار و انحطاط الحضارات الإنسانية منذ عصورها القديمة و حتى عصرنا هذا.
1- طبيعة الضوء
اختلف العلماء في تفسير طبيعة الضوء و وضعت العديد من النظريات لتفسير هذه الطبيعة.
ألضوء و الفلاسفة

كانت آراء فلاسفة الإغريق هي أول ما سجله العلم في محاولة تفسير حاسة الإبصار و فهم طبيعة الضوء و تعليل الظواهر الضوئية، و هو ما عرف في لغتهم باسم " أوبطيقا" Optics ، أي البصريات. لكن إنتاجهم العلمى في هذا المجال لم يكن وافيا و لم يتعمقوا كثيرا في الموضوعات التي درسوها.
- أعتقد أفلاطون أن إبصار الأشياء يتم عن طريق خروج النور من العين على هذه المواد فيحدث الإبصار.
- و لكن تلميذه أرسطو خالفه الرأي، و زعم أن الضوء ليس له وجود في ذاته، و أن الإبصار يتم بانطباع صور الأشياء في العين.
- أما أبيقور فقد تخيل أن للأشياء التي نراها أشباحا أو صورا تنخلع عنها و تنبعث منها بصورة مستمرة و يتم الإبصار بورود هذه الصور إلى العين.
- أما الرواقيون فقد كانت لهم فلسفة مختلفة عن سابقيهم، حيث افترضوا حدوث اتصال بين العين و الأجسام المرئية عن طريق شعاع يخرج من العين على شكل مخروط رأسه عند العين و قاعدته عند الجسم، فإذا لمس هذا الشعاع جسما ما حدث الإبصار. و قد شاع و اشتهر هذا الرأي في وقته حتى أن أصحاب هذا الرأي سموا " بأصحاب الشعاع".
و هكذا تعددت آراء فلاسفة الإغريق في طبيعة الضوء و تفسير الإبصار و ذلك لأن منهج التفكير في عصرهم كان فلسفيا يعتمد على التأمل العقلى الخالص بعيد عن التجربة و التحليل العلمى.

العرب مؤسسى علم البصريات

يعتبر العالم العربي المسلم الحسن بن الهيثم واحدا من أعلام الحضارة الإسلامية الذين حققوا الريادة في وضع المنهج العلمي المبنى على التجربة و الاستقراء. و ينسب لحسن بن الهيثم تأسيس علم البصريات بأكمله، فقد ألف العديد من المراجع العلمية المهمة من بينها كتاب "المناظر" الذي نهل منه كل من أتى بعده وكان واحدا من المصادر الهامة التي اعتمدت عليها معظم جامعات أوروبا و الغرب الحديثة لعدة قرون. و استطاع بن الهيثم أن يضح حدا للخلافات القديمة حول تعريف الضوء و تفسير حاسة الإبصار، حيث أعزى إحساس الرؤية إلى عامل أو مؤثر خارجي له وجود و أسماه "الضوء".
و استطاع الحسن بن الهيثم من وضع تعريف للضوء بأنه عبارة عن " حرارة نارية تتألف من أشعة لها أطوال و عروض، تنبعث من الأجسام المضيئة كالشمس و الأجسام المتوهجة، و إذا سقطت على جسم كثيف أسخنته، و إذا انعكست من مرآة مقعرة و تجمعت عند نقطة واحدة و كان عندها جسم يقبل الاحتراق أحرقته". و هذا التعريف يتفق مع ما نعرفه الآن عن طبيعة الطاقة الضوئية.
و ناقش ابن الهيثم عملية الإبصار، و بين في ذلك تركيب العين من الناحية التشريحية و وظيفة كل جزء من أجزائها، و أعزى حدوث الإبصار إلى تكون صور للمرئيات علم ما نسميه الآن شبكية العين و انتقال التأثير الحادث إلى المخ عن طريق العصب البصري. و علل ابن الهيثم رؤية الشئ واحدا على الرغم من النظر إليه بعينين اثنتين بوقوع الصورتين على جزئيين متماثلين من الشبكية. و تحدث كذلك عن تكبير المرئيات و ذلك وفقا لزاوية إبصارها و بعدها عن العين.
و بحث الحسن ابن الهيثم ظاهرة انعكاس الضوء و قد استطاع أن يضع أساسا نظريا لقانون الانعكاس و الذي توصل إليه فلاسفة اليونان و الذي ينص على أن " زاوية السقوط تساوى زاوية الانعكاس" و زاد عليه القانون الأخر الذي ينص على أن " زاويتى السقوط و الانعكاس تقعان في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس".
كذلك بحث ابن الهيثم في ظاهرة انكسار الضوء عند نفاذه من وسط شفاف إلى وسط شفاف آخر مختلف عنه في الكثافة الضوئية، و أثبت قانوني هذه الظاهرة على أساس سرعة الضوء في الوسط الأقل كثافة ضوئية أكبر منها في حالة الوسط الأعلى كثافة ضوئية، و بين أن الشعاع المنكسر يقترب إلى العمود في الوسط الأعلى كثافة ضوئية، وقاس زاويتي السقوط و الانكسار، و لم يذد العلم الحديث على ذلك إلا إثبات أن النسبة بين جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار ثابتة لكل وسطين.
و تجدر الإشارة إلى أن هناك علماء آخرين كتبوا في البصريات مثل ابن سينا و ابن النفيس و الرازى و الكندى و غيرهم من العلماء العرب المسلمين الذين أسهموا في تطور هذا الفرع من العلوم. و لعل أول ما استحدثه الأوربيون في البصريات اختراعهم التلسكوب و الميكروسكوب في القرن السابع عشر الميلادي.
و بالرغم من كل هذه الإنجازات التي تمت في البصريات ألا إن طبيعة الضوء ظلت لفترات طويلة بعد ذلك موضع للاهتمام و الاختلاف بين العلماء و ذلك لتعارض هذه الطبيعة في تفسير ظاهرة ضوئية معينة. و من أهم النظريات التي وضعت لتفسير طبيعة الضوء و منها:

النظرية الجسيمية لنيوتن:- اعتقد نيوتن أن الضوء عبارة عن جسيمات دقيقة متناهية في الصغر تنتشر في الفراغ بسرعات عالية و قد نجحت هذه النظرية في تفسير ظاهرة الانتشار و الانعكاس و لكنها فشلت في تفسير ظاهرة الانكسار حيث افترضت أن سرعة الضوء في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالماء اكبر منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهواء.
النظرية الموجية لهايجنز:- افترضت هذه النظرية أن الضوء عبارة عن موجات و أن كل نقطة على صدر الموجة تعتبر مصدر إطراب ثانوى. وأنه لابد من وجود وسط مادي لكي تنتشر من خلاله هذه الموجات و قد أعطى هيجنز مواصفات خاصة لهذا الوسط و سماه الأثير. هذا و قد استطاعت هذه النظرية في تفسير ظاهرة الانكسار حيث اعتبرت أن سرعة الضوء في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالماء اقل منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهواء. و لكنها فشلت في إيجاد هذا الأثير كما أنها فشلت في تفسير ظاهرة الاستقطاب …………….!
النظرية الكهرومغناطيسية لماكسويل:- حيث اعتبرت هذه النظرية ان الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ. و من المعروف أن الموجة الكهرومغناطيسية تتكون من مجالين متعامدين أحدهما المجال الكهربي و الأخر هو المجال المغناطيسي و كلاهما متعامد على اتجاه انتشار الموجة، و من المعروف أيضا أن مثل هذه الموجات هي موجات مستعرضة. و من ثم استطاعت هذه النظرية من تفسير ظاهرة الاستقطاب و أهملت وجود الوسط ( حيث أن هذه الموجات تنتشر في الفراغ). و لكن ظهرت حينئذ ظاهرة فيزيائية مهمة لم تستطع هذه النظرية من تفسيرها و هي الظاهرة الكهروضوئية.
النظرية الكمية لبلانك:- قد تنجح أي نظرية من النظريات السابقة في تفسير الظواهر الضوئية المعتمدة على تفاعل الضوء مع الضوء (الحيود و التداخل والاستقطاب و ………….), لكن عند دراسة تفاعل الضوء مع المادة ( انبعاث و امتصاص و الظاهرة الكهروضوئية) فانه لا يمكن تفسير مثل هذه الظواهر إلا من خلال الطبيعة الكمية للضوء.
حيث افترضت هذه النظرية أن الضوء عبارة عن سيل من الفوتونات (الكمات) و أن طاقة كل فوتون تعطى من العلاقة
E = h ?