طبيعة الضوء

منذ قديم الأزمنة وعلى مر العصور كانت خواص الضوء مثارا للدهشة وإثارة التساؤلات وإجراء العديد من التجارب لفهم طبيعة الضوء، وعلى الرغم من تلك المحاولات وعظيم الاهتمام به إلا أن الطبيعة الداخلية للضوء ظلت محل جدل حتى مطلع القرن الحالي.
وخلال عصر نيوتن ولسنوات خلت بعد ذلك كان هناك خلاف حول ما إذا كان الضوء هو تيار من الجسيمات أو حزمة من الموجات، وقد كان إسحاق نيوتن (Isaac Newton) من مؤيدي النظرية الجسيمية ، فهو يعتقد أن الضوء عبارة عن جسيمات "Particles" مستندا عل حقيقتين:
1. أن الضوء يسير في خطوط مستقيمة في الأوساط المتشابهة، وظاهرة تكون الظلال دليل يؤيد هذه الحقيقية.
وكان نيوتن يدرك أنه إذا كان الضوء عبارة عن حزمة من الموجات فعليه أن يعاني من الانحراف حول الزوايا "الأركان" وهذا ما لم يثبته عمليا ولم يشاهده تجريبيا ،مما جعل النظرية الموجية مرفوضة لدية رفضا تاماً.
2. عند مرور الضوء الأبيض في المنشور فإنه يتحلل إلى عدة ألوان، وتبعا للنظرية الجسيمية فإن كل لون يتبع لنوع معين من الجسيمات ، كل جسيم يسير بسرعة مختلفة عن الآخر وينكسر بزاوية مختلفة أيضاً مما يسبب ظهور الألوان المميزة لكل جسم ،وهذا ما استنتجه نيوتن تجريبياً.
وإلى جانب هذا كان كريستيان هايجنز(Christian Huygens) - وهو أحد معاصري نيوتن- له رأي آخر، حيث كان هايجنز من مؤيدي النظرية الموجية ويرى أن الضوء عبارة عن حزمة من الموجات واستنتج مبدأ هايجنز"Huygens Principle" والذي فسر الكثير من الظواهر الطبيعية للضوء كالتداخل والحيود والانكسار والانعكاس وغيرها.
وبعد فترة من الزمن وبينما كان ماكسويل(James Clerk Maxwell) يقوم بتجاربه المتعددة على المغناطيس والكهرباء ،استنتج أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية حيث أثبت نظريا أن سرعة هذه الموجات تساوي تقريبا سرعة الضوء ، وبالتالي يمكن القول أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية. وهذا ما جعل النظرية الموجية مقبولة عالميا على الرغم من أنها لا تفسر بعض الظواهر كانبعاث الضوء من الذرات.
وظل الأمر هكذا إلى أوائل القرن العشرين حيث أعطى بور(Bohr) أول تفسير منطقي صحيح لميكانيكية انبعاث الضوء من الذرات، كما أشار آينشتاين(Einstein) إلى حقيقة أن الضوء مكون من جسيمات مكممة تدعى بالفوتونات "Photons" وبهذا فإنه أعط تفسير للظاهرة الكهروضوئية. ومن المعروف أن الطاقة الكهرومغناطيسية طاقة مكممة أي أنها تفقد وتكتسب بكميات معينة تعرف بالفوتون وذلك حسب النظرية الكمية للضوء وروادها بلانك وبور وآينشتاين.
والآن فإن المفهوم الحديث للضوء يجمع بين نظرية نيوتن الجسيمية ونظرية هايجنز الموجية ، فالضوء ذو طبيعة ازدواجية (dual nature) ،وإذا كان السؤال ما هي طبيعة الضوء بالتحديد هل موجية أم جسيمية؟ فإنه لن تكن هناك إجابة محددة فبعض الظواهر كالحيود والتداخل والانعكاس...الخ تتبع النظرية الكهرومغناطيسية-الموجية- فهذه النظرية تعالج انتشار الضوء(Propagation of light) . بينما النظرية الكمية الجسيمية تعالج وتفسر الانبعاث والامتصاص في الذرات.
وأخيرا يمكن القول أنه خلال الأطوال الموجية الطويلة يتصرف الضوء كموجات،وفي الأطوال الموجية القصيرة ( ذات الطاقة العالية) يتصرف كجسيمات.











الحركة الموجية هي أحد أنواع الحركة المهمة التي تحدث في الطبيعة حيث تمثل هذه الحركة انتقال للطاقة دون حدوث انتقال لجزيئات المادة نفسها.
تتضمن نظرية الحركة الموجية لثلاث أسس هامة:
1. هناك بعض الخواص الفيزيائية والتي تعرّف بمقادير محددة عند نقطة معينة في أي لحظة زمنية كإزاحة الجزيئات ومتجه المجال المغناطيسي والكهربي.
2. هذه الكميات الفيزيائية تخضع لتردد دوري(periodic fluctuation )عند أي لحظة زمنية.
3. إن الاضطراب عند أي نقطة ينتج عنه اضطراب مماثل لنقطة مجاورة خلال فترة زمنية قصيرة وبالتالي فإن الاضطراب ينتقل باستمرار من مكان لآخر في الوسط.
الموجة أو النبضة (Wave or Pulse ):
هي اضطراب ينتشر في الوسط ناقلا الطاقة، بحيث تتكرر هذه الحركة بشكل دوري خلال فترة زمنية محددة.





أنواع الموجات(Types of Waves):
يمكن تصنيف الموجات بالأخذ في الاعتبار اهتزاز جزيئات الوسط وحركتها بالنسبة لاتجاه انتشار الموجات كالتالي:
• الموجات المستعرضة:
في هذه الموجات تهتز جزيئات الوسط أعلى وأسفل نقطة الاتزان وعمودية على اتجاه انتشار الموجات.
• الموجات الطولية:
وفي هذه الموجات تهتز جزيئات الوسط إلى الأمام والخلف من نقطة الاتزان وفي اتجاه انتشار الموجات.
وبعض الموجات ليست طولية ولا مستعرضة كما هو الحال في موجات سطح الماء فالجزيئات تتحرك إلى الأعلى والأسفل وإلى الأمام والخلف من نقطة الاتزان،أي أنها تتحرك حركة دائرية حول نقطة اتزانها وبسرعة متوسطة مقدارها الصفر.
الطول الموجي( )Wavelength:
المسافة المقطوعة في الدورة الكاملة أو المسافة بين أي نقطتين متقابلتين في موجتين متجاورتين.
وحدته: وحدة الطول متر (m) انجستروم ( ) نانومتر(nm).
السعة (Amplitude (A :
أقصى إزاحة تصل إليها الموجة.
وحدتها: وحدة الطول أيضا.
التردد الخطي (Linear Frequency (f :
عدد الدورات في الثانية
وحدته:الهرتز (Hz) أو مقلوب وحدة الزمن ( s-1 )
الزمن الدوري (Period (T :
الزمن اللازم لقطع المسافة بين نقطتين متقابلتين في موجتين متجاورتين أو الزمن اللازم لكي تقطع نقطة ما دورة كاملة "طول موجي".
وحدته: الثانية (s)
العدد الموجي الخطي ( ) Linear wave number:
عدد الموجات في وحدة الطول
وحدته: مقلوب وحدة الطول الموجي (m-1 ).
العدد الموجي الدائري (Circular wave number (k :
مقدار الزاوية نصف قطرية المكافئة لرتل موجة( wave train) طوله متر واحد.
وحدته: راديان/ متر ( rad/m )

التردد الزاوي ( ) Angular Frequency :
الزاوية النصف قطرية التي يقطعها جسما متحركا في مسار دائري ويعمل عدد من الدوراتf في الثانية.
وحدته: راديان/ الثانية ( rad/s)

معادلة الموجة العامة( General Wave Equation ):

وفي الحالة الخاصة عند t=0 , x=0 ?
y(x,t)=0
ولكي تتم الحركة فإنه يمكن إعادة صياغة الدالة الجيبية باستخدام الطور الابتدائي كالتالي:

وتحدد اتجاه انتشار الموجات بالإشارتين
ولتحديد الاتجاه فإننا نتتبع جزءا معينا من الموجة وندرس كيفية تغيرx مع الزمن t عند ثبوت الإزاحة y
حيث:
وحتى يبقى المقدار ثابتاً فإن x تزداد مع الزمن t " حيث t موجب ومتزايد دائما"
أي أن المعادلة تمثل معادلة موجة تتحرك على محور x الموجب.
وبالمثل لكي يبقى المقدار ثابتاً فإن x تتناقص مع زيادة t .
أي أن المعادلة تمثل معادلة موجة تتحرك على محور x السالب.