الضوء

أ – طبيعة الضوء The nature of light

1 – نظرية نيوتن الجسيمية لطبيعة الضوء :

قبل بداية القرن الثامن عشر كان الاعتقاد سائد بان الضوء عبارة عن جسيمات تصدر من المصدر الضوئي وتستحث حاسية النظر من خلال دخولها إلى العين وكان المنزعم لهذه النظرية هو اسحاق نيوتن والذي استطاع بهذه النظرية تفسير بعض الظواهر العملية المتعلقة بطبيعة الضوء منها التحقق من صحة قوانين انعكاس الضوء . وقد لاقن النظرية الجسيمية لطبيعة الضوء القبول من الكثير من العلماء في ذلك الوقت ولم تستطع أن تعطي التفسير الجيد لبعض الظواهر الضوئية مثل انكسار الضوء وتداخل الضوء .

2 – نظرية هيجينز Huggens :

خلال تلك الفترة (نيوتن مازال حياً ) فقد افترض هيجنز نظرية اخرى لطبيعة الضوءوهي أن الضوء عبارة عن نوع من أنواع الامواج وكان ذلك في عام 1678 م واستطاع أن يفسر ويحقق قوانين الانعكاس والانكسار باستخدام هذه النظرية . ولم تلقى هذه النظرية ترحاب علمي في بداياتها لعدة اسباب منها : أن جميع الامواج المعروفة قي ذلك الوقت (صوت ، ماء ، ... الخ) تنتقل خلال وسط مادي بينما الضوء يستطيع ان ينتقل إلينا من الشمس خلال الفراغ ، ومن ناحية اخرى إذا كان الضوء عبارة عن امواج فإن الكوجة يمكنها أن تنعطف حول العقبات ولذلك يمكن ان نرى حوالين الزوايا . ومعلوم الان بان الضوء له القدرة على الانعطاف حول الحواف وتعرف هذه الظاهرة بالحيود diffraction مع انه ليس من السهولة ملاحظة ذلك لان الضوء له طول موجي قصير . وكما ذكرنا سابقاً فلن هذه النظرية لاقت الفض من قبل الكثير من العلماء وخصوصاً بسبب سمعة نيوتن في ذلك الوقت وشهرته .

وأول تفسير يبين الطبيعة الموجية للضوء تم في عام 1801 م على يد العالم يونج Young الذي بين عملياً بأنه تحت شروط معينة فإن الضوء يتبع ظاهرة التداخل والذي هو عبارة عن اتحاد موجتين لهما نفس الطول الموجي ونابعين من نفس المصدر ليكونا مناطق مضيئة عند حدوث التداخل البناء ومناطق مظلمة عند حدوث التداخل الهدام .

هذا السلوك من التداخل لم تستطع النظرية الجسيمية تفسيره في ذلك الوقت لانه أن يتحد جسيمين ويلغي بعضهما البعض غير منطقي ، وخلال تلك الفترة استطاع عالم آخر هو فوكلت Foucalt أن يبين بأن سرعة الضوء في الزجاج والسوائل المفروض أن تكون أسرع منها في الهواء كما أن هناك تطور آخر في القرن التاسع عشر قاد إلى القبول العام بالمظرية الموجية للضوء .

3 – نظرية ماكسويل :

أهم تطور يتعلق بالنظرية الموجية للضوء كان العمل الذي قام به ماكسويل Maxwell سنة 1873م والذي بين بأن الضوء شكل من اشكال الامواج الكهرومغناطيسية ذات الترددات العالية ، نظريته تنبأت بأن هذه الامواج لابد أن يكون لها سرعة تساوي 3×10^8 م/ث والتي هي عبارة عن سرعة الضوء . واستطاع هيرتز أن يثبت ذلك عملياً سنة 1887 م وذلك بانتاج وإلتقاط أمواج كهرومغناطيسية كما بين بأن تلك الامواج الكهرومغناطيسية تسلك نفس سلوك الضوء من انعكاس وانكسار وكل خواص الامواج .

بالرغم من أن النظرية الكهرومغناطيسية استطاعت تفسير الكثير من خواص الضوء إلا أن هناك بعض الظواهر لم تستطع أن تعطيها التفسير المقبول إذا اعتبرنا أن الضوء عبارة عن أمواج ، من أهمها الظاهرة الكهروضوئية والتي هي عبارة عن تحرر إلكترون من المعدن عند تعرضه سطحه لشعاع ضوئي .وقد بينت التجارب بأن الطاقة الحركية للإلكترون المتحرر لا تعتمد على شدة الضوء المسلط وهذا بحد ذاته تناقض للنظرية الموجية التي تقول بأنه كلما زادت شدة الشعاع المسلط كلما زادت الطاقة المضافة للإلكترون المتحرر .

4 – نظرية آنيشتاين :

لقد تم تفسير هذه الظاهرة بواسطة نظرية آينشتاين سنة 1905 م والتي بنيت على مفهوم ماكس بلانك Max Planck الذي افترضه سنة 1900 م والذي يقول بأن طاقة الموجة الضوئية تكون متجمعة في حزم طاقية تسمة فوتونات ، ولذلك يقال بأن الطاقة مكممة quantized وبناءاً على نظرية آينشتاين فإن طاقة الفوتون تتناسب مع تردد الموجة الكهرومغناطيسية

E = h f

h = 6.626*10^-34 j.s

ومن المهم أن نلاحظ بأن هذه النظرية احتفظت بكلا النظريتين الضوئيتين (النظرية الموجية والنظرية الجسيمية) وتفسير الظاهرة الكهروضوئية هو نتيجة لانتقال الطاقة من الفوتون المفرد الى الكترون في المعدن ، أي انه حصل تجاذب بين الالكترون والفوتون الضوئي وكأن هذا الالكترون اصطدم بجسيم وتبادل معه الطاقة ، وهذا الفوتون يسلك سلوك موجي لان طاقته تتحقق بالتردد .

بالنظر الى كل ما سبق فلابد أن نعرف بأن الضوء له ازدواجية طبيعية ، أي انه في بعض الحالات يعمل كموجة وفي بعض الاحيان يعمل كجسيم , فنظرية الامواج الكهرومغناطيسية تعطي التفسير الجيد لانتقال الضوء وتفسير ظاهرة التداخل . بينما الظاهرة الكهروضوئية والتجارب الاخرى المشتملة على تجاذب الضوء مع المادة أفضل تفسير على أن الضوء عبارة عن جسيمات . فالان هل الضوء موجات ام جسيمات ؟ الجواب على ذلك هو انه في بعض الاحيان يعمل كامواج وفي بعض الاحيان كجسيمات .