مفهوم الضوء

يمدنا الإبصار ـ من بين كل الحواس ــ بمعلومات أكثر مما تفعل كل الحواس الاخرى مجتمعة سواء من حيث كميتها او تفاصيلها كميتها أو تفاصيلها. ويعتمد ما نراه ـ على خواص الضوء ـ كما يعتمد على العمليات الفيزيائية والنفسية. فلا غرابة إذن في أن طبيعة الضوء ظلت دائماً موضوعاً لكثير من التأمل والاهتمام. وعلى الرغم من هذا الاهتمام الكبير والمحاولات العديد للتفسير إلا أن السؤال خول ماهية ظل محل جدل حتى العقد الأول من القرن العشرين.

لقد تركز الجدل في عصر نيوتن حول السوائل عما إذا كان الضوء مكوناً من تيار من الجسيمات أو " الكريات" أو أنه ظاهرة موجية من نوع ما. وقد مال نيوتن إلى فكرة الجسيمات. وكانت مكانته العلمية سبباً في اقتناع الكثيرين برأيه. ثم قدم توماس يونج عام 1803 نتائج تجربة ظهر فيها أن الضوء المنبعث من مصدرين يكون أشكال تداخل تماثل تلك التي يمكن أن تحدث من تراكب موجتين . وسوف نشرح تجربة يونج بالتفصيل في الفصل الرابع والعشرين. ثم قيست في نفس الوقت تقريباً سرعة الضوء المار في الماء ووجدنا أنها أقل من سرعة الضوء في الهواء. وحيث أن نظرية الجسيمات لنيوتن قد نصت على أن الضوء لابد أن يسير بسرعة أكبر في الماء، فقد هذا دليلاً ثانياً يناقص تلك النظرية. وهكذا صارت النظرية الموجية هي التفسير السائد للضوء، ثم زودت بالأساس الرياضي الدقيق في ستينات القرن التاسع عشر عن طريق العمل المتميز لماكسويل ( الفصل الثاني والعشرون)

ولنا أن نعتقد أنه بحلول العام 1900 فإن الطبيعة الموجية للضوء لابد وأن تكون قد أصبحت مفهومة جيداً، بل ومقبولة على نطاق واسع. إلا أن التفاعل الضوء مع المادة، من حيث كيفية انبعاثه وكيفيه امتصاصه، قد ظل أمراً محيراً. ولم يكن ممكناً تفسير طيف الضوء المنبعث من الأجسام الساخنة ( اشعاع الجسم الأسود)، وكذلك المنبعث من ذرات بسيطة مثل الهيدروجين، في ضوء النظرية الموجية بشكل كاف وقد فسرت الظاهرة المعروفة بالأثر الكهروضوئي، حيث تتطاير الإلكترونات من سطح الأسطح الفلزية التي يسقط عليها الضوء، بشكل ناجح عام 1905 على يدي أينشتين، عندما استخدم فكرة أن الضوء يتفاعل مع الإلكترونات كما لو كان مكوناً من تيار من الجسيمات وقد وصلنا إلى هدنة مشوبة بالحذر ـ عندما ظهرت نظرية الكم خلال القرن العشرين ــ مع فكرة إنه تحت ظروف معينة يسلك الضوء سلوك الموجة، بنما يسلك تحت ظروف أخرى سلوك تيار من الجسيمات التي لا كتلة لها تدعى الفوتونات. وسوف نتناول هذه الطبيعة المزدوجة للضوء بصورة أكمل في الفصل السادس والعشرين. أما بالنسبة للفصول القليلة القادمة، فسوف نركز على جوانب الضوء التي يمكن فهمها من خواص الموجات الكهرومغناطيسية المميزة.

الموجات الضوئية هي موجات كهرومغناطيسية ذات مجال كهربي مهتز يتعامد مع مجال مغناطيسي مهتز ويتفق معه في الطور. وتقع الأطوال الموجية للضوء المرئي في المدى من 400 إلى 700 nm(الشكل ((1).

الشكل ((1: التناظر بين الأطوال الموجية والألوان الموضحة هنا تقريبية فقط. والألوان مثل الأزرق المخضر والبرتقالي تحتل مناطق متوسطة.

أن هذا المدى من الأطوال الموجية ينتمي إلى مدى الترددات من 4.3×10¹⁴ إلى 7.5×10¹⁴Hz ويوضح الشكل (2) المجال الكهربي في موجة تنتشر في اتجاه المحور x. ويلاحظ أن المجال المهتز E متعامد مع المحور x. ومن ثم تكون الموجات الضوئية، موجات مستعرضة ، حيث أن اهتزازات الموجة متعامدة مع اتجاه الانتشار. وهكذا فلهذه الموجات كثير من الخواص المشتركة مع موجات مستعرضة أخرى مثل الموجات التي تتكون بالأوتار أو الموجات المتكونة على سطح الماء. ومن أكثر الأدلة المباشرة على أن الضوء عبارة عن موجات مستعرضة هي إمكانية استقطابه. فالموجات المستعرضة فقط هي التي لها هذه الخاصية.