معلومات عن الطول الموجي

الظواهر الكونية

يتميز كوكب الأرض بأنه مليء بظواهر عديدة ينفرد بها عن غيره، إذ تُمثِّل الأرض بكل ظواهرها الطبيعية جزءًا مهمًا من مظاهر الحياة في المجرات المختلفة، ومازال العلماء حتى الآن يكتشفون باستمرار الكثير من الظواهر الجديدة، ومنذ عام 2007 والعلماء يتلقون ترددات فائقة السرعة لا تدوم سوى بضع آلاف من الثانية، وهي تعود لأزمنة بعيدة مضت، وتتعرض البروتونات والنيوترونات الموجودة في قشور بعض النجوم لضغط الجاذبية بدرجة هائلة، ويعد الضوء واحدًا من أبرز الظواهر الطبيعية التي لفتت انتباه العلماء حتى ابتكروا له نظريات وقوانين خاصة به، وسيتناول هذا المقال توضيح أهم الحقائق عن الطول الموجي.^[١]

الضوء

ما هو بالضبط الضوء؟ تبدو لمحات من طبيعة الضوء عندما تتلألأ أشعة الشمس من خلال غرفة مملوءة بالغبار أو عندما يظهر قوس قزح بعد العاصفة، لكن هذه اللمحات تؤدي فقط إلى المزيد من الأسئلة مثل: هل ينتقل الضوء كموجة أو شعاع أو تيار من الجزيئات؟ وهل يظهر في لون واحد أو العديد من الألوان المختلطة معًا؟ وهل لديه تردد مثل الصوت؟ وما هي الخصائص الشائعة للضوء، لقد تمكن الباحثون في جامعة هارفارد في عام 1999 من إبطاء شعاع الضوء إلى نحو 38 ميلًا في الساعة بتمريره عبر مكثفات، وهذا هو ما يقرب من 18 مليون مرة أبطأ من المعتاد، ولم يكن أحد يظن أن هذا العمل الفذ ممكن منذ بضع سنوات، والضوء ينبعث من مصادر أخرى غير العين وتلك الرؤية تنتج عندما ينعكس الضوء عن الأجسام ويدخل العين، ولقد فكر بعض العلماء والفلاسفة الأوائل في الطبيعة الحقيقية للضوء والتي تُحفّز البصر وتجعل الأشياء مرئية.^[٢]

خصائص الضوء

درس علماء أوروبا الضوء وخصصوا له الكثير من الأبحاث، وصاغوا له العديد من النظريات التي مازال بعضها قيد التطوير حتى الآن، ومن كل ذلك استنتجوا للضوء الكثير من الخصائص والسمات الرئيسة كالطول الموجي وغيره، ويمكن توضيح أبرز خصائص الضوء فيما يأتي:^[٣]

• يتحرك الضوء في خط مستقيم.
• الضوء هو في الحقيقة موجات كهرومغناطيسية.
• للضوء سرعة مذهلة في الفراغ.
• للضوء تردد ثابت عندما ينتقل من وسط إلى آخر.
• بينما يتغير الطول الموجي عندما ينتقل الضوء من وسط إلى آخر.

العلاقة بين الضوء والطاقة

الضوء الذي يشتمل على جزء من الطيف المرئي هو شكل من أشكال الطاقة، ويحدث الضوء المرئي في الغالب نتيجة لانتقال الإلكترون من المدارات الأعلى إلى المدارات السفلية لفقدان طاقاتها الكامنة والتي يتم تحويلها إلى فوتونات، ولذلك تنتج الطاقة الضوئية المستمرة المنبعثة من حركة الإلكترونات الانتقالية، حيث يظهر الضوء من خلال تغير الطول الموجي والتردد وغيرها من سمات الضوء على هيئة طاقة تحدث في "حزم" كما في معادلة آينشتاين لكتلة الطاقة:^[٤]

E = mc 2 

حيث E هي طاقة الفوتون، وc هي سرعة الضوء ، والضوء هو أكثر أشكال الطاقة وفرة في الطبيعة، ويؤدي الضوء وظائف حيوية على مستوى الكم من حيث "توازن توزيع كتلة الطاقة" والتبادل المستمر للطاقة داخل الذرات والجزيئات والحفاظ على "ديناميكيات كتلة الطاقة" للمكونات الذرية والجزيئات دون الذرية، وموجات الضوء في تبادلها للطاقة مع الجسيمات على المستويين الذري ودون الذري تلتزم دائمًا بمعادلة آينشتاين للطاقة الكلّية، وتتشكل الفوتونات أيضًا على المستويين الذري ودون الذري طوال الوقت أثناء تفاعلات الجسيمات وفق معادلة طاقة الكتلة أينشتاين، ومن المحتمل أيضًا أن تحافظ موجات الضوء على "إجمالي توازن طاقة الكتلة" للكون بطرق أوسع مما يمكن تخيله بسهولة، وتحتاج الطبيعة إلى طاقة موجات الضوء لكي تكون قادرة على الوصول إلى المستوى الذري ودون الذري لتنفيذ نقل الطاقة، إن طاقة الضوء تربط العالم الكمومي بالعالم المجهري على أساس "تبادل الطاقة".^[٤] .

تطور نظريات الضوء

في حين أن هناك أدلة واضحة على أن الأدوات البصرية البسيطة مثل المرايا المستوية والمنحنية والعدسات المحدبة كانت تستخدم من قِبل عدد من الحضارات المبكرة إلا أن فلاسفة اليونان القدماء يعودون عمومًا إلى التكهنات الرسمية الأولى حول نظريات الضوء التقليدية القديمة، وقد عرقلت العقبة النظرية المتمثلة في التمييز بين الإدراك البشري للآثار البصرية والطبيعة الفيزيائية للضوء تطور نظريات الضوء لفترة من الزمن، وقد اقترح فيثاغورس في حوالي 500 قبل الميلاد أن الإبصار ناجم عن الأشعة الضوئية التي تنبعث من العين والأجسام المذهلة، وقد قدم إقليدس في حوالي 300 قبل الميلاد في كتابه للبصريات قانونًا لبعض نظريات الضوء وناقش فيه انتشار الأشعة الضوئية في خطوط مستقيمة، وقام بطليموس في حوالي 100 ميلادية بالدراسات الكمية الأولى حول تغير الطول الموجي أثناء انتقاله من وسيط شفاف إلى آخر.^[٥]

وقد أسس الخليفة العباسي السابع في بغداد بيت الحكمة في عام 830 لترجمة ودراسة الأعمال الهلنستية في العلوم والفلسفة، ووكان من بين العلماء الأوائل الذين أسهموا في نظريات الضوء الأولى: الخوارزمي والكندي، حيث قام الكندي والمعروف باسم "فيلسوف العرب" بتوسيع مفهوم نشر أشعة الضوء بشكل مستقيم، وبحلول عام 1000 تم التخلي عن نموذج فيثاغورس للضوء، وقد عزا ابن الهيثم في كتابه المناظير الرؤية بشكل صحيح إلى الاستقبال السلبي للأشعة الضوئية المنعكسة من الأشياء بدلاً من الانبعاث النشط للأشعة الضوئية من العيون، كما درس الخصائص الرياضية لانعكاس الضوء من المرايا الكروية ورسم صورًا مُفصّلة للمكونات البصرية للعين البشرية، ومع فجر القرن السابع عشر كان هناك تقدم كبير في أوروبا وتم إنشاء المجاهر المركبة لأول مرة في هولندا بين عامي 1590 و1608 من قِبل هانز وزكريا يانسن.^[٥]

وسرعان ما اكتشف عالم الفلك الإيطالي جاليليو التلسكوب المنكسر وطوّره من خلال مفاهيم الضوء والطول الموجي واستخدمه في اكتشافاته لأقمار كوكب المشتري وكوكب زحل في عام 1610، وقد أحرز عالم الفلك الهولندي ويلبرورد سنيل تقدمًا تجريبيًا في عام 1621 باكتشافه للعلاقة الرياضية بين زوايا انتقال أشعة الضوء المنكسرة، وفي عام 1657 قدم عالم الرياضيات الفرنسي بيير دي فيرمات اشتقاقًا مثيرًا للاهتمام لقانون سنيل استنادًا إلى مبدأه الخاص والذي أكّد أن الضوء يتبع في مساره الحد الأدنى من الوقت للسفر من نقطة إلى أخرى، وقد درس عالم الرياضيات فرانشيسكو جريمالدي في عام 1665 ما يسمى الآن بآثار الحيود، حيث أوضح أن الضوء الذي يمر عبر عائق يمكن أن يخترق الظل الهندسي، وفي عام 1676 استخدم عالم الفلك الدنماركي أوول رومر قياساته للتغيرات في الفترات المدارية الظاهرة لأقمار كوكب المشتري على مدار عام لاستنتاج قيمة تقريبية لسرعة الضوء.^[٥]

النظرية الموجية للضوء

تُصوِّر تلك النظرية الضوء على أنه يتصرف كما تتصرف الموجة في الطبيعة، وقد تم تطوير نظرية هيغنز عن انكسار الضوء استنادًا إلى مفهوم الطبيعة الموجية للضوء والتي ترى أن سرعة الضوء في أي مادة تتناسب عكسيًا مع معامل الانكسار، وبعبارة أخرى افترض هيغنز أن مزيدًا من الضوء كان "مثنيًا" أو ينكسر بواسطة مادة ما كلما كان أبطأ في حركته أثناء عبوره خلال تلك المادة، وقد اقترح هيغنز عام 1690 أن الأمواج الضوئية تنتقل عبر الفضاء بواسطة الأثير وهي مادة عديمة الوزن وموجودة ككيان غير مرئي في جميع أنحاء الهواء والفضاء، وقد استهلك البحث عن الأثير قدرًا كبيرًا من الموارد خلال القرن التاسع عشر واستمرت نظرية الأثير على الأقل حتى أواخر القرن التاسع عشر كما يتضح من نموذج تشارلز ويتستون المقترح والذي يوضح أن الأثير يحمل موجات ضوئية بزاوية متعامدة مع اتجاه زيادة الطول الموجي .^[٦]

وقد اعتقد هيغنز أن الأثير يهتز في نفس الاتجاه ووصف ببراعة كيف يمكن لكل نقطة على موجة ضوئية أن تُنتج موجاتها الخاصة والتي تُضاف بعد ذلك لتشكيل واجهة الموجة، وقد استخدم هيغنز هذه الفكرة لإنتاج نظرية مفصلة لظاهرة انكسار الضوء وشرح لماذا لا تصطدم أشعة الضوء ببعضها البعض عندما تعبر المسارات، وعندما يمر الضوء عبر فتحة ضيقة تنتشر الحزمة وتصبح أوسع من المتوقع، وتُضفي هذه الملاحظة قدرًا كبيرًا من المصداقية على النظرية الموجية للضوء.^[٦]

أجرى العالم فيزيائي إنجليزي ويُدعى توماس يونج تجربة دعّمت بقوة طبيعة الضوء المشابهة للموجة، لأنه كان يعتقد أن الضوء يتكون من موجات فسّر يونج أن هناك نوعًا من التفاعل يحدث عندما تلتقي موجتان معًا، ومن أجل اختبار هذه الفرضية استخدم شاشة تحتوي على شق واحد ضيق لإنتاج شعاع ضوء متماسك يحتوي على موجات تنتشر باتجاه محدد، ثم عندما واجهت أشعة الشمس الشق تفرقت لإنتاج واجهة موجية واحدة، وإذا تم السماح لهذه الجبهة بإضاءة شاشة ثانية بها شقان متباعدان عن قرب يتم إنتاج مصدرين إضافيين للضوء المتماسك فينتج تغير في الطول الموجي.^[٦]

تعريف الطول الموجي

قبل توضيح تردد الموجات الضوئية تجدر الإشارة إلى أن الطول الموجي هو المسافة بين النقاط المتماثلة في موجات الضوء، ويتم تحديد هذا الطول بالأمتار أو السنتيمترات أو المليمترات، وفي حالة الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية وإشعاع جاما يتم تحديد الطول الموجي في كثير من الأحيان في وحدات نانومتر أو وحدات أنجستروم، ويمكن استخدام أدوات مثل الطيف الضوئي أو أجهزة تحليل الطيف الضوئي للكشف عن الأطوال الموجية في الطيف الكهرومغناطيسي، إلى جانب أدوات أخرى يمكن استخدامها أيضًا، ويمكن استخدام تلك الأدوات لقياس أطوال موجات أقصر من موجات الطيف الكهرومغناطيسي مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما، وعلى العكس من ذلك فإن موجات الراديو لها طول موجي أكبر بكثير ويتراوح من ملليمتر واحد إلى 100 كيلو متر بحسب العوامل المؤثرة في الطول الموجي.^[٧]

تعريف التردد

التردد هو عدد الأمواج التي تمر بنقطة ثابتة خلال وحدة واحدة من الزمن من قِبل الجسم في حركة دورية، وتمتد الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق هائل من الترددات، وإذا كانت الفترة أو الفاصل الزمني المطلوب لإكمال دورة واحدة أو الاهتزاز هي 1/2 ثانية يكون التردد هو 2 ثانية، وإذا كانت الفترة 1/100 ساعة يكون التردد 100 ساعة، وبشكل عام فإن التردد هو مقلوب الفترة أو الفاصل الزمني، بمعنى أن التردد = 1/ الفاصل الزمني، إن التردد الذي يدور به القمر حول الأرض يزيد قليلًا عن 12 دورة سنويًا، والرموز المستخدمة في أغلب الأحيان للتردد هيf، ويتم استخدام Nu في كثير من الأحيان عند تحديد الموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما، وعادةً ما يتم استخدام أوميغا لوصف التردد الزاوي أي مقدار الدوران لكل وحدة زمنية، وعادة ما يتم التعبير عن التردد في وحدة هيرتز والتي سميت تكريماً للفيزيائي الألماني في القرن التاسع عشر هينريش رودولف هيرتز، حيث يساوي الهيرتز دورة واحدة في الثانية.^[٨]

العلاقة بين الطول الموجي والتردد

لتوضيح العلاقة بين الطول الموجي والتردد تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لأن جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية تنتقل بنفس السرعة فإن عدد القمم أو القيعان التي تمر بنقطة معينة في الفضاء في وحدة زمنية معينة على سبيل المثال ثانية واحدة يتغير مع طول الموجة، وعلى سبيل المثال تستمر 10 موجات بطول 10 مترًا في نفس الوقت الذي تستغرقه موجة واحدة بطول 100 مترًا، ونظرًا لأن جميع أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية تنتقل بسرعة الضوء فإن طول الموجة يساوي سرعة الضوء مقسومة على تردد التذبذب، ويمكن توضيح العلاقة بين الطول الموجي والتردد على هيئة معادلات رياضية فيما يأتي.^[٩]

سرعة الضوء = تردد الموجة × الطول الموجي.

الطول الموجي = سرعة الضوء/ التردد.

ويرتبط تردد الموجة بطاقة الموجات نفسها، فكلما زادت طاقة الموجة زاد ترددها، ولذلك تتمتع أشعة جاما بالطاقة العالية جدًا ، بينما تكون موجات الراديو منخفضة الطاقة، وعندما يتعلق الأمر بالأمواج الضوئية فإن اللون البنفسجي هو أعلى لون للطاقة بينما اللون الأحمر هو أدنى لون للطاقة، وبصرف النظر عن الترددات المختلفة وأطوال موجات الضوء فإن لها أيضًا سرعات مختلفة.^[١٠]

العلاقة بين الطول الموجي ودرجة الحرارة

يصف قانون العالم الفيزيائي "فيينا" الحاصل على نوبل في الفيزياء عام 1911 العلاقة بين درجة حرارة مادة مثالية تنبعث من جميع ترددات الضوء، ووفقًا لقانون "فيينا" يتغير الطول الموجي لكل موجة مع تغير درجة الحرارة، وقد درس "فيينا" توزيع الطول الموجي أو تردد الإشعاع في التسعينيات، وكانت فكرته السماح بمرور إشعاع من الضوء ليدخل حفرة صغيرة لفرن فينعكس من الجدران الداخلية للفرن بحيث يتم امتصاص جميع الإشعاعات الواردة تقريبًا وتصبح فرصة العثور عليها خارج الحفرة مرة أخرى صغيرة للغاية، وبعد ذلك يكون الإشعاع الصادر من هذا الثقب قريبًا جدًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي لجسم التوازن المتوافق مع درجة حرارة الفرن، وقد وجد "فيينا" أن الطاقة الإشعاعية لكل طول موجي لها حد أقصى عند طول موجي معين، وأن الحد الأقصى لها ينتقل إلى أطوال موجية أقصر مع زيادة درجة الحرارة، إن قانون فيينا الخاص بتحويل القدرة الإشعاعية إلى الترددات الأعلى مع ارتفاع درجة الحرارة يظهر في الأجسام الدافئة التي تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء.^[١١]

المراجع

1. ↑ "The 12 Strangest Objects in the Universe", www.livescience.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
2. ↑ "How Light Works", science.howstuffworks.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
3. ↑ "What are some characteristics and properties of light?", www.quora.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "How can the relationship between light and energy be described?", www.quora.com, Retrieved 14-01-2020. Edited.
5. ^ ^{أ ب ت} "Light", www.britannica.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
6. ^ ^{أ ب ت} "Light: Particle or a Wave?", olympus.magnet.fsu.edu, Retrieved 13-01-2020. Edited.
7. ↑ "wavelength", searchnetworking.techtarget.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
8. ↑ "Frequency", www.britannica.com, Retrieved 13-01-2020. Edited.
9. ↑ "Frequency and Wavelength", www.gb.nrao.edu, Retrieved 14-01-2020. Edited.
10. ↑ " How are frequency and wavelength of light related?", science.howstuffworks.com, Retrieved 14-01-2020. Edited.
11. ↑ "Wien's law", www.britannica.com, Retrieved 14-01-2020. Edited.