ما هو حيود الضوء

ما المقصود بحيود الضوء؟

يعرف حيود الضوء (بالإنجليزية: Diffraction Of Light) بالانحناء الحاصل للضوء أثناء مروره في وسط ما ومواجهته لحاجز في طريقه، إذ يحاول الانحناء والإعوجاج لينتشر حوله الحاجز ويمر، وهذا إثباتًا واضحًا أن الضوء لا يسير في خطوط مستقيمة فقط بل هو قادرًا على الانحناء، ويمكن ملاحظة هذه الظاهرة، في الظلال التي تتكون حول الغيوم باللون الوردي أو الأخضر أو الأزرق.^[١]

ينحرف الضوء[١]ويتشتت عند اصطدامه بقطرات الماء الحرة في الغلاف الجوي، فينعكس في المرة الأولى عند سطح قطرة الماء، والانعكاس الثاني عندما يصطدم الضوء بسطح قطرة الماء الثاني، وعند خروج الضوء من القطرة ينعكس مرة ثالثة ليعود إلى الغلاف الجوي، وأثناء الخروج يحيد جزءًا من الضوء مكونًا ظاهرًة هالة سيليني (تأثير هيليغنشن)، ويرتبط مقدار حيود الضوء وتشتته بالطول الموجي له.^[١]

يُعرف حيود الضوء بأنه التشتت أو التفكك الحاصل في الضوء عند مواجهة حاجز يعترض طريقه، مما يسبب الظل خلف الحاجز نتيجة لهذا العملية.

من الذي اكتشف ظاهرة حيود الضوء؟

أبدع عالم الفيزياء والرياضيات فرنسيسكو غريمالدي باكتشاف ظاهرة حيود الضوء، والذي نشر دراسته وأثبتها في عام 1665 م، إذ بدأ اكتشافه في إدخاله قلم من الضوء في غرفة مظلمة، وسمح للظل المتكون من القضيب الذي يعترض طريق الضوء أن يظهر على سطح أبيض، فلاحظ وجود دائرة متكونة أكبر من الظل، أكبر من تلك المحسوبة هندسيًا وكانت محاطة بألوان أخرى بعيدًا عن منطقة الوسط أو البؤرة.^[٢]

وعليه ظهر بنظريته قائلًا: "عندما يسقط الضوء على سطح أبيض أملس، فإنه سيظهر قاعدة مضيئة أكبر بشكل ملحوظ من الأشعة التي تنتقل بخطوط مستقيمة من بين فتحتين، وتكن في المنتصف ضوءًا نقيًا وعلى الأطراف يظهر ملونًا".^[٢]

تبع دراسة العالم غريمالدي دراسات عدة لعلماء فيزياء لتفسير ظاهرة حيود الضوء وما نتج عنها، تندرج المحطات موضحة كالآتي:^[٣]

• أُدخل كلمة تعريف جديدة لحيود الضوء باسم "الانعطاف"، وكان هذا من مبدأ العالم نيوتن، والذي أبحر في علم البصريات الهندسية تبعًا لهذا.
• أُدخلت دراسة توزيع مقدمة الموجة الضوئية في شكل هندسي السطح، عندما يكون طول الموجة صغيرًا بشكل غير محدود مقارنة بمدى مقدمة الموجة، وكان هذا مبدأ العالم هيغنز، وهي في صلب علم البصريات الهندسية.
• أُدخل مبدأ نشر سعة التقلبات على طول مقدمة الموجة، غذ يتناسب سرعة نقل الانتشار مع طول الموجة وينمو بزيادة السعات فيما بعد مقدمة الموجة، وكان هذا للعالم يونغ.
• أُدخل تأثير الزاوية على سعة الموجات، ودراسة حيود الموجات الكروية والمسطحة، وكان هذا للعالم فرنسيل.
• أُدخل نوع مختلف من الانحراف الحاصل في حزم متوازية للضوء، وعرف باسم حيود فراونهوفر، وكان هذا للعالم فراونهوفر.
• أُدخلت نظرية حُزم الغاوسية، ودخلت ملاحظات على دراسة طول الموجة، وكان هذاللعالم غاوس.

طوّرت ظاهرة حيود الضوء من بعد دراسة العالم غريمالدي، مرورًا بمحطات مختلفة أثبتت الظاهرة ووضحتها في ظواهر وتطبيقات عملية.

كيف تحدث ظاهرة حيود الضوء؟

عند وضع اليدين أمام مصدر ضوء ما وإغلاق أصبعين ببطء شديد ومراقبة الضوء من خلاله، يُلاحظ عند اقتراب الاصبعين من بعضهما خطوط سوداء موازية للأصابع وهذه هي نمط حيود الضوء، وليتسنى فهم مبدأ حيود الضوء تدريجيًا، النقاط التالية توضح ماهية حدوثه:^[١]

• تنتشر موجة الضوء من خلال شق أو فتحة صغيرة منطلقة من مصدر ما.
• تنحرف الموجة عند الوصول للشق أو الفتحة.
• تتحدد طريقة انتقال الموجة بناءًا على الطول الموجي، فإذا كان الطول الموجي لموجة الضوء أصغر من عرض الفتحة فإنها ستنتقل بخط مستقيم، وفي حال كان الطول الموجي أكبر من عرض الفتحة أو الحاجز ستنتشر بانحراف الموجة عن مسارها.
• تظهر الموجة عند سقوطها بسطوع مركزي واضح اللون في المركز، وكلما زاد الابتعاد عنه قلت شدة السطوع.
• تظهر الموجات البعيدة بعد انحراف الضوء مشكلة ما يسمى حيود الضوء تبعًا للطول الموجي.

تحدث ظاهرة حيود الضوء عند المرور بعائق، إذ يعمل الضوء على انحراف مساره وتشتته فيظهر تبعًا للأطوال الموجية على شكل موجات.

قانون حيود الضوء

يمتاز حيود الضوء بنظامين اثنين وهما؛ الحيود أحادي الشق وثنائي الشق، وعليه فإن قانون حيود الضوء أحادي الشق، يتضح بالصيغة الفيزيائية الآتية:^[٤]

عرض الشق المار منه الضوء * جيب زاوية انحراف الضوء عن مساره الأصلي = ترتيب الحيود * الطول الموجي للضوء

ف * جاθ = ن * λ

m*λ = D sinθ

حيث إنَ:  

• ف / D= عرض الشق المار منه الضوء.
• θ = زاوية انحراف الضوء عن مساره الأصلي عند مروره في الفتحة.
• ن / m = الترتيب الأدنى للحيود (1، 1-، 2، 2-،......).
• λ = الطول الموجي للضوء.

مثال على حيود الضوء

مثال: يسقط طول موجي بطول موجي بقدر 550 نانوميتر على شق أحادي، وينتج ثاني أدنى حيود لهذا الطول بزاوية 45º بالنسبة لاتجاه سقوط الضوء، ما هو عرض الشق المار منه الضوء؟:^[٤]

• D = ( ).
• 45º = θ .
• m = 2.
• λ = 550 * 10^(-9).
• ومن تطبيق القانون؛ m * λ = D * sin θ
• 2 * 550 *10^ (-9) = عرض الشق * جا 45

    1100*10^(-9) / 0.707 = 1.56 * 10^(-6)  

يعتمد حيود الضوء بشكل أساسي على زاوية انحراف الضوء عن مساره بسبب العائق وعرض الشق المواجه للطول الموجي وترتيب الحد الأدنى للحيود، ومنها يحتسب الطول الموجي.

تطبيقات يومية على حيود الضوء

هل لحيود الضوء وجد في الحياة؟

تظهر ظاهرة حيود الضوء في الحياة اليومية بشكل كبير، والتي تتبع مبدأ الأطوال الموجية لموجة الضوء، ومن التطبيقات اليومية لهذه الظاهرة:

• القرص المضغوط: إذ يتم تخزين البيانات في فتحات بأطوال موجية مختلفة، حيث توضع في صف واحد بعرض موحد ومسافات متساوية، وهذا يشكل الحيود على سطح القرص.^[٥]

• الهولوغرام: إذ يتم التقاط صورة ثلاثية الأبعاد من انطلاقأشعة الليزر وانحرافها بزاوية، وينتج تداخل في الخطوط المضيئة مع المظلمة، ويعد بهذا سطح الصورة أحد أنماط حيود الضوء، ومن خلال مزج نمط الحيود غير المركزي وشعاع الليزر، تُلتقط الصورة ثلاثية الأبعاد وهو مبدأ الهولوغرام.^[٦]

• ظهور الشمس باللون الأحمر في الغروب: إذ تظهر الشمس بهذا اللون من ألوان الطيف الشمسي بسبب الانحراف الحاصل بضوئها عند ارتطامه بجزيئات الغبار في الغلاف الجوي.^[٥]

• الهالة القمرية أو الهالة الشمسية: وهي الانحراف الحاصل بضوء كل من القمر أو الشمس عندما ينحرف عن مساره بسبب الأبخرة أو بلورات الجليد.^[٥]

• مصدر الضوء: عند النظر حول أي مصدر ضوء، يُلاحظ وجود قليل من الانحراف إذ لا ينتقل بالاتجاه الأمامي مباشرة فينحرف بسبب الغبار والجزيئات حوله.^[٥]

• الأشعة السينية: يُستفاد من مبدأ حيود الأشعة السينية لتحديد البنية البلورية للمركب والتعرف على خصائصه، انطلاقًا من مبدأ الانحراف الخاص به.^[٥]

هنالك العديد من التطبيقات اليومية على حيود الضوء مثل؛ القرص المضغوط، الهولوغرام، ظهور الشمس باللون الأحمر في الغروب، الهالة القمرية والهالة الشمسية، مصدر الضوء.

تجربة عملية على ظاهرة حيود الضوء

ما الأدوات اللازمة للقيام بتجربة عملية على ظاهرة حيود الضوء؟

يُمكن ببساطة اكتشاف ظاهرة حيود الضوء من تجربة حيود الضوء العملية البسيطة الموضحة كالآتي:^[٧]

الأدوات اللازمة

• جهاز مصدر لليزر بسيط من فئة 635 مم أو 670 مم.
• رقائق ألمنيوم بسمك 0.1 مم.
• مشبك مركب على ستاند.
• مقياس متر.
• إبرة حادة.
• مجهر متحرك.
• شاشة رسم بيضاء مثبتة على ورق مقوى.

خطوات التجربة

• ترتيب مصدر الليزر، ورقائق الألمنيوم، والستاند بمشبكه مثبت عليه ورقة الرسم البيضاء في خط واحد على استقامة.
• تشغيل مصدر الليزر، والتأكد من إضاءة كامل الفتحة من رقاقة الألمنيوم وانبثاق الضوء منها.
• تحريك شاشة الرسم البياني البيضاء على بعد 1 متر من رقاقة الألمنيوم ليظهر نمط الحيود عليها.
• احتساب الطول الموجي لمصدر الليزر، بتسجيل قطر الحد الأدنى الأول عن طريق الرسم البياني.
• تسجيل المسافة بين الرقاقة وشاشة الرسم.
• تسجيل عرض الفتحة في رقاقة الألمنيوم باستخدام المجهر المتحرك.
• احتساب الطول الموجي بتطبيق الصيغة الفيزيائية لذلك؛ m*λ = D sinθ.

يمكن ملاحظة ظاهرة حيود الضوء بوضوح من خلال تجارب عملية بسيطة، واحتساب الطول الموجي لضوء المصدر.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت} "Diffraction of Light", olympus-lifescience, Retrieved 2/4/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "Francesco M. Grimaldi, S.J. (1613 to 1663) and his diffraction of light", faculty.fairfield, Retrieved 2/4/2021. Edited.
3. ↑ "New view on the diffraction discovered by Grimaldi and Gaussian beams", arxiv, Retrieved 2/4/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب} "Single Slit Diffraction", courses.lumenlearning, Retrieved 3/4/2021. Edited.
5. ^ ^{أ ب ت ث ج} "10 Examples of Diffraction in Real Life", studiousguy., Retrieved 16/4/2021. Edited.
6. ↑ "diffraction", encyclopedia, 29/5/2018, Retrieved 2/4/2021. Edited.
7. ↑ "Diffraction of light at a narrow opening", spark.iop, Retrieved 2/4/2021. Edited.