استكشاف عالم النور: دراسة شاملة

مقدمة

النور هو شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يقع ضمن نطاق معين من الطيف الكهرومغناطيسي. إنه مرئي للعين البشرية، مع أطوال موجية تتراوح بين 380 و 730 نانومتر، وتقع بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. يعتبر ضوء الشمس المصدر الأساسي للنور على سطح الأرض، حيث تساهم الطاقة المنبعثة من الشمس في عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء، مما يؤدي إلى إنتاج السكريات.

في الماضي، كانت النار تمثل مصدراً هاماً للضوء، ولكن مع التطور التكنولوجي، اعتمد الإنسان على المصابيح الحديثة والإضاءة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، بعض الكائنات الحية، مثل اليراعات وبعض أنواع الحبار، قادرة على إنتاج الضوء من أجسامها.

تعتبر الإشعاعات الحرارية أيضاً مصدراً للضوء، حيث تنبعث الحرارة في جميع الاتجاهات وتصل إلى سطح الامتصاص بسرعة الضوء، ولا تحتاج إلى وسيط ناقل. مثال على ذلك هو تسخين الشمس لسطح الأرض.

نظرة في تاريخ النور

يعود الفضل للإغريق القدماء في وضع بعض النظريات المتعلقة بالضوء، ولكن هذه النظريات ظلت سائدة دون إثباتات علمية قاطعة. خلال العصور الوسطى، ساهم العلماء المسلمون بشكل كبير في تطوير فهمنا للضوء. على رأس هؤلاء العلماء يبرز اسم الحسن بن الهيثم، الذي قدم شروحات مفصلة لطبيعة الضوء ووظيفته الأساسية، بالإضافة إلى شرح عمل المرايا وحالات الخسوف والكسوف، وتوضيح عملية الإبصار في علم البصريات.

ماهية الضوء

لطالما كان الجدل قائماً بين العلماء حول ما إذا كان الضوء موجة أم جسيم. في القرن السابع عشر، اقترح العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن، أن الضوء عبارة عن تيار مستمر من الجسيمات. في المقابل، رأى العالم الهولندي كريستيان هيوغنز أن الضوء عبارة عن موجات.

استمر الخلاف حول طبيعة الضوء حتى الآن، وذلك لأن الضوء يظهر خصائص الموجة مثل الانعكاس، وفي الوقت نفسه، يظهر خصائص الجسيم. في القرن العشرين، توصل الفيزيائيون إلى أن الضوء يمكن اعتباره جسيماً وموجة في نفس الوقت، وهي خاصية تُعرف باسم ازدواجية الموجة والجسيم.

السمات المميزة للضوء

الانعكاس والانكسار

عندما يسقط الضوء على سطح يفصل بين مادتين ذات معامل انكسار مختلف، يحدث أمران: انعكاس الضوء الساقط بزاوية محصورة بين الخط العمودي على السطح وخط الضوء الساقط عليه، حيث تكون زاوية السقوط مساوية لزاوية الانعكاس. بالإضافة إلى ذلك، يحدث انكسار للضوء بزاوية تعتمد على زاوية السقوط ونوع المادة، وبالتالي يعبر الضوء السطح ذي معامل الانكسار المختلف إذا كانت المادة تسمح بمرور الضوء من خلالها (شفافة).

التشتت الضوئي

ينتج عن اختلاف معامل الانكسار لكل طول موجي للضوء تأثير يسمى التشتت الضوئي. مثال على ذلك هو مرور الضوء الأبيض في منشور ثلاثي، حيث ينكسر الضوء داخل المنشور بزوايا مختلفة تبعاً للأطوال الموجية. عند خروج الضوء من المنشور، تظهر الأطوال الموجية للألوان المختلفة الناتجة عن انكسار الضوء الأبيض. أطول طول موجي للإشعاعات الناتجة هو الطول الموجي للأشعة الحمراء، حيث أن معامل الانكسار لها أقل من معامل الانكسار للإشعاعات المنكسرة الأخرى كالبنفسجي.

الامتصاص

عند مرور الضوء في مادة شفافة، تتشتت بعض طاقته على شكل طاقة حرارية، مما يقلل من شدة الضوء. وعند امتصاص الطاقة الحرارية للأطوال الموجية المختلفة للضوء، فإن الضوء المار في هذه المادة الشفافة يظهر فقط الأطوال الموجية التي لم يتم امتصاصها. لذلك، يظهر هذا الضوء المار على هيئة لون يسمى لون امتصاص المادة.

سرعة الضوء

تبلغ سرعة الضوء في الفراغ حوالي 1.07 مليار كيلومتر في الساعة. أول تجربة لقياس هذه السرعة كانت من قبل عالم الفيزياء الدنماركي رومر في عام 1676 باستخدام التلسكوب. استنتج رومر أن حساب سرعة الضوء يتطلب 22 دقيقة لاجتياز قطر الأرض، ولكنه لم يتمكن من تحديد السرعة بدقة. فيما بعد، أجرى العالمان الفرنسيان هيبوليت فيزو وليون فوسلت تجربة أكثر دقة في القرن التاسع عشر، وتوصلا إلى نتائج أكثر دقة، حيث أظهرا أن سرعة الضوء تبلغ 315 مليون متر في الثانية. أجريت العديد من التجارب الأخرى من قبل علماء مثل ويلهيم إدوارد، ويبر، هيوغنز، إسحاق نيوتن، وألبرت آينشتاين لتحسين دقة قياس سرعة الضوء.

آلية إبصار الإنسان للضوء

عندما يسقط الضوء على جسم ما، يمتص الجسم جزءاً من الضوء ويعكس الجزء الآخر. تعتمد الأطوال الموجية الممتصة والمنعكسة على خصائص الجسم نفسه. عند النظر إلى الجسم، تنعكس موجات الضوء من على سطح الجسم وتدخل إلى شبكية العين الحساسة للضوء. تقوم المخاريط الموجودة في الشبكية بالنشاط بشكل مختلف اعتماداً على حساسيتها للون معين (64% من مخاريط الإنسان حساسة للون الأحمر، 34% حساسة للون الأخضر، و 2% حساسة للون الأزرق). تنتقل الإشارة الناتجة عبر العصب البصري إلى القشرة البصرية في الدماغ، والتي تقوم بتحليلها. يتميز الإنسان بقدرته على تمييز الألوان بشكل أفضل من معظم الثدييات بسبب طبيعة المخاريط الموجودة لديه، ولكن بعض الحيوانات (كالطيور والأسماك) تمتلك عدداً أكبر من المخاريط، مما يجعلها قادرة على رؤية أطوال موجية غير التي يراها الإنسان (كالأشعة فوق البنفسجية).

المصادر

• Prof. Stephen A. Nelson (17-10-2014),”Properties of Light and Examination of Isotropic Substances”،Tulane University, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Aparna Vidyasagar (31-7-2015),”What Is Photosynthesis?”،Live Science, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• “A Brief History of Lighting”,Illuminating Engineering Society, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Melissa Breyer (25-6-2014),”Fireflies! 12 things you didn’t know about lightning bugs”،Mother Nature Network, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Adam H Graham (9-6-2015),”Japan’s mysterious glowing squid”،BBC, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• “Thermal radiation”,Britannica,20-7-1998، Retrieved 1-2-2017. Edited.
• J. J. O’Connor and E. F. Robertson (August 2002),”Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell”،University of St Andrews, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• J. J. O’Connor, E. F. Robertson (November 1999),”Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham”،University of St Andrews, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Chris Woodford (1-4-2016),”Light”،ExplainThatStuff, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Matt Williams (6-9-2016),”What is the Speed of Light?”،Universe Today, Retrieved 1-2-2017. Edited.
• Stephanie Pappas (29-4-2010),”How Do We See Color?”،Live Science, Retrieved 1-2-2017. Edited.