سرعة الضوء في الماء هي ثلاثة أرباع سرعة الضوء في الفراغ. سرعة الضوء في الزجاج هي ثلثي سرعة الضوء في الفراغ.
حسبت سرعة الضوء بالفراغ و كانت القيمة المحسوبة 299،792،458 متر في الثانية، أما عند مرور الضوء في أوساط شفافة فان سرعته تقل كما أنه من الممكن ان يتعرض للانكسار و الانعكاس حسب طبيعة الوسطين اللذين يعبرهما.
المفعول الكهروضوئي
تحدث ظاهرة المفعول الكهروضوئي (photoelectric effect) عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير إلكترونات من سطح المعدن. ذلك لأن جزءا من طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بذرات المعدن فيتحرر منه ويكتسب طاقة حركة وهذه العملية تعتمد على تردد موجة الضوء .
بقيت النظرية الموجية للضوء سائدة زمن طويل حتى نهاية القرن التاسع عشر إلى أن إكتـُشف المفعول الكهرضوئي فعمل على قلب المفاهيم عن طبيعة الضوء.
المفعول الكهرضوئي يتلخص فيمايلي: يسلط إشعاع ضوئي على معدن موضوع في ناقوس مفرغ من الهواء وفي وجود حقل كهربائي مطبق بين قطبين مربوطين بمقياس التيار الكهربائي. في حالة عدم وجود أي إشعاع يشير مؤشر الجهاز إلى الصفر. وعند تسليط الإشعاع يلاحظ تحرك مؤشر الجهاز دلالة على وجود تيار كهربائي ، أي أن عددا من الإلكترونات انتـُزعت من المعدن وانتقلت تحت تأثير الحقل الكهربائي إلى القطب الموجب. إلى هنا لا شيء يتناقض مع النظرية الموجية, حيث يمكن الافتراض ان طاقة الموجة( والمتناسبة مع مربع سعة الموجة) انتقلت إلى إلكترونات المعدن. لكن التجربة أثبتت أن طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدة الإشعاع ولكن على تواتره : تستجيب الإلكترونات في الذرة لتردد شعاع الضوء بصفة خاصة ، وزيادة شدة الإشعاع يُزيد فقط عددالإلكترونات .
العلاقة بين طاقة الإلكترونات E وتواتر الإشعاع f خطية:
V − hf = E
حيث V هو جهد التأين للمعدن ويسمى كذلك جهد الخروج, h هو ثابت بلانك وهو العدد المميز لميكانيكا الكم وهو يعطي العلاقة بين تردد الموجة وطاقة الموجة . وجهد التأين خاصية من خواص المادةويعتمد على التوزيع الإلكتروني لذرةالعنصر ، ومقداره يختلف من عنصر إلى عنصر.
أول من قدم تفسير هذا المفعول كان ألبرت آينشتين فحسب هذا الأخير فإن الضوء يصدر في شكل كمات منفصلة من الطاقة تسمى فوتونات كل فوتون يحمل معه مقدارا من الطاقة يساوي جداءالتواتر بثابت بلانك.
ملاحظة: عكس ما يعتقد البعض فإن أينشتين حصل على جائزة نوبل على أعماله حول المفعول الكهروضوئي وليس عن النظرية النسبية
المنابع الضوئية
ناك العديد من المنابع الضوئية. وأكثر هذه المنابع شيوعا هي المنابع الحرارية: وهي عبارة عن جسم يصدر عند درجة حرارة معينة طيفًا مطابقًا لإشعاع الجسم الأسود. ومن الأمثلة على ذلك الطيف (الإشعاع المنبعث من جو الشمس (بالإنجليزية: Chromosphere) عند ذروة منحني بلانك حوالي 6000 كلفن من الطيف الكهرومغناطيسي)، المصابيح الكهربائية المتوهجة (التي تصدر فقط حوالي 10 ٪ من طاقتها كضوء مرئي والباقي كأشعة تحت الحمراء)، والجزيئات الصلبة المتوهجة في النيران.
الذروة في طيف الجسم الأسود ينزاح في اتجاه مجال الأشعة تحت الحمراء للأجسام الباردة نسبيا مثل البشر. وكلما ازدادت درجة حرارة الجسم (كالحديد المنصهر)، تنزاح الذروة إلى أطوال موجية أقصر ، مولدة أولا توهجًا أحمرًا، ثم توهجًا أبيضًا، وأخيرًا توهجًا أزرقًا حين تنزاح الذروة خارجة من الجزء المرئي من الطيف داخلة إلى مجال الأشعة فوق البنفسجية. يمكن رؤية هذه الألوان عند تسخين المعدن إلى درجات حرارة عالية فنرى اللون الأحمر ثم اللون الأبيض . أما الإصدارات الحرارية الزرقاء فلا يمكن رؤيتها غالبًا. و اللون الأزرق الذي نراه في لهب الغاز أو مشعل اللحام هو في الواقع نتيجة لانبعاثات جزيئية، وخصوصًا من جذور CH الحرة (تصدر حزمة موجية طولها حوالي 425 نانومتر).
تصدر الذرات الضوء وتمتصه عند طاقات مميزة . مما يولد خيوط الإصدار الذري في طيف كل ذرة. يمكن للإصدار أن يكون تلقائيا(Spontaneous emission)، كما في حالة مصباح ثنائي باعث للضوء (بالإنجليزية: Light-emitting diode)، ومصباح التفريغ الغازي (بالإنجليزية: Gas-dis--xx--ge lamp) (مثل مصابيح النيون (بالإنجليزية: Neon lamp)، ولافتات النيون (بالإنجليزية: neon sign)، ومصابيح بخار الزئبق (بالإنجليزية: Mercury-vapor lamp)، وغيرها)، واللهب (ضوء صادر عن الغاز الساخن نفسه، على سبيل المثال، يـُصدر الصوديوم ضوءا أصفرا عند وضعه في لهب الغاز). ويمكن أيضا أن يكون الإصدار محفزًا (بالإنجليزية: Stimulated emission)، كما هو الحال في الليزر أو في الموجات الدقيقة للمايزر.
تباطؤ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات ، يمكن أن يُولد إشعاعًا مرئيًا: إشعاع سيكلوتروني (بالإنجليزية: cyclotron radiation)، وإشعاع سنكتروني (بالإنجليزية: synchrotron radiation)، وأشعة انكباح (بالإنجليزية: bremsstrahlung radiation). الجسيمات الأولية المتحركة بسرعة أكبر من سرعة الضوء ضمن وسط ما يمكن أن تولد إشعاع شيرنكوف (بالإنجليزية: Čerenkov radiation).
تُولد بعض المواد الكيميائية إشعاعًا مرئيًا بعملية التألق الكيميائي (بالإنجليزية: chemoluminescence). وكذاك في الأجسام الحية، تسمى هذه العملية بالتألق الحيوي. فمثلا تقوم اليراعة بتوليد الضوء بهذه الطريقة، ويمكن للمراكب المبحرة في الماء أن تميز البلانكتون الذي يولد توهجًا ضعيفًا. تقوم بعض المواد بتوليد الضوء عندما تضاء بإشعاع ذي طاقة تناسب توزيعها الإلكتروني . تعرف هذه الظاهرة بالفلورية. وتستخدم في المصابيح الفلورية. تصدر بعض المواد الضوء بعد فترة قصيرة من تحفيزها بإشعاع طاقي، وتعرف هذه الظاهرة باسم الفسفورية.
يمكن تحفيز المواد الفسفورية بتسليط جسيمات دون الذرية عليها. والتألق المهبطي (بالإنجليزية: Cathodoluminescence) هو أحد الأمثلة على ذلك . هذه الآلية تستخدم في الرائي ذو أنبوب الأشعة المهبطية.
ويوجد آليات أخرى لإنتاج الضوء:
-
وميضw:en:Scintillation (physics)
-
تألق كهربائيw:en:electroluminescence
-
تألق صوتيw:en:sonoluminescence
-
استضاءة احتكاكيةw:en:triboluminescence
-
إشعاع شيرنكوفw:en:Cherenkov radiation
عندما يمتد مفهوم الضوء ليشمل الفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا (أشعة غاما)، فإن آليات توليد الضوء تشمل أيضًا:
فناء الجسيم – الجسيم المضاد.
ميزت هيئة الإضاءة الدولية بين المنبع الضوئي والمضياء. المنبع الضوئي هو مصدر فيزيائي للضوء، مثل الشمس والمصابيح، بينما يشير مصطلح مضياء إلى توزيع قدرة طيفية خاص. وبالتالي يمكن توصيف المضياء مسبقًا، ولكن قد لا يمكننا تصنيعه عمليًا. [1]
نظريات
لقد كان يٌعـتقد حتى نهاية القرن الثامن عشر بأن الضوء شبيه بالصوت ويحتاج إلى وسط مادي حتى ينتقل ويسمى هذا الوسط بالأثير الذي كان يعرفه العلماء بأنة مادة رقيقة جداً ذات كثافة متناهية في الصغر وذلك لتبرير إن الأثير لا يمكن ملاحظته ولكن تجربة ( ميكلسون- مورلي) أثبت إن الأثير غير موجود.
ففي عام 1905م وضع اينشتاين فرضاً لحل هذه المشكلة والفرض يقول :
(إذا كان هناك عدد من الراصدين يتحركون بسرعة منتظمة كل منهم بالنسبة للآخر وأيضاً بالنسبة للمصدر الضوئي وإذا كل من الراصدين يقيس سرعة الضوء الخارج من المصدر فأنهم جميعاً سيحصلون على نفس القيمة لسرعة الضوء ) .
هي نفس فكرة جاليلو عام 1600م وهذا الفرض هو أساس النظرية النسبية الخاصة والتي استغنت عن فكرة وجود الأثير. وأثبت أن سرعة الضوء ثابتة في جميع المراجع.
نظرية الدقائق لنيوتن
تصور نيوتن أن الجسم المضيء تنبعث منة جسيمات دقيقة كروية تامة المرونة و تسير بسرعة منتظمة كبيرة جداً وتختلف من وسط إلى آخر حسب كثافته. وتكون حركة هذه الجسيمات الكروية في خطوط مستقيمة في الوسط المتجانس الواحد وقد استدل نيوتن على أن الأشعة الضوئية عندما تصطدم بسطح عاكس فأن زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس كاصطدام كرة تامة المرونة بسطح أملس مرتدة بحيث زاوية سقوطها تساوي زاوية انعكاسها.
أما في ظاهرة الانكسار فأنه قد فسره نيوتن عندما تخترق هذه الجسيمات الكروية الضوئية أوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أو الزجاج فأنها تنكسر داخل كل وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها. فعند انتقال الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل ومعنى ذلك أن المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر سوف تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين .
وبذلك سوف تزداد السرعة المحصلة أي أن سرعة الضوء في الوسط الكثيف سوف تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي أن سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط). وهذا غير صحيح ويخالف التجارب العلمية حيث أن سرعة الضوء تكون أكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد كلما قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.
نظرية ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية
وجد ماكسويل أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية سرعتها تساوي سرعة الضوء. أي أن الضوء موجات كهرومغناطيسية ذات طاقة ، وقد أتضح أن الشحنة الكهربائية تولد مجالاً كهربائياً حولها وهي ساكنة ، وتولد مجالاً مغناطيسياً وهي متحركة. كذلك التغير في المجال الكهربائي يولد مجالاً مغناطيسياً، وهذا نص قانون (أمبير). وأن التغير في المجال المغناطيسي يولد مجالا كهربائيا وهذا نص قانون (فاراداي). هذه الحقيقة هي أصل تكوين الموجات الكهرومغناطيسية حيث أن شحنة كهربائية متذبذبة تولد في الفضاء مجالين كهربائي و مغناطيسي ،أي مجالاً (كهرومغناطيسي) متغير وهذا المجال يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء نفسها (3exp8 متر /ثانية) أي 300000 كيلومتر /ثانية.
C =1/ ((ε.μ)^(1/2)) = 3 exp8
أما شدة الضوء (I) أو شدة الموجة الكهرومغناطيسية فهي
(الطاقة في وحدة الزمن لوحدة المساحة وعمودية على اتجاه انتشار الموجة) . I= ε . (Eexp2) . c
حيث (E) شدة المجال الكهربائي أو المغناطيسي (B).
يحدد المدى التقريبي للطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديو ذات الطول الموجي الطويل إلى أشعة جاما ذات الطول الموجي القصير جداً والطاقة العالية. والضوء المرئي أي الذي يمكن للعين البشرية رصد موجاته يقع بين مدى من فوق البنفسجي إلى تحت الأحمر .ومن الجدير بالذكر أنة لا توجد حدود تفصل مناطق الطيف من بعضها البعض.
عندما تسقط الموجات الكهرومغناطيسية على سطح ما وبصورة عمودية فأن الجسم يمتص تلك الأشعة وأن قوة تسمى قوة الأشعاع تظهر وتحسب من خلال العلاقة التالية :
F= P/ ©
حيث P هي الطاقة لكل وحدة زمن أي القدرة للموجة الكهرومغناطيسية الممتصة ويمكن الحصول على P من خلال العلاقة التالية:
P= (u) / c
حيث u هي الطاقة الكهرومغناطيسية.
نظرية اينشتاين للفوتون
من أهم العلماء الفيزيائيين الذين قاموا بتفسير سلوك الضوء حول العالم بلانك الذي درس الطاقة الأشعاعية المنبعثة من الاجسام الساخنة واستطاع حسابها بالقانون التالي:
E= h . f
حيث (E) هي الطاقة و (h) هو ثابت يسمى ثابت بلانك ويساوي 6.635exp-34 J.s جول. ثانية. و (f) هو التردد الضوء المنبعث.
وأن الضوء ينبعث على شكل كمات صغيرة سماها الفوتون واقترح اينشتاين على أساس فرض بلانك أن الطاقة في الحزم الضوئية تنتشر في الفراغ بشكل حزم مركزة من الطاقة وهي الفوتونات ويكون انبعاثها على شكل كمات أي دفعات واقترح أن الضوء المار خلال الفراغ لا يسلك سلوك الموجة إطلاقاَ بل سلوك جسيم الفوتون وبذلك تعارض اينشتاين في أول الأمر مع مبدأ النظرية الموجية للضوء التي حققت نتائج مخبريه عظيمة ولكن بعد مرور فترة زمنية أيد اينشتاين فكرة النظرية الموجية وعارض نفسه أي عارض مبدأ سلوك الجسيمات.
وفي عام 1924م وضع العالم الفرنسي دي بروجلي مبدأ هام جداً وهو المبدأ السائد حتى الآن والذي نال على أثرة شهادة الدكتوراه في الفيزياء وينص على:
( أن للضوء صفة مزدوجة فهو يسلك سلوك الموجة تحت ظروف معينة - (وهذا يفسر الانعكاس والانكسار والاستقطاب و الحيود و التداخل وهذا ما يتفق مع نظرية ماكسويل)- وأن الضوء يسلك سلوك الجسيم (الفوتون) تحت ظروف أخرى -(وهذا يفسر تفاعل الضوء مع المواد والظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كومبتون وغيرها وهذا ما يتفق مع نظريات اينشتاين و نيوتن ) .
وهذا يعني أن للمادة صفة مزدوجة فإذا كان لدينا جسم كتلته (m) يتحرك بكمية حركة (p) فأن طول الموجة المصاحبة له تعطى من خلال القانون التالي :
λ = (h) / P
ومن وجه نظري فأن هذا القانون مهم جداً وهو محور النظرية الكمية لاحظ في القانون أن
P. λ= h
حيث أن (p) تمثل الاعتبارات الجسيمية( P = m . v حيث v سرعة الجسيم ) و (λ) طول الموجة وحاصل ضربهم هو ثابت بلانك (h). ويعني بشكل أدق أنه يمكن القول بأن حزمة أي حزمة ضوئية لها تردد وطول موجي ويمكن اعتبارها موجة ويمكن القول أن الحزمة الضوئية مشكلة من الفوتونات أي لها طاقة حركة وكمية حركة.
النظرية الموجية الكمية
لدراسة انتقال الطاقة كحركة موجية يتطلب عادة وسط حيث تتذبذب جزيئات الوسط. فالجسيم المتذبذب يؤثر بقوة على جارة فتجعله يتذبذب أيضاً وبهذه الطريقة فأن الحركة من جسيم إلى آخر وبالتالي يتم انتقال الطاقة الموجية في المادة ، وهي حالة مشابهة لما يحدث في الماء عندما تنقل الطاقة إلى الضفة دون أن تنتقل جسيمات الماء نفسه أو انتقال الصوت في الهواء . وفكرة الأثير ابتكرت كي يكون هذا الوسط هو الوسط الناقل للضوء بالطريقة السابقة. ولكن الضوء حسب النظرية الكهرومغناطيسية لا يحتاج إلى وسط فهو يأتي من الشمس أي في الفراغ الذي لا وسط فيه وبسرعة الضوء المطلقة وبعد ذلك تبين من النظرية الكهرومغناطيسية أن الموجة الكهرومغناطيسيةعبارة عن تغير مجالين متوافقين بنفس التردد ، أحدهما كهربائي (E) و والآخر مغناطيسي (B).
وقد عُرفت جبهة الموجة على أساس ذلك بأنها المحل الهندسي لجميع النقاط ذات الطور الواحد.
