ما هو حيود الضوء

بواسطة: - آخر تحديث: ٠٦:٢٤ ، ٣٠ سبتمبر ٢٠١٩
ما هو حيود الضوء

تعريف الضوء

يمكن تعريف الضوء على أنه الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكن ملاحظته باستخدام العين المجردة، كما يمكن القول بأن الضوء وسيلة أساسية لإدراك العالم والتواصل فيه، ويمتد هذا الإشعاع على مدى واسع من الأطوال الموجية من أشعة غاما وحتى موجات الراديو، ويكون امتداد الأشعة المرئية للبشر من 400 نانو متر للضوء البنفسجي إلى 700 نانومتر للضوء الأحمر، وتتكون المنطقة الطيفية المجاورة للشريط المرئي من أشعة فوق بنفسجية على أحد الأطراف وأشعة تحت حمراء على الطرف الآخر، كما أن سرعة الضوء في الفراغ ثابتة حيث تبلغ 186.282ميلًا في الثانية، وفيما يأتي سيتم التحدث عن طبيعة الضوء وأنواعه وبعض خصائصه، كما سيتم التحدث بالتفصيل عن ما هو حيود الضوء.[١]

الطبيعة الثنائية للضوء

قبل التعرف على إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" يمكن تعريف الطبيعة الثنائية للضوء على أنها قدرة الضوء على عرض خصائص كل من الأمواج والجسيمات حسب الحالة المتواجد فيها، ففي بعض الأحيان يتخذ الضوء مسارًا مثل الجسيمات؛ أي ينتقل في خطوط مستقيمة بسرعة كبيرة جدًا، وفي بعض الأحيان يتخذ مسارًا مثل الموجات، أي أنه ينتقل في الفراغ وينحني أو ينحرف حول جسم ما إذا اعترض طريقه، فعلى سبيل المثال لا يمكن تفسير ما هو حيود الضوء وما هو تداخله وما هو استقطابه إلا إذا كان الضوء ذو طبيعة موجية، ولا يمكن تفسير ظاهرة الانعكاس وانكسار الضوء إلا إذا كانت الأشعة مكونة من جزيئات، ومن خلال نظرية الكم يمكن القول بأن ثابت بلانك يحدد هذه الطبيعة للضوء.[٢]

أنواع الأشعة الضوئية

يشمل الطيف الكهرومغناطيسي جميع ترددات الموجات، وتتكون هذه الموجات من فوتونات تنتقل عبر الفراغ لتتفاعل مع المادة، وخلال انتقالها تتعرض لظواهر كالانعكاس والانكسار وحيود الضوء، وسوف يتم تفصيل ما هو حيود الضوء لاحقًا، أما في ما يأتي فسوف يتم ذكر أنواع الأشعة الضوئية:[٣]

  • موجات الراديو: تمتلك موجات الراديو أقل الترددات بين الموجات الضوئية، ويمكن استخدام هذه الموجات لحمل إشارات إلى أجهزة استقبال تترجم هذه الموجات إلى معلومات قابلة للفهم والاستخدام، كما تنبعث هذه الموجات بكميات مختلفة من النجوم والكواكب وغيرها من الأجسام الفضائية، وتعتمد شركات الهواتف أيضًا على موجات الراديو التي تحمل إشارات تُنقل عبر الهوائيات.
  • الموجات الدقيقة: وهي ثاني أقل الموجات ترددًا في الطيف الضوئي، يتم استخدام هذه الموجات في أفران الميكروويف والمكالمات الهاتفية الأرضية ونقل بيانات الكمبيوتر، ويشع هذا النوع من الموجات من جميع أنحاء الكون.
  • موجات الأشعة تحت الحمراء: يقع هذا النوع من الموجات في المدى المتوسط الأدنى في الطيف الكهرومغناطيسي، وتستخدم هذه الموجات في أجهزة التحكم عن بعد وتقنيات التصوير.
  • الضوء المرئي: تعد الشمس المصدر الأساسي للضوء المرئي الذي يتيح للكائنات الحية رؤية العالم من حولها.
  • الموجات فوق البنفسجية: وهي موجات ذات أطوال موجية أقصر من الضوء المرئي، ويمكن أن تتسبب هذه الموجات بالسرطانات في الكائنات الحية، وتساعد هذه الموجات في التعرف على بنية المجرات.
  • الأشعة السينية: تمتلك الأشعة السينية موجات عالية الطاقة ذات طول موجي يتراوح بين 0.03 إلى 3 نانومتر، وتنتج هذه الأشعة من مصادر ذات حرارة عالية جدًا مثل الشمس، كما يدخل استخدامها في تقنية التصوير لعرض الهيكل العظمي داخل الجسم.
  • موجات غاما: هي أعلى الموجات ترددًا، وتنبعث هذه الأشعة من الجسيمات الكونية الأكثر نشاطًا مثل النجوم النابضة والنيوترونية والثقوب السوداء، ويمكن لهذه الأشعة تدمير الخلايا، ومن حسن الحظ أن الغلاف الجوي للأرض يقوم بامتصاصها فيحمي الكائنات الحية من أضرارها.

ميزات وخصائص الضوء

يتخذ الضوء العديد من المسارات مثل الانكسار والانعكاس والحيود، والعديد من هذه الظواهر المتعلقة بالضوء ولكن قبل التعمق في مسألة سلوكات الضوء وما هو حيود الضوء يجب التحدث عن بعض الخصائص المتعلقة في الضوء وفي ما يأتي بعض هذه الخصائص: [٤]

  • يتحرك الضوء في خطوط مستقيمة تسمى خطوط انتشار الضوء.
  • يعد الضوء موجات كهرومغناطيسية.
  • يبقى تردد الضوء ثابتًا عند انتقاله من وسط إلى آخر.
  • يتغير الطول الموجي للضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر .
  • يرتد الضوء عن السطوح المصقولة عند سقوطه عليها.
  • تزيد أو تقل سرعة الضوء عند انتقاله من وسط إلى آخر.
  • يمتلك الضوء القدرة على اختراق الأجسام الشفافة.
  • يمتلك الضوء طولًا موجيًّا صغيرًا جدًا.

من أين يأتي الضوء

قبل التحدث أيضًا عن ما هو حيود الضوء وما هي سلوكاته الأخرى لا بد من معرفة من أين يأتي الضوء وكيفية تكونه في الذرات، فمن المعروف أن الكون يملك كمية ثابتة من الطاقة، ولا يوجد طريقة في الكون يمكن من خلالها خلق الطاقة أو تدميرها، ولكن من الممكن أن تتخذ الطاقة أشكالًا مختلفة، وهذا ما يحصل في حالة الضوء، إذ يتكون الضوء داخل الذرات، بحيث تتحول الطاقة التي تكتسبها الذرات إلى طاقة ضوئية، ويمكن تلخيص عملية تكون الضوء في الذرات بثلاث خطوات وهي كالآتي: [٥]

  • تكون الذرات في حالة استقرار وتكون الإلكترونات في أماكنها الطبيعية.
  • تمتص الذرات طاقة ما، فتقوم بطرد إلكترون واحد أو عدد من الإلكترونات بعيدًا عن نواة الذرة إلى مستويات طاقة أعلى، بحيث تتذبذب الإلكترونات داخلها، وبذلك تكون الذرات في حالة إثارة غير مستقرة.
  • تحاول الذرات العودة إلى حالتها المستقرة بسرعة، من خلال إطلاق الطاقة الزائدة التي اكتسبتها على شكل حزم من الضوء تدعى بالفوتونات.

سلوكات الضوء

يتحرك الضوء بخط مستقيم ولكنه يتخذ أحد أربع سلوكات مختلفة عند تعرضه لظروف معينة، وهذه السلوكات هي الانكسار والانعكاس والتداخل والحيود، بحيث سيتم شرح أول ثلاث سلوكات بينما سيتم تفصيل ما هو حيود الضوء لاحقًا بشكلٍ موسع، وفيما يأتي شرح للانكسار والانعكاس والتداخل:[٦]

  • الانعكاس: تعد مصادر الضوء المختلفة كالشمس ومصادر الضوء المصنّعة السبب الأساسي لقدرة الكائنات الحية على الرؤية، ويتم ذلك عن طريق إرسال الأشعة من أحد هذه المصادر نحو الأجسام وانعكاسها بحيث تقوم العين باستقبالها، ومن الممكن أن تتم عملية الانكسار للضوء على كل من الأسطح الملساء والخشنة.
  • الانكسار: يعرف الانكسار على أنه انحناء الأشعة الضوئية عند انتقالها من وسط إلى آخر، وعادةً ما يكون الانكسار في الأسطح ذات الكثافة العالية كالزجاج والبلاستيك والماء، ويعتمد الانكسار على تباطئ سرعة الضوء عند الانتقال بين الأوساط المختلفة، ومن الممكن ملاحظة الانكسار على السطح الفاصل بين الوسطين.
  • التداخل: تتم عملية التداخل من خلال إرسال مصدران للضوء للموجات معًا، فتلتقي هذه الموجات وتتداخل مع بعضها البعض في بعض الأماكن، فيتغير حجم الموجات حسب أماكن التداخل، فقد تصبح الموجات أكبر أو قد تُلغى نهائيًا، كما تكون الموجات في حالات التداخل ملونةً للغاية، ويمكن استخدام خاصية التداخل في قياس المسافات الصغيرة باستخدام أشعة الليزر.

ما هو حيود الضوء

يعرف الحيود بشكلٍ عام على أنه تغير اتجاه الأمواج عند مرورها بفتحة أو مواجهتها لعقبةٍ ما، فأمواج الماء والصوت تتمتع بالقدرة على التنقل حول العواقب والزوايا وعبر الفتحات، ولكن هل للضوء نفس القدرة وما هو حيود الضوء؟

يمكن إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" والتعرف على مفهوم حيود الضوء بتوضيح بسيط؛ فعندما يتعارض عائق ما مع خط سير الضوء، فسيتسبب هذا العائق في حجب الضوء وتكوين ظل خلفه، مما ينوه إلى عدم قدرة الضوء على الالتفاف والانحناء خلف هذه العقبة، ولكن بالواقع أن هذا الالتفاف قد تم، فعند تدقيق النظر على حواف ظل العائق سيتم الملاحظة أن الحواف ضبابية وذلك يحصل بسبب تداخل الضوء نتيجة حيوده حول أطراف الجسم الذي تكون ظله. [٧]

ولتوضيح "ما هو حيود الضوء؟"، يمكن النظر إلى ضوء الشارع في الظلام عن طريق إغلاق العينين إلى حد كبير مع ترك جزء بسيط مفتوح، سيتم ملاحظة انتشار الضوء على شكل خطوط غريبة حين يمر بين الفتحات الضيقة بين الجفون والرموش، وكلما قام الشخص بإغلاق عينيه بشكل أكبر كلما لاحظ زيادة انتشار الضوء حتى يختفي تمامًا عند إغلاق العينين. [٦]

تطبيقات على حيود الضوء

بعد التعرف على إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" والسلوكات الأخرى التي يتخذها الضوء، يجب الحديث عن بعض الأمثلة والتطبيقات التي يتم استخدام حيود الضوء فيها، فلقد استطاع العلماء توظيف هذا السلوك الضوئي لإنتاج العديد من الأجهزة العلمية، كما قد تظهر آثار الحيود كنتيجة ثانوية لتصنيع شيء ما، فمن الممكن أن يحد من شدة الوضوح في الكاميرات أو التلسكوب أو المجاهر،[٨]وفي ما يأتي بعض الأمثلة والتطبيقات على حيود الضوء:

  • استخدام حيود الثقوب المتعددة لتحليل الضوء إلى طيفه الأساسي.[٩]
  • عملية التصوير المجسم ودراسة البلورات بالأشعة السينية.[٩]
  • تصنيع مقياس الطيف لمعرفة مكونات مادة ما، فمن خلال الحيود يمكن معرفة مكونات النجوم ودرجة حرارتها.[٩]
  • تصميم هيكل شبكي ينتج عنه أي نمط حيود مطلوب، مثل الهولوغرام الموجود على بطاقات الائتمان.[٨]

ما هو حيود الضوء في دراسة البلورات

بعد التحدث عن إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" من الممكن أيضًا الحديث عن علاقته بدراسة البلورات باستخدام الأشعة السينية، إذ تستخدم الأشعة السينية لتحديد التركيب الذري والجزيئي للبلورة، بحيث تتسبب ذرات البلورة بانحراف الأشعة السينية في العديد من الاتجاهات المحددة، وبذلك تنتج دراسة البلورات بالأشعة السينية صورة ثلاثية الأبعاد لكثافة الإلكترونات داخل البلورة، عن طريق تحديد زوايا وشدة حزمة الأشعة بعد حيودها، وهنالك العديد من المعلومات التي يستطيع العلماء استنتاجها بعد تحديد كثافة الإلكترونات داخل البلورة، والتي تشمل: المواقع النسبية للذرات داخل البلورة، الروابط الكيميائية التي تكونها هذه الذرات، والاضطرابات التي تتعرض لها هذه الذرات.[١٠] يقوم مبدأ عمل دراسة البلورات بالأشعة السينية على وضع البلورة فوق مقياس زوايا لقياس حيود الأشعة السينية، ومن ثم يتم تحريك البلورة تدريجيًا مع تعريضها لحزمة من الأشعة السينية، مما ينتج نمطًا نقطيًا متباعدًا بانتظام لحيود الأشعة تعرف بانعكاسات الأشعة، وبعد ذلك يتم تحويل الصور ثنائية الأبعاد التي تم التقاطها إلى نموذج ثلاثي الأبعاد يصف كثافة الإلكترونات داخل البلورة عن طريق المعادلات الرياضية المختلفة والمعلومات الكيميائية المتوفرة للعينة[١٠].

حيود الضوء وتجاربه

بعد التعرف على إجابة سؤال:"ما هو حيود الضوء؟" لا بد من الحديث عن أنماطه، وهنالك ثلاثة أنواع من الأنماط من المهم الحديث عنها عند تفصيل إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟"، إذ يختلف نمط الحيود حسب الشقوق التي يتحرك من خلالها الضوء، وفيما يأتي سيتم ذكر حيود الشق الأحادي، حيود الشق المزدوج، وحيود الشقوق المتعددة.

حيود الشق الأحادي

يمكن توضيح إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" بشكل أكبر بأنه انحراف الضوء عند اعتراض أمواجه عن طريق شق أو جسم ما، ولكن الحيود في الضوء لا يلاحظ بشكل كبير حول الأجسام الكبيرة بسبب الطول الموجي الصغير للضوء، أما في حالة حيود الشق الأحادي، فيتم تسليط ضوء أحادي اللون من خلال شق صغير ذو طول مشابه للطول الموجي للشعاع للتمكن من ملاحظة هذا الحيود، فعند توجيه الضوء من خلال الشق يتم الحصول على نمط متداخل على السطح الذي ينعكس عليه الضوء، ولكن اكتشف العالم هيوجن أن الشعاع الواحد من الضوء يتكون من العديد من الموجات الصغيرة، فتتداخل هذه الموجات الصغيرة منتجةً نمط من المناطق الداكنة والمضيئة عند انعكاسها على سطح ما، وهنالك نوعان من التداخل في حالة الشق الواحد وهما؛ تداخل هدّام وتداخل بنّاء، ويختلف النوعان اعتمادًا على وصول الموجات المتداخلة في نفس الوقت من عدمه.[١١]

حيود الشق المزدوج

لقد تمت معارضة فكرة هيوجن عن طبيعة الضوء الموجي، بسبب ثقة الناس في ذلك الوقت بنظريات نيوتن وقوانينه، فلم يكن نيوتن من المؤمنين بأن للضوء طبيعة موجية، ولكن كانت تجربة يونغ في عام 1801 عن إجابة سؤال: "ما هو حيود الضوء؟" في الشق المزدوج من التجارب الناجحة التي دحضت فكرة نيوتن عن طبيعة الضوء الجسيمية، وتتمثل تجربته بتسليط ضوء على شقين، بحيث اكتشف أن الضوء الخارج من الشق الأول يتداخل مع الضوء الخارج من الشق الآخر، مما ينتج نمط تداخل من المناطق الداكنة والمضيئة معًا على السطح الذي ينعكس عليه الضوء، الأمر الذي أكد على أن للضوء طبيعة موجية، ولكي يحدث نمط حيود الشق المزدوج يجب أن تكون المسافة بين الشقين مماثلة للطول الموجي للضوء، ويمكن ملاحظة التشابه بين نمطي الحيود في كل من حيود الشق الأحادي والمزدوج، ولكن الحيود المزدوج يُظهر مخططًا أكبر أسهل للدراسة.[١٢]

حيود الشقوق المتعددة

لا يمكن استخدام تجربة يونغ في الحياة الواقعية لأنها تنتج نمطًا باهتًا نسبيًا إذا لم يتم تطبيق التجربة بقدر كبير من الدقة، أما بالنسبة لتجربة حيود الشقوق المتعددة فإنها تنتج نمطًا واضحًا يسهُل رؤيته، بحيث يكون النمط الناتج من حيود الشقوق المتعددة مشابهًا للنمط الناتج من حيود الشقوق المزدوجة، ولكن لا يمكن استخدام حيود الشقوق المزدوجة إلا في الأبحاث العلمية أما بالنسبة لحيود الشقوق المتعددة فإن لها العديد من الاستخدامات، فهي تدخل في التصوير الطبي للعينات الحيوية وفي تصنيع الألياف البصرية، كما يمكن ملاحظة حيود الشقوق المتعددة في الظواهر الطبيعية، فمن المعروف أن حجر الأوبال الأسترالي يتميز بحيود الأشعة المنعكسة على بلوراته بطريقة تشابه حيود الشقوق المتعددة مما يؤدي إلى تكون قوس قزح، ومن الممكن تصنيع شبكة الشقوق المتعددة عن طريق إحداث ثقوب متقاطعة في قطعة من الزجاج.[١٣]

المراجع[+]

  1. "Light", www.britannica.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  2. "What is dual nature of light?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  3. "7 Types of Electromagnetic Waves", sciencing.com, Retrieved 25-09-2019. Edited.
  4. "What are some characteristics and properties of light?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  5. "Light", www.explainthatstuff.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  6. ^ أ ب "Light", www.explainthatstuff.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  7. "Wavelike Behaviors of Light", www.physicsclassroom.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  8. ^ أ ب "What are some examples of diffraction?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  9. ^ أ ب ت "What are the application of diffraction of light?", www.quora.com, Retrieved 26-09-2019. Edited.
  10. ^ أ ب "Diffraction", phys.libretexts.org, Retrieved 27-09-2019. Edited.
  11. "Single-slit Diffraction: Interference Pattern & Equations", study.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  12. "Double-slit Diffraction: Interference Pattern & Equations", study.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.
  13. "Multiple-slit Diffraction: Interference Pattern & Equations", study.com, Retrieved 28-09-2019. Edited.