الدرس ٣: الضوء (١)
انظر إلى بداية الدرس الثالث وعنوانه الضوء. تخيل أنك تنظر إلى السماء ليلة صافية، فالقمر يبدو ساطعا لأنه يعكس ضوء الشمس، وتنتقل موجات الضوء عبر الفراغ لتصل إلى عينيك. الضوء موجات كهرومغناطيسية تنتقل في الفراغ أو المادة، لكن سرعتها تختلف؛ فهي في الفراغ سرعة هائلة تبلغ كيلومترا في الثانية، بحيث يقطع الضوء المسافة بين الشمس والأرض في ثماني دقائق ونصف تقريبا. أما عندما ينتقل الضوء في مادة مثل الزجاج فإنه يصطدم بدقائق المادة وتقل سرعته لتساوي كيلومترا في الثانية. ويقاس الطول الموجي للضوء بوحدة صغيرة جدا تسمى النانومتر، وهو جزء من مليار جزء من المتر.
يقوم الدرس على دراسة الضوء باعتباره موجات كهرومغناطيسية مستعرضة تنتقل عبر الفراغ والمادة بسرعة هائلة تصل إلى كيلومتر في الثانية. يوضح الدرس خصائص هذه الموجات مثل الطول الموجي والتردد والشدة، ويتطرق إلى الطيف الكهرومغناطيسي الذي يضم أنواعاً مختلفة من الموجات كالموجات الراديوية وتحت الحمراء والمرئية وفوق البنفسجية وأشعة سينية وأشعة جاما. كما يشرح كيفية رؤية العين البشريّة للأجسام وألوانها، ومشاكل الإبصار الشائعة كقصر النظر وطوله وطرق تصحيحها بالعدسات أو الليزر. ومثال سريع على ذلك: عندما ينفذ الضوء الأبيض عبر المنشور الزجاجي فإنه ينكسر ويتحلل إلى ألوانه السبعة المختلفة بسبب اختلاف أطوالها الموجية.
الفكرة الأساسية
الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية مستعرضة تنتقل في الفراغ والمادة، وتتكون من مجالي كهربائي ومغناطيسي متعامدين، وتتحرك بسرعة هائلة تصل إلى كيلومتر في الثانية في الفراغ.
الشرح
تنتقل موجات الضوء عبر الفراغ دون الحاجة لوجود مادة لكي تشغلها، مثل وصول ضوء الشمس والقمر إلينا عبر الفضاء السحيق. وعندما ينتقل الضوء في المواد فإنه يتصادم مع دقائق المادة فتقل سرعته. تمتاز موجات الضوء بأنها مستعرضة لأنها تتحرك في اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الموجة، ولكل موجة طول موجي وهو المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين، وتردد يعبر عن عدد الاهتزازات في الثانية الواحدة. وتتدرج هذه الموجات في الطيف الكهرومغناطيسي من موجات ذات أطوال موجية كبيرة وترددات منخفضة مثل موجات الراديو والميكروويف، إلى موجات ذات أطوال موجية قصيرة وترددات عالية تحمل طاقة أكبر مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. أما الجزء الذي نراه من هذه الموجات فهو الضوء المرئي الذي تتراوح أطواله الموجية بين و جزء من المليون من المتر. وفي عين الإنسان، يدخل الضوء عبر القرنية ثم العدسة لتجميعه على الشبكية، وتحتوي الشبكية على خلايا عصبية وعصوية ومخروطية تحس بالضوء وترسل إشارات عصبية إلى الدماغ لتشكل الصورة والألوان. وعند الإصابة بمشاكل الإبصار كقصر النظر أو طول النظر، لا تتكون الصورة بوضوح على الشبكية بسبب استطالة كرة العين أو قصرها جدا، وتعالج هذه المشاكل باستخدام النظارات الطبية أو العدسات اللاصقة أو جراحة الليزر.
مثال محلول خطوة بخطوة
إذا سقط ضوء أبيض من مصباح يدوي على منشور زجاجي، فماذا يحدث لشعاع الضوء؟ الخطوة الأولى: ينفذ الضوء الأبيض من الهواء إلى داخل زجاج المنشور. الخطوة الثانية: نتيجة لاختلاف الوسط، يحدث انكسار لشعاع الضوء. الخطوة الثالثة: نظرا لأن لكل لون من ألوان الضوء الأبيض طولا موجيا مختلفا، فإن كل لون ينكسر بمقدار مختلف عن الآخر. النتيجة: يتحلل الضوء الأبيض إلى ألوانه السبعة المرئية، حيث يكون لون الضوء البنفسجي هو الأكثر انكسارا لقصر طوله الموجي، بينما يكون اللون الأحمر هو الأقل انكسارا لطول موجته.
أخطاء شائعة
الخطأ الأول: الاعتقاد بأن موجات الصوت والضوء تتشابه في إمكانية الانتقال عبر الفراغ. الصحيح: موجات الصوت تحتاج إلى وسط مادي لتنتقل خلاله ولا تنتقل في الفراغ، بينما موجات الضوء الكهرومغناطيسية يمكنها الانتقال عبر الفراغ والمادة. الخطأ الثاني: ظن أن سرعة الضوء ثابتة في جميع الوسط. الصحيح: سرعة الضوء تكون أقصى ما يمكن في الفراغ، وتتناقص عندما ينتقل في أي مادة نتيجة تصادمه مع دقائقها.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: ما الفرق الرئيسي بين موجات الراديو وأشعة جاما من حيث الطول الموجي والطاقة؟ الإجابة: موجات الراديو لها أطوال موجية كبيرة جدا وترددات منخفضة وتحمل القليل من الطاقة، بينما أشعة جاما لها أطوال موجية قصيرة جدا وترددات عالية ولها أكبر طاقة وتردد. السؤال الثاني: ما السبب العلمي لظهور فضاء النيون باللون الأحمر عندما ينبعث منه الضوء؟ الإجابة: لأنه يبعث موجات ضوئية تقع أطوالها الموجية ضمن الجزء الأحمر من الطيف المرئي.