7.1:

طبيعة الضوء الموجية

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Wave Nature of Light

44,250 Views

02:12 min

September 03, 2020

كانت طبيعة الضوء موضع بحث منذ العصور القديمة. في القرن السابع عشر، أجرى إسحاق نيوتن تجارب باستخدام العدسات والمنشورات وكان قادراً على توضيح أن الضوء الأبيض يتكون من ألوان فردية لقوس قزح مجتمعة. شرح نيوتن النتائج التي توصل إليها في مجال البصريات من حيث رؤية "الجزيئات الصغيرة" للضوء، حيث يتكون الضوء من تيارات من جسيمات بالغة الصغر تتحرك بسرعات عالية وفقًا لقوانين الحركة الخاصة بنيوتن' .  

وقد أظهر آخرون في القرن السابع عشر، مثل كريستيان هيوجينز، أن الظواهر البصرية مثل الانعكاس والانكسار يمكن تفسيرها على نحو جيد بنفس القدر من حيث الضوء كالموجات التي تنتقل بسرعة عالية عبر وسيطة تسمى "الأثير المضيء" والتي كان من المعتقد أنها تتخلل كل الفضاء. في أوائل القرن التاسع عشر، أظهر توماس يونج أن الضوء الذي يمر عبر شقوق ضيقة متباعدة بشكل وثيق أنتج أنماط تداخل لم يكن من الممكن تفسيرها من حيث جسيمات نيوتونيان ولكن يمكن تفسيرها بسهولة من حيث الموجات. في وقت لاحق من القرن التاسع عشر، بعد أن طور جيمس كليرك ماكسويل نظريته من الإشعاع الكهرومغناطيسي وأظهر أن الضوء كان الجزء المرئي من طيف واسع من الموجات الكهرومغناطيسية، أصبحت نظرة جسيم للضوء تفقد مصداقيتها بالكامل.  

وبحلول نهاية القرن التاسع عشر، كان العلماء ينظرون إلى الكون الفيزيائي على أنه يتألف من مجالين منفصلين تقريباً: المادة المكونة من جسيمات تتحرك وفقاً لقوانين الحركة الخاصة بنيوتن'، والإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يتكون من موجات تحكمها معادلات ماكسويل#39;. واليوم، يشار إلى هذه المجالات باسم الميكانيكا الكلاسيكية والديناميات الكهربائية الكلاسيكية (أو الكهرومغناطيسية الكلاسيكية). ورغم وجود بضع ظواهر مادية لم يكن من الممكن تفسيرها في هذا الإطار، فإن العلماء في ذلك الوقت كانوا واثقين إلى حد ما من السلامة العامة لهذا الإطار حتى أنهم كانوا ينظرون إلى هذه الانحرافات باعتبارها مفارقات محيرة يمكن حلها في نهاية المطاف بطريقة ما داخل هذا الإطار. وقد أدت هذه المفارقات إلى إطار معاصر يربط بشكل وثيق بين الجسيمات والموجات على مستوى أساسي يسمى ثنائية الموجة والجسيمات، وهو ما حل محل النظرة الكلاسيكية.

يلعب الضوء المرئي والأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي أدواراً مهمة في الكيمياء حيث يمكن استخدامها للاستدلال على طاقات الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات. تعتمد معظم التقنيات الحديثة على الإشعاع الكهرومغناطيسي. على سبيل المثال، الموجات اللاسلكية من هاتف محمول، والأشعة السينية التي يستخدمها أطباء الأسنان، والطاقة المستخدمة لطهي الطعام في الميكروويف، والحرارة الإشعاعية من الأجسام الحمراء الساخنة، والضوء من شاشة التلفزيون هي أشكال من الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تعرض كلها سلوك أسي متموج.

الموجات

الموجة هي التأرجح أو الحركة الدورية التي يمكنها نقل الطاقة من نقطة في الفضاء إلى أخرى. ومن حولنا جميعاً أمثلة شائعة للموجات. يؤدي هزّ طرف الحبل إلى نقل الطاقة من يدك إلى الطرف الآخر من الحبل، ويؤدي إسقاط هابل في بركة إلى تموج الأمواج إلى الخارج على طول سطح الماء#39;، كما يؤدي تمدد الهواء المصاحب لصواعق البرق إلى توليد موجات صوتية (رعد) يمكن أن تنتقل إلى الخارج لعدة أميال. في كل حالة من هذه الحالات، تنتقل الطاقة الحركية من خلال المادة (الحبل أو الماء أو الهواء) بينما تظل المادة في مكانها بشكل أساسي.  

لا ينبغي أن تقتصر الموجات على السفر عبر المادة. وكما أظهر ماكسويل، تتكون الموجات الكهرومغناطيسية من مجال كهربائي يتأرجح في خطوة مع مجال مغناطيسي عمودي، وكلاهما عمودي على اتجاه الحركة. يمكن أن تنتقل هذه الموجات عبر الفراغ بسرعة ثابتة تبلغ 2.998 × 108 م/ثانية، وهي سرعة الضوء (يُشار إليها بـ c).

تتميز جميع الموجات، بما في ذلك أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، بالطول الموجي (يشار إليه بـ λ، الحرف اليوناني الصغير lambda)، والتردد (الذي يرمز إليه بـ ν، الحرف اليوناني الصغير nu)، والسعة.  

الطول الموجي هو المسافة بين القمتين المتتابعتين أو الفرق في الموجة (مقاسة بالأمتار في نظام SI). الموجات الكهرومغناطيسية قد لوحظ أن لها أطوال موجية تقع ضمن نطاق هائل من الأطوال الموجية من الكيلومترات (103 م) إلى البيكومترات (10−12 م) . والتردد هو عدد دورات الموجات التي تمر بنقطة محددة في الفضاء في مقدار محدد من الوقت (في النظام الدولي للوحدات SI، يتم قياس ذلك بالثواني). تتطابق الدورة مع طول موجي كامل واحد. وحدة التردد، التي يتم التعبير عنها كدورات في الثانية [s−1]، هي الهرتز (Hz). والمضاعفات الشائعة لهذه الوحدة هي ميجا هرتز (1 ميجا هرتز = 1 × 106 Hz) والجيجاهيرتز (1 جيجا هرتز = 1 × 109 Hz).  

تتوافق السعة مع حجم إزاحة الموجة، ويتوافق ذلك مع نصف الارتفاع بين القمم والفرق. ترتبط السعة بكثافة الموجة، والتي تتعلق بالضوء بالسطوع، أما بالنسبة للصوت فهو ارتفاع الصوت. ويعتبر ناتج طول الموجة (wavelength) وترددها (wave)، الذي يعد من أكثر الدول سرعة للموجة. وبالتالي، بالنسبة للإشعاع الكهرومغناطيسي في الفراغ، تكون السرعة مساوية للثابت الأساسي، c:

Eq1

الطول الموجي والتردد متناسبين عكسياً: كلما زاد الطول الموجي، ينخفض التردد. الطيف الكهرومغناطيسي هو نطاق جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي.  

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.