الضوء (فيزياء): ما هو وكيف يعمل؟

يعد فهم ثنائية الموجة الجسيمية للإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء) أمرًا أساسيًا لفهم نظرية الكم والظواهر الأخرى بالإضافة إلى طبيعة الضوء. كان أحد أكبر التطورات العلمية في القرن الماضي هو اكتشاف أن الأشياء الصغيرة جدًا لا تخضع لنفس القواعد مثل الأشياء اليومية.

بعبارات واضحة ، تُعرف الموجات الكهرومغناطيسية ببساطة باسم الضوء ، على الرغم من استخدام مصطلح الضوء أحيانًا لتحديد الضوء المرئي (ما يمكن أن تكتشفه العين) ، وفي أوقات أخرى يستخدم بشكل عام للإشارة إلى جميع أشكال الكهرومغناطيسية إشعاع.

لفهم الموجات الكهرومغناطيسية بشكل كامل ، من المهم فهم فكرة المجال والعلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. سيتم شرح ذلك بمزيد من التفصيل في القسم التالي ، ولكن في جوهرها ، الموجات الكهرومغناطيسية (الموجات الضوئية) تتكون من موجة مجال كهربائي تتأرجح في مستوى عمودي (بزاوية قائمة) على مجال مغناطيسي لوح.

إذا كان الإشعاع الكهرومغناطيسي يعمل كموجة ، فإن أي موجة كهرومغناطيسية معينة سيكون لها تردد وطول موجة مرتبط بها. التردد هو عدد التذبذبات في الثانية ، ويُقاس بالهرتز (هرتز) حيث 1 هرتز = 1 / ثانية. الطول الموجي هو المسافة بين قمم الموجة. يعطي ناتج التردد والطول الموجي سرعة الموجة ، والتي تبلغ تقريبًا 3 × 10 للضوء في الفراغ

على عكس معظم الموجات (مثل الموجات الصوتية ، على سبيل المثال) ، لا تتطلب الموجات الكهرومغناطيسية وسيطًا يتم من خلاله ينتشر ، وبالتالي يمكنه اجتياز فراغ الفضاء الفارغ ، وهو ما يفعلونه بسرعة الضوء - أسرع سرعة في كون!

يمكن اعتبار المجال على أنه مصفوفة غير مرئية من المتجهات ، يشير واحد في كل نقطة في الفضاء إلى الحجم النسبي واتجاه القوة التي يشعر بها الجسم إذا تم وضعه في تلك النقطة. على سبيل المثال ، يتألف حقل الجاذبية بالقرب من سطح الأرض من متجه في كل نقطة في الفضاء يشير مباشرة إلى مركز الأرض. على نفس الارتفاع ، سيكون لكل هذه المتجهات نفس الحجم.

إذا تم وضع كتلة في نقطة معينة ، فإن قوة الجاذبية التي تشعر بها ستعتمد على كتلتها وقيمة المجال هناك. تعمل المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية بنفس الطريقة ، إلا أنها تطبق قوى تعتمد على شحنة الجسم والعزم المغناطيسي على التوالي بدلاً من كتلته.

ينتج المجال الكهربائي مباشرة من وجود الشحنات ، تمامًا كما ينتج مجال الجاذبية مباشرة من الكتلة. ومع ذلك ، فإن مصدر المغناطيسية هو من الشحنة المتحركة (أو على نحو مكافئ ، تغيير المجالات الكهربائية).

في ستينيات القرن التاسع عشر ، طور الفيزيائي جيمس كلارك ماكسويل مجموعة من أربع معادلات تصف تمامًا العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. أظهرت هذه المعادلات بشكل أساسي كيف يتم توليد المجالات الكهربائية بواسطة الشحنات ، وكيف لا توجد أحاديات أقطاب مغناطيسية أساسية ، وكيف يمكن أن يؤدي تغيير الحقول المغناطيسية إلى توليد مجال كهربائي ، وكيف يمكن للمجالات الكهربائية الحالية أو المتغيرة أن تولد مغناطيسية مجالات.

بعد وقت قصير من اشتقاق هذه المعادلات ، تم العثور على حل يصف موجة كهرومغناطيسية ذاتية الانتشار. كان من المتوقع أن تتحرك هذه الموجة بسرعة الضوء ، وقد تبين بالفعل أنها خفيفة!

يمكن أن تأتي الموجات الكهرومغناطيسية في العديد من الأطوال الموجية والترددات المختلفة ، طالما أن ناتج الطول الموجي والتردد لموجة معينة يساويج، سرعة الضوء. تشمل أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي (من الأطوال الموجية الأطول / الطاقة المنخفضة إلى الأطوال الموجية الأقصر / الطاقة العالية):

• موجات الراديو (0.187 م - 600 م)
• أفران الميكروويف (1 مم - 187 مم)
• موجات الأشعة تحت الحمراء (750 نانومتر - 1 ملم)
• ضوء مرئي (400 نانومتر - 750 نانومتر ؛ هذه الأطوال الموجية يمكن اكتشافها بالعين البشرية وغالبًا ما تنقسم إلى طيف مرئي)
• ضوء فوق بنفسجي (10 نانومتر - 400 نانومتر)
• الأشعة السينية (10^-12 م - 10 نانومتر)
• أشعة جاما (<10^-12 م)

الفوتونات هي اسم جزيئات الضوء الكمومية أو الإشعاع الكهرومغناطيسي. قدم ألبرت أينشتاين مفهوم الكميات الخفيفة (الفوتونات) في ورقة بحثية في أوائل القرن العشرين.

الفوتونات عديمة الكتلة ، ولا تخضع لقوانين حفظ الأرقام (بمعنى أنه يمكن إنشاؤها وتدميرها). ومع ذلك ، فهم يلتزمون بالحفاظ على الطاقة.

في الواقع ، تعتبر الفوتونات في فئة من الجسيمات التي تحمل القوة. الفوتون هو وسيط القوة الكهرومغناطيسية ويعمل كحزمة طاقة يمكن نقلها من مكان إلى آخر.

ربما تعتقد أنه من الغريب أن تتحدث فجأة عن الموجات الكهرومغناطيسية كجسيمات ، لأن الموجات والجسيمات تبدو وكأنها بنائين مختلفين اختلافًا جوهريًا. في الواقع ، هذا النوع من الأشياء هو ما يجعل فيزياء الأشياء الصغيرة جدًا غريبة جدًا. في الأقسام القليلة التالية ، تمت مناقشة مفاهيم التكميم وازدواجية موجة الجسيمات بمزيد من التفصيل.

تنتج الموجات الكهرومغناطيسية من التذبذبات في المجالات الكهربائية والمغناطيسية. إذا تحركت الشحنة ذهابًا وإيابًا على طول السلك ، فإنها تخلق مجالًا كهربائيًا متغيرًا ، والذي بدوره يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا ، ثم ينتشر ذاتيًا.

الذرات والجزيئات ، التي تحتوي على شحنة متحركة على شكل غيوم إلكترونية ، قادرة على التفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي بطرق مثيرة للاهتمام. في الذرة ، يُسمح للإلكترونات بالوجود فقط في حالات طاقة كمية محددة جدًا.

إذا أراد الإلكترون أن يكون في حالة طاقة منخفضة ، فيمكنه القيام بذلك عن طريق إصدار حزمة منفصلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي لحمل الطاقة. على العكس من ذلك ، من أجل القفز إلى حالة طاقة أخرى ، يجب أن يمتص نفس الإلكترون حزمة منفصلة من الطاقة أيضًا.

تعتمد الطاقة المرتبطة بالموجة الكهرومغناطيسية على تردد الموجة. على هذا النحو ، يمكن للذرات امتصاص وإصدار ترددات محددة جدًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي المتسق مع مستويات الطاقة الكمية المرتبطة بها. تسمى حزم الطاقة هذهالفوتونات​.

​توضيحيشير إلى شيء مقيد بقيم منفصلة مقابل طيف مستمر. عندما تمتص الذرات أو تطلق فوتونًا واحدًا ، فإنها تفعل ذلك فقط بقيم طاقة كمية محددة جدًا وصفتها ميكانيكا الكم. يمكن اعتبار هذا "الفوتون الفردي" بمثابة "حزمة" موجة منفصلة.

لا يمكن أن تنبعث كمية من الطاقة إلا بمضاعفات الوحدة الأولية (ثابت بلانكح). المعادلة التي تتعلق بالطاقةهمن الفوتون إلى تردده هو:

أينν(الحرف اليوناني nu) هو تردد الفوتون وثابت بلانكح​ = 6.62607015 × 10^-34 شبيبة.

سوف تسمع الناس يستخدمون الكلماتالفوتونوالاشعاع الكهرومغناطيسيبالتبادل ، على الرغم من أنه يبدو أنهما أشياء مختلفة. عند الحديث عن الفوتونات ، يتحدث الناس عادةً عن خصائص الجسيمات لهذه الظاهرة ، بينما عندما يتحدثون عن الموجات الكهرومغناطيسية أو الإشعاع ، فإنهم يتحدثون إلى الموجات الخصائص.

تظهر الفوتونات أو الإشعاع الكهرومغناطيسي ما يسمى ثنائية موجة الجسيمات. في مواقف معينة وفي تجارب معينة ، تُظهر الفوتونات سلوكًا شبيهًا بالجسيمات. أحد الأمثلة على ذلك هو التأثير الكهروضوئي ، حيث يتسبب اصطدام شعاع ضوئي بسطح ما في إطلاق الإلكترونات. لا يمكن فهم تفاصيل هذا التأثير إلا إذا تم التعامل مع الضوء كحزم منفصلة يجب أن تمتصها الإلكترونات حتى تنبعث.

في مواقف وتجارب أخرى ، يتصرفون مثل الموجات. وخير مثال على ذلك هو أنماط التداخل التي لوحظت في التجارب أحادية أو متعددة الشقوق. في هذه التجارب ، ينتقل الضوء عبر شقوق ضيقة ومتقاربة ، والتي تعمل كأنها متعددة في الطور مصادر الضوء ، ونتيجة لذلك ، فإنها تنتج نمط تداخل يتوافق مع ما قد تراه في ملف لوح.

والأغرب من ذلك ، أن الفوتونات ليست هي الشيء الوحيد الذي يُظهر هذه الازدواجية. في الواقع ، يبدو أن جميع الجسيمات الأساسية ، حتى الإلكترونات والبروتونات ، تتصرف بهذه الطريقة. كلما كان الجسيم أكبر ، كلما كان طوله الموجي أقصر ، وظهور هذه الازدواجية أقل. هذا هو السبب في أنك لا تلاحظ أي شيء مثل هذا في الحياة اليومية.