يشير مفهوم الضوء إلى موجات من الأشعة الكهرومغناطيسية تتراوح ما بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، ويمثل الضوء عنصر رئيسي للطيف الكهرومغناطيسي، وموجات الضوء تتراوح ما بين 380 نانومتر إلى 730 نانومتر، وتعد الشمس هي المصدر الأساسي للضوء للكائنات الحية.
وقديمًا قبل التوصل إلى اختراع المصابيح في الإنارة اعتمد الإنسان القديم على النار كمصدر رئيسي للضوء له، كما أن بعض أنواع الحيوانات تتمتع بوجود في داخل أجسامها مثل الحشرات مثل الفراشات المضيئة، وتنقسم مصادر الضوء إلى طبيعية وصناعية، من أبرز الأنواع الطبيعية القمر والنجوم، أما عن مصادر الضوء الصناعية فتتمثل في المصابيح مثل مصباح الفلورسنت والمصباح المتوهج والمصباح الهالوجيني ومصباح الزئبق.
مفهوم سرعة الضوء
يشير مفهوم سرعة الضوء إلى السرعة الناتجة عن مقدار المسافة تحرك الضوء وانتقاله في فترة زمنية.
تُحسب سرعة الضوء في الثانية الواحدة وفيها يقطع الضوء مسافة تصل إلى 299,792,457.4 متر والتي تعادل 300 ألف كيلو متر.
تمثل سرعة الضوء السرعة الأعلى في كوكب الأرض والتي تفوق السرعات الأخرى مثل سرعة الصوت.
قديمًا كان من الصعب إيجاد قيمة سرعة الضوء، حيث حاول الكثير من العلماء التوصل إلى قياسها.
أسماء العلماء من حاولوا قياس سرعة الضوء
فيما يلي يمكنك التعرف على أبرز العلماء الذين حاولوا قياس سرعة الضوء قديمًا:
العالم رومر
استطاع العالم رومر التوصل إلى قياس سرعة الضوء في عام 1675م وذلك بالاعتماد على أدوات الرصد الفلكي الخاصة بالقمر أيو أحد أقمار كوكب المشترى.
يتطلب قمر أيو فترة زمنية تصل إلى 42.5 ساعة حتى يتم دورانه بالكامل حول كوكب المشترى، أما عن كوكب المشترى فيحتاج فقط في دورته الكاملة حول الشمس إلى 12 سنة من كوكب الأرض.
بناءً على مدة دورة كوكب المشترى فإن مسافة الزاوية في الحركة تصل إلى 7.5 درجة وذلك لأن كوكب الأرض عند حركته تصل مسافة زاويته إلى 90 درجة.
عمل العالم رومر على إثبات أن القمر أيو بدورته بشكل ثابت، وذلك لأنه في حالة تغير دورانه بحيث تقل سرعته فذلك قد يؤدي إلى وقوع القمر على المشترى، وفي حالة زيادة حركته فذلك يؤدي إلى انفصاله عن المشترى.
لم يتوصل العالم رومر إلى أن القمر أيو دروته ثابتة، مما دفعه إلى تحليل كافة الأرصاد الخاصة بالقمر والتي تمت بشكل منتظم، ومن خلالها اكتشف تغير في وقت دوران القمر أيو، ففي حالة وقوع المشترى على مسافة بعيدة عن الأرض فإنه دورة القمر تتطلب فترة زمنية أطول.
تقل الفترة الزمنية لدوران القمر أيو عندما يقع المشترى على مسافة قريبة من الأرض، ولم يتمكن رومر من إثبات أن القمر أيو لديه دورة ثاتبة، فكان يتنبأ برؤية وقوع خسوف للقمر في المكان الذي يقع فيه ظل المشترى.
لاحظ رومر أن خسوف القمر يحدث بشكل متأخر عند ابتعاد المسافة بين المشترى والأرض.
كانت أرصاد رومر الوسيلة التي ساعدت العالم هويجنس من اكتشاف سرعة الضوء التي يصل مقدارها في الثانية الواحدة إلى 2.3*108 م/ث، وقد لاحظ أن هذه السرعة ليس لها حدود.
العالم جاليليو جاليلي
من أبرز العلماء الآخرين الذين حاولوا التوصل إلى تقدير سرعة الضوء العالم جاليليو جاليلي وذلك من خلال إجراء تجربة في الجبال.
كانت التجربة تتمثل في وقوف شخصين على جبلين يقع أحدهما على بُعد 10 كم من الآخر، ومن ثم يقوم شخص منهما بتشغيل فانوس، ويجب على الشخص الآخر أن يقوم بتشغيله الفانوس الآخر عند رؤية الضوء الصادر منه.
في ذلك الوقت المتراوح ما بين تشغيل الفانوس الأول والفانوس الثاني يتم حساب مقدار الفترة الزمنية بينهما، وهو الوقت اللازم لقطع الضوء مسافة بين الجبل الأول والجبل الثاني، ولكن محاولة جاليليو في قياس الضوء من هذه الطريقة لم تنجح.
العالم إيفانسون
نجح العالم إيفانسون في القرن العشرين في التوصل إلى سرعة الضوء بشكل دقيق وبأخطاء أقل، وكانت قيمة سرعة الضوء في الثانية الواحدة 299,792,457.4 متر في الثانية الواحدة.
أراد العالم إيفانسون الحصول على قيمة دقيقة غير متغيرة لسرعة الضوء، وما ساعده على ذلك وجود الساعات الذرية التي تتمتع بدقة فائقة وتقنية الليزر، وقد لوحظ أن سرعة الضوء الثانية هي 299,792,458م/ث.
قياس سرعة الضوء
يتم قياس سرعة الضوء من خلال ضرب قيمة كل من الطول الموجي في التردد، حيث أن سرعة الضوء تساوي= الطول الموجي * التردد، ويُعبر عن هذه المعادلة الرموز التالية: س ض= ط * ت أو C = λ × F.
يتم إيجاد سرعة الضوء أيضًا بطريقة أخرى والتي تتمثل في: سرعة الضوء = الطول الموجي / الزمن، ويتم التعبير عنه بالرموز التالية: س ض = ط / ز.
طريقة إيجاد سرعة الضوء عبر معامل الانكسار
بشكل نظري يتم التوصل إلى قيمة سرعة الضوء من خلال معامل الانكسار عن طريق المعادلة التالية: سرعة الضوء الفراغ ÷ سرعة الضوء في الوسط.
تشير معادلة معامل الانكسار السابقة إلى أن الحد الأدنى لقيمة المعامل 1 ولا تقل عن هذه القيمة، وعند تجاوز قيمة السرعة هذا الحد فإن سرعة الضوء تكون قليلة.
تبلغ قيمة معامل الانكسار للهواء 1.003، أما عن قيمة معامل الانكسار للكحول 1.36، بينما قيمتها في الزجاج 1.52، وفي الماء 1.33، بينما الفراغ 1، وهذا يعني أن سرعة الضوء متغيرة طبقًا لنوع الوسط.
سرعة الضوء في الماء
كما ذكرنا في السابق أن قيمة معامل الانكسار في سرعة الضوء تصل إلى 1.33، ويتم الحصول على سرعة الضوء من خلال قسمة ثابت سرعة الضوء على معامل الانكسار = 299,792,458 / 1.33 = 225407863.16 متراً في الثانية.
تتغير قيمة سرعة الضوء في الماء عنها في الهواء، ووجود هذا الاختلاف بينهما يؤدي غلى حدوث انكسار الضوء عند نفاذه في البحر، وذلك نظرًا لأن الماء يحتوي فيه داخله على جزئيات تسبب تشتت الضوء.
أقصى حد يمكن أن يصل إليه الضوء في عمق البحر 150 متر، وعند وصول الضوء بمقدار عشر أمتار مياه البحر فإن المياه تمتص الطيف المرئي له من قبل أطواله الموجية.
يصل الطول الموجي الأحمر في الضوء إلى مسافة تُقدر بنحو 15 متر، بينما في الطول الموجي البرتقالي يصل إلى 50 متر، أما في الطول الموجي الأصفر يصل إلى مقدار 30 متر.
أما عن الألوان الأخرى من الأخضر والأزرق والبنفسجي فإن أطوالهم الموجية تصل إلى مسافات أقصر مقارنةً بالأطوال الموجية للألوان السابقة.
خصائص الضوء
يتمتع الضوء بالعديد من الخصائص التي تشمل ما يلي:
انكسار الضوء
يتعرض الضوء للانكسار حيث يكون خط سيره غير مستقيم، ويكون إما على مسافة قريبة من خط زاوية السقوط العمودي أو على مسافة بعيدة عنه.
يتم احتساب زاوية انكسار الضوء وفقًا للسرعة المنخفضة عند مروره في وسط ما، ومن أبرز الأوساط التي تتسبب في انكسار الضوء الماء والهواء.
انعكاس الضوء
يتعرض الضوء للانعكاس عند سقوطه على وسط ما مما يترتب على ذلك إلى رجوع الضوء عن الوسط المادي بمقدار زاوية سقوطه، ويتمثل الوسط المادي الذي يتعرض فيه الضوء للانعكاس السطح الأملس مثل المرآة.
انتشار الضوء
تنتشر أطياف الضور فور تعرضه للسقوط مباشرةً، مما يساعد ذلك على الرؤية الواضحة من كافة الجهات.
امتصاص الضوء
من أبرز الخصائص الأخرى التي يتمتع بها الضوء تعرضه للامتصاص وذلك عند سقوط على وسط شفاف، ففي تلك الحالة يحدث تصادم بينهما ويترتب على ذلك أن الطاقة الحرارية للوسط تمتص أطوال الضوء الموجية.
حيود الضوء
يتعرض الضوء للحيود عند مروره بثغرة مما يترتب على ذلك حدوث انحراف في مسار الضوء، كما أن الحيود يسبب في تغيير في خط سير الضوء لينتقل في اتجاه آخر.
تشبه ظاهرة حيود الضوء المياه، فعندما تمر بجسم كبير أو بفتحة فقد يترتب على ذلك تغيير مسار موجات المياه.
تداخل الضوء
يحدث تداخل الضوء عند عندما تنعكس موجاته على الوسط في السطح الداخل والخارجي معًا مما يترتب على ذلك في تجمع هذه الموجات.
عند حدوث تداخل الضوء فإنه يترتب على ذلك زيادة في موجات الضوء أو هدمها.
استقطاب الضوء
يحدث استقطاب الضوء عندما يسقط الضوء على وسط ما فإن موجاته تنتشر، ويتعرض للاهتزاز عندما يكون اتجاهه طولي.
كما أن الضوء يتعرض للاستقطاب عند مرور الضوء على وسط مادي يمتصه مما يؤدي إلى تعرضه للاهتزاز، أو من عندما ينعكس الضوء على بعض أنواع الأسطح.
أنواع الضوء
ينقسم الضوء بشكل رئيسي إلى ما يلي:
الطيف المرئي
يبلغ الحد الأدنى للطول الموجي الخاص بالضوء المرئي 400 نانومتر ويزداد ليصل إلى 700 نانومتر حيي يكون له مقدار محدد من التردد.
يحتوي الطيف المرئي على أطوال موجية مختلفة، فالطول الموجي الأحمر أطول مقارنةً بالطول الموجي البنفسجي.
الطيف غير المرئي
يحتوي الطيف المرئي على نوعين وهما: الأمواج الطويلة والأمواج القصيرة.
تتمثل الأمواج الطويلة في أمواج الراديو والأمواج الأشعة تحت الحمراء وأمواج المايكرويف.
أما عن الأمواج القصيرة فتتمثل في الأشعة السينية وأمواج الأشعة فوق البنفسجية وأمواج أشعة جاما.
استخدامات الضوء
للضوء أهمية كبيرة في الحياة اليومية ويتم الاستفادة من مصادره في العديد من الأغراض التالية:
الاستفادة من الأشعة السينية في تشخيص الأمراض حيث يتم تصوير الجسم من الداخل بشكل.
استخدام موجات الراديو وهي الموجات اللاسلكية في التوصل بين مكانين في مناطق مختلفة.
الاستفادة من أشعة أما في محطات الطاقة النووية.
الاستفادة من الأشعة فوق البنفسجية في إنشاء التلسكوبات في الرصد الفلكي.
الاعتماد على الضوء في الطاقة الشمسية.
استخدام الليزر في عمليات اللحام والقطع.
الاستفادة من ضوء الشمس في عملية البناء الضوئي الذي تحصل منه النباتات على غذائها.
يمثل الضوء مرشد للطيور في التعرف على الطريق الذي تسلكه أثناء طيرانها وقت الهجرة.
يتم الاستفادة من الضوء في إنارة المنازل والشوارع.
تعتمد الحيوانات اللافقارية البحرية على الضوء في التكاثر.
يتم الاعتماد على الضوء في صناعة الأجهزة الإلكترونية مثل التلفاز والحاسوب والهاتف.
يتم الاعتماد على الضوء في دراسة ترددات الضوء مما يساعد ذلك على التطور في علم ميكانيكا الكم.
وفي ختام هذا المقال نكون قد قدمنا لك بحث عن سرعة الضوء حيث تعرفنا على مفهوم سرعة الضوء وأبرز العلماء الذين حاولوا قياس قيمته، بالإضافة إلى كيفية قياس سرعة الضوء وخصائص الضوء وأبرز أنواعه، بالإضافة إلى أهميته في الاستفادة منه في الحياة اليومية.
وللمزيد يمكنك متابعة ما يلي من الموسوعة العربية الشاملة:
