شرح الطبيعة المادية للضوء

طبيعة الضوء

كانت طبيعة الضوء موضع تساؤلٍ منذ العصور القديمة، وقد تم اقتراح النظريات العلمية المبكرة لطبيعة الضوء في نهاية القرن 17، وفي عام 1690م اقترح كريستيان هويجنز نظرية لتصنيف الضوء كظاهرةٍ موجية، ومن بعدها تم تقديم نظرية منافسة من قبل عالم الفيزياء إسحاق نيوتن في عام 1704م، والذي كان قد اكتشف الطيف المرئي في عام 1666م، حيث أكد نيوتن في نظريته أن الضوء يتكون من جسيمات دقيقة أو جسيمات تنبعث من الأجسام المضيئة.^[١][٢]

الطبيعة المزدوجة للضوء

نظرية الازدواجية الجسيمية-الموجية هي نظرية حديثة تنص على أن للضوء سلوكٌ موجي وجُسيمي في آنٍ واحد، ويتمثل الاختلاف الرئيسي بين طبيعة الموجة والجسيم للضوء في أن الطبيعة الموجية للضوء تبين أن الضوء يمكن أن يتصرف كموجة كهرومغناطيسية، أما الطبيعة الجُسيمية للضوء أو الطبيعة المادية للضوء فتبين أن الضوء يتكون من جُسيماتٍ مادية تسمى الفوتونات،^[٣] وهذا يعني أن للضوء خصائص الموجة والجُسيم معًا، حيث تستخدم كلمة "الطول الموجي" للتعبير عن الخاصية الموجية للضوء؛ وهي المسافة التي يقطعها الضوء في الذبذبة الواحدة، وغالبًا ما يتم التعبير عن الطول الموجي للضوء باستخدام وحدة النانومتر.^[٤]

يمكن للعين البشرية رؤية الضوء الذي يتراوح طوله الموجي بين 400 إلى 700 نانومترًا تقريبًا فقط، ويسمى هذا النطاق بالضوء المرئي، إضافة إلى ذلك، فإن الضوء يشمل أيضا جزءً آخر من الأطوال الموجية، مثل؛ الأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء، بالرغم من أن البشر لا يستطيعون رؤية هذا الجزء من الضوء مباشرةً، ولذلك سمي بالضوء غير المرئي.^[٥]

من ناحية أخرى، فإن للضوء أيضًا خاصية الجُسيم؛ أي أن له طبيعةً ماديةً أيضًا إلى جانب طبيعته الموجية؛ حيث تختلف شدة الضوء حسب عدد الجزيئات، إذ يحتوي الضوء الساطع على عدد كبير من الجزيئات، بينما يحتوي الضوء الأقل سطوعًا على جزيئاتٍ أقل، وتسمى جزيئات الضوء هذه بالفوتونات.^[٦]

الطبيعة المادية للضوء

لم يكن لدى العلماء فهم جيد لكيفية تفاعل الضوء والمادة، لكن هذا تغير عندما بدأ الفيزيائي ماكس بلانك بدراسة الأجسام السوداء،^[٧] ففي بداية القرن العشرين، أدى اكتشاف تكميم الطاقة إلى الكشف عن أن الضوء ليس مجرد موجة، بل يمكن أيضًا وصفه على أنه مجموعة من الجسيمات التي تعرف بالفوتونات (أي أن الفوتون هو الجسيم الأولي للضوء)، وتحمل الفوتونات كميات محددة من الطاقة، ويمكن نقل هذه الطاقة إلى الذرات والجزيئات عند امتصاص الفوتونات، ويمكن أن تفقد الذرات والجزيئات أيضًا الطاقة عن طريق إصدار الفوتونات، وبهذا فقد تم التوصل إلى أن أي تغيير في الطاقة يتناسب طرديًا مع تردد الفوتون المنبعث أو الممتص، وتم توضيح هذه العلاقة من خلال معادلة بلانك الشهيرة وصيغتها الرياضية هي:^[٨]

E = hν

حيث إن:

• E: طاقة الفوتون الممتصة أو المنبعثة، وتقاس بوحدة الجول.
• h: ثابت بلانك، ويساوي 6.626 × 10^-34 جول.ثانية.
• v: تردد الفوتون، ويقاس بوحدة الهيرتز.

وجد بلانك أن الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الأجسام السوداء لا يمكن تفسيره بالفيزياء الكلاسيكية، والتي كانت قد افترضت أن المادة يُمكن أن تمتص أو تبعث أي كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، فقد لاحظ بلانك أن المادة تمتص، أو تبعث طاقة من مضاعفات العدد الصحيح للقيمة h (والتي سميت ثابت بلانك)، ولذلك فإن الحقيقة التي اكتشفها بلانك هي أن الطاقة ليست مستمرة ولكنها مُكمَّمة، مما أدى إلى تغيير فكرة أن الضوء يتصرف على أنه موجة فقط، وتبني فكرة أن للضوء خصائص تشبه الموجة والجسيم في آنٍ واحد، وأنه ذو طبيعةٍ مزدوجة.^[٩]