الضوء

الضوء

في هذا الدرس
الأهداف

• تعرّف خصائص موجات الضوء.
• تصف الطيف الكهرومغناطيسي.
• تصف أنواع الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتقل من الشمس إلى الأرض.
• تفسر الرؤية عند الإنسان، وتمييزه لألوان الأشياء.

الأهمية
الضوء ضروري لرؤية الأشياء. وهناك أمواج كهرومغناطيسية أخرى غير الضوء تستخدم في الهواتف الخلوية وأفران الميكروويف.

مراجعة المفردات
الطيف المرئي: جزء من موجات الضوء المختلفة التي يمكن مشاهدتها بعد تحليلها.

المفردات الجديدة

• الموجات الكهرومغناطيسية
• الطيف الكهرومغناطيسي
• الموجات تحت الحمراء
• موجات فوق بنفسجية

الموجات في الفراغ

في ليلة صافية يبدو القمر ساطعًا، كما في الشكل 16؛ حيث تنتقل موجات الضوء المنعكسة عن القمر في اتجاه الأرض. وتنتقل موجات الضوء عبر المادة، مثلها في ذلك مثل سائر الموجات، كما في موجات الصوت أو الماء، ولكنها تختلف عنهما في إمكانية انتقالها عبر الفراغ؛ فأنت ترى القمر على الرغم من عدم وجود مادة في الفراغ بين الأرض والقمر، وكذلك يصل إلينا الضوء من النجوم والمجرات البعيدة عبر الفضاء السحيق الذي لا تشغله مادة؛ لأن الضوء موجات كهرومغناطيسية.

الموجات الكهرومغناطيسية (Electromagnetic Waves) يمكنها الانتقال عبر المادة أو الفراغ.

سرعة الضوء

لعلك شاهدت في بعض الأفلام الخيالية مركبات فضائية تسافر بسرعة أكبر من سرعة الضوء؛ في الواقع لا شيء من ذلك يحدث؛ فسرعة الضوء في الفراغ كبيرة جدًا، ولا يمكن لجسم التحرك بهذه السرعة؛ حيث ينتشر الضوء في الفراغ بسرعة 300000 كم/ث. فضوء الشمس يقطع مسافة 150 مليون كيلومتر تقريبًا ليصل الأرض خلال ثماني دقائق ونصف الدقيقة فقط.
لكن عند انتقال الضوء في أي مادة فإنه يتصادم مع دقائق المادة، فتقل سرعته. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ أكبر مما في المواد الصلبة. سرعة الضوء في الزجاج مثلًا تساوي 197000 كم/ث.

الطول الموجي للضوء وتردده

هل يمكنك تقدير طول موجة الضوء؟ بسبب صغر الطول الموجي للضوء فإنه يقاس بوحدة صغيرة جدًا تسمى (نانومتر)، والنانومتر الواحد جزء من بليون جزء من المتر.
فالطول الموجي للضوء الأخضر مثلًا هو (500 نانومتر)، ويكون تردد موجة الضوء التي لها هذا الطول الموجي 600 تريليون هرتز.

الشكل 16
يعكس القمر ضوء الشمس، فتنتقل موجات الضوء إلى عينيك فترى القمر.
استنتج هل يمكن لموجات الصوت أن تنتقل من القمر إلى الأرض؟ وضّح إجابتك.

الشكل 17
موجات الضوء مستعرضة وتكون من مجالين متذبذبين، أحدهما مغناطيسي والآخر كهربائي متعامدين أحدهما مع الآخر، ومع اتجاه انتشار الموجات.
(يوضح الشكل: الطول الموجي – المجال المغناطيسي – المجال الكهربائي – اتجاه الانتشار)

خصائص موجات الضوء

موجات الضوء وجميع الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى موجات مستعرضة. تذكر أن الموجات المتولدة في الحبل المهتز مستعرضة؛ لأنها تتحرك في اتجاه عمودي على اتجاه انتشار الموجة. فعندما تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية خلال المادة تجعل دقائق المادة تهتز في اتجاه يتعامد مع اتجاه انتقال الموجة.

تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من جزأين: كهربائي ومغناطيسي، كما يبين الشكل 17، وكل جزء يسمى مجالًا، ويتذبذب في اتجاه عمودي على الآخر. ويسمى عدد الاهتزازات التي يحدثها المجالان الكهربائي والمغناطيسي في الثانية الواحدة تردد الموجة. أما الطول الموجي فهو المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتالين لتذبذب المجال الكهربائي أو المغناطيسي.

شدة الموجات الضوئية

تعد شدة الموجات مقياسًا لمقدار الطاقة التي تحملها هذه الموجات. أما عن الضوء فإن شدة موجاته تحدد مقدار سطوعه؛ فالضوء الخافت له شدة منخفضة؛ لأن موجاته تحمل القليل من الطاقة. وعندما تبتعد عن مصدر الضوء تتشتت طاقته، فتقل شدته.

ماذا قرأت؟
ما الذي يحدد شدة موجات الضوء؟

الطيف الكهرومغناطيسي

لا تنحصر الموجات الكهرومغناطيسية في موجات الضوء فقط؛ فهناك طيف كامل من الموجات الكهرومغناطيسية، كما يوضح الشكل 18.
الطيف الكهرومغناطيسي (Electromagnetic Spectrum) هو مدى كامل لكافة الترددات الكهرومغناطيسية وأطوالها الموجية. يمثل أحد طرفي الطيف الترددات المنخفضة؛ أي الموجات التي لها أطوال موجية كبيرة وتحمل القليل من الطاقة. أما على الطرف الآخر فتقع الترددات العالية التي تمثل موجات لها أطوال موجية قصيرة وتحمل طاقة كبيرة.
وكافة الموجات من موجات الراديو إلى الضوء المرئي إلى أشعة جاما تمثل موجات الطيف الكهرومغناطيسي، ولا يختلف أي منها عن الآخر إلا في تردده وطول موجته والطاقة التي يحملها.

تجربة عملية: تشتت أمواج الضوء
ارجع إلى كراسة التجارب العملية على منصة عين الأثرائية. (QR)

العلم عبر المواقع الإلكترونية — الليزر
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت للبحث عن ارتباطات تفيدك في معلومات توضح سبب اكتساب ضوء الليزر أهميته من شدة الضوء الذي ينتجه.
نشاط: اكتب فقرة قصيرة تصف فيها ثلاثة استخدامات لليزر.

الشكل 18
للموجات الكهرومغناطيسية مجال واسع من الترددات، والأطوال الموجية يسمى الطيف الكهرومغناطيسي.
تحقق كيف يتغير تردد الموجات الكهرومغناطيسية بتغير أطوالها الموجية؟

أمواج الراديو والميكروويف

الموجات التي تنقل المعلومات إلى أجهزة التلفاز والمذياع في منزلك هي موجات راديوية، والأطوال الموجية لها تزيد على 0.3 متر، ويصل الطول الموجي لبعضها آلاف الأمتار.
وأقصر الموجات الراديوية تسمى موجات الميكروويف؛ حيث يتراوح طولها الموجي بين 0.001 متر إلى 0.3 متر. وتستخدم هذه الموجات في تسخين الطعام في فرن الميكروويف، وتستخدم كذلك في إرسال واستقبال المعلومات عبر خلايا الهاتف النقال.

الموجات تحت الحمراء

عندما تستخدم جهاز التحكم في التلفاز (الريموت) فإنك ترسل موجات تحت حمراء، يستقبلها مجس خاص بالتلفاز.
وللموجات تحت الحمراء (Infrared Wave) طول موجي يتراوح بين 0.001 متر إلى 700 جزء من بليون من المتر. وتصدر جميع الأجسام الساخنة موجات تحت حمراء. ونظرًا لهذه الخاصية في الأجسام تستخدم الجيوش وفرق الإنقاذ وغيرها نظارات أو مناظير ليلية خاصة حساسة للموجات تحت الحمراء لكي تحدد مواقع الأجسام الساخنة أو الأشخاص في الظلام.

الضوء المرئي والألوان

من بين الموجات الكهرومغناطيسية هناك حزمة مميزة تنحصر أطوالها بين 400 و700 جزء من بليون من المتر. وسبب تميزها أن هذا الجزء من الموجات هو ما يتمكن الإنسان من رؤيته، ولذلك يسمى الضوء المرئي.
ويبين الشكل 19 كيف ترتبط الأطوال الموجية المختلفة مع ألوان الضوء المختلفة؛ فالضوء الأبيض ومنه ضوء الشمس الذي نراه أو ضوء المصباح اليدوي يتركب من ألوان مختلفة. ويمكنك التأكد من ذلك باستخدام منشور لتحليل الضوء الأبيض إلى ألوانه السبعة؛ فعندما ينفذ الضوء الأبيض عبر المنشور فإن الأطوال الموجية المختلفة تنكسر بمقادير مختلفة، فتظهر الألوان المختلفة. ويكون انكسار الضوء البنفسجي هو الأكثر؛ لأن له أقصر الأطوال الموجية المرئية، في حين يكون انكسار اللون الأحمر هو الأقل.

الشكل 19
الضوء المرئي يشكل نطاقًا من الموجات الكهرومغناطيسية تتراوح أطوالها بين 400–700 جزء من بليون من المتر. ويعتمد لون الضوء المرئي على طوله الموجي.
حدد لون الضوء المرئي الذي له أعلى تردد.

ماذا قرأت؟
ما مدى الأطوال الموجية للموجات الكهرومغناطيسية التي يمكن للناس رؤيتها؟

الموجات فوق البنفسجية

الموجات الكهرومغناطيسية التي تقع أطوالها الموجية بين 10 أجزاء إلى 400 جزء من البليون من المتر تسمى موجات فوق بنفسجية (Ultraviolet Waves). وهذه الأطوال الموجية أقصر من الأطوال الموجية للضوء المرئي. كذلك فإن هذه الموجات تحمل طاقة أكثر من الطاقة التي تحملها موجات الضوء المرئي.
وتحتوي أشعة الشمس التي تصل إلى سطح الأرض على جزء صغير منها، وهو الذي يؤدي إلى حرق الجلد عند تعرضه لأشعة الشمس المباشرة فترة طويلة. ويؤدي طول التعرض لموجات الأشعة فوق البنفسجية إلى تدمير خلايا الجلد، وقد تؤدي إلى سرطان الجلد. ويحتاج جسم الإنسان إلى القليل من التعرض للأشعة فوق البنفسجية هذه لتكوين فيتامين د الذي يساعد على بناء العظام السليمة والأسنان.

الأشعة السينية وأشعة جاما

موجات الطيف الكهرومغناطيسي التي لها أكبر طاقة وأعلى تردد وأقصر أطوال موجية. فإذا تعرض شخص لكسر في أحد عظامه فإن الإجراء الفوري الذي يتخذه الطبيب هو التصوير بالأشعة السينية لمنطقة الإصابة؛ فللأشعة السينية طاقة تكفي لاختراق الجسم؛ حيث تنفذ خلال الأنسجة اللينة، أما أجزاء الجسم الكثيفة – ومنها العظام – فتوقفها، مما يجعلها مناسبة لتصوير أعضاء الجسم الداخلية.
أما أشعة جاما فلها طاقة أكبر كثيرًا من طاقة الأشعة السينية، ومن استخداماتها قتل البكتيريا التي تسبب فساد الأطعمة في الصناعات الغذائية.

الموجات الكهرومغناطيسية القادمة من الشمس

معظم الطاقة التي ترسلها الشمس تقع ضمن الموجات فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، كما يبين الشكل 20. وهذه الموجات جميعها تحمل الطاقة من الشمس لتنشرها في جميع الاتجاهات، ويصل إلى الأرض جزء بسيط من هذه الطاقة. ومن رحمة الله سبحانه وتعالى أن الغلاف الجوي للأرض يعمل على امتصاص معظم الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس ويمنعها من الوصول إلى الأرض. ولولا ذلك لأهلكت هذه الأشعة الفتاكة ما على سطح الأرض من حياة. قال تعالى:
﴿وَجَعَلْنَا السَّمَاءَ سَقْفًا مَحْفُوظًا وَهُمْ عَنْ آيَاتِهَا مُعْرِضُونَ﴾ (الأنبياء: 32)
ولذلك فإن ما يصل إلى سطح الأرض من طاقة الشمس هو ما تحمله الموجات الكهرومغناطيسية المرئية والموجات تحت الحمراء.

الشكل 20
إن 49% من الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبعث من الشمس تقع ضمن الأشعة تحت الحمراء، و43% ضوء مرئي، و7% فوق بنفسجية.

تجربة — فصل الأطوال الموجية
الخطوات

• ضع المنشور الزجاجي في ضوء الشمس، بحيث تظهر ألوان الطيف بوضوح.
• ضع المنشور على سطح الطاولة، ثم سلط عليه ضوءًا من مصباح يدوي، وسجل ملاحظاتك.
• سلط ضوء الليزر على المنشور، وسجل ملاحظاتك.

تحذير: لا تسلط ضوء الليزر على عيون زملائك.

التحليل

• حدِّد ما إذا كان الضوء الصادر عن الشمس والضوء الصادر عن المصباح اليدوي لهما موجات ضوئية ذات أطوال مختلفة أم لا.
• حدِّد ما إذا كان الضوء الصادر عن جهاز الليزر له موجات ضوئية ذات أطوال مختلفة أم لا.

الشكل 21
القرنية والعدسة تجمعان الضوء الذي يدخل عينيك ليشكل صورة واضحة على الشبكية تُرسل في صورة إشارة عصبية للدماغ.

العين ورؤية الضوء

ترى العين الأجسام عندما يدخل الضوء المنبعث من الجسم أو المنعكس عن الجسم إلى العين، كما يبين الشكل 21. يعبر الضوء أولًا طبقة شفافة من العين تسمى القرنية، ثم العدسة الشفافة، وهي مرنة؛ حتى تتمكن من تغيير شكلها عندما تركز نظرك على أجسام قريبة أو بعيدة، كما يوضحه الشكل 22. وفي بعض الحالات المرضية – والتي تسمى عيوب الإبصار – لا تتمكن العين من تكوين صورة واضحة للأجسام البعيدة أو القريبة، كما يبين الشكل 23 على الصفحة التالية.

(مربع QR) انظر كتاب جرعة وعي (صحة العين).

ما سبب رؤيتنا ألوان الأجسام؟

عندما تسقط موجات الضوء على جسم فإن بعضها ينعكس عنه. وتحدد الأطوال الموجية لهذا الجزء المنعكس من الضوء لون الجسم؛ فعند سقوط الضوء على وردة حمراء مثلًا تنعكس عنها الأمواج التي تقع أطوالها الموجية ضمن الجزء الأحمر من الطيف المرئي.
أما الأجسام التي تبعث الضوء فإن لونها يتحدد بالأطوال الموجية للضوء المنبعث منها. فضوء النيون يظهر باللون الأحمر لأنه يبعث أمواجًا تقع أطوالها الموجية ضمن الجزء الأحمر من الطيف المرئي.

الشكل 22
يتغير شكل عدسة العين عندما تركز نظرك على جسم قريب أو جسم بعيد.

• تصبح العدسة أكثر تحدبًا عندما تركز النظر على جسم قريب.
• تصبح العدسة أكثر انبساطًا عندما تركز النظر على جسم بعيد.

المشاكل الشائعة للرؤية

الشكل 23
ينفذ الضوء في عين الإنسان خلال قرنية وعدسة العين الشفافتين اللتين تركزان الضوء القادم من الجسم على شبكية العين مكونة صورة واضحة. وتظهر مشاكل الرؤية عندما لا تتكون الصورة على الشبكية. وأكثر مشاكل الإبصار شيوعًا هي طول النظر وقصر النظر.

قصر النظر
يتمكن الشخص المصاب بقصر النظر من رؤية الأجسام القريبة بوضوح، أما الأجسام البعيدة فلا يستطيع رؤيتها بوضوح. وينتج قصر النظر عندما يكون الجسم الكروي للعين (مقلة العين) أكثر استطالة؛ ما يؤدي إلى تكون صورة الأجسام البعيدة في مكان قبل الشبكية. وتصحح هذه المشكلة بوضع نظارات طبية أو عدسات مقعرة لاصقة، وكذلك تستخدم جراحة الليزر لتصحيح قصر النظر بإعادة تشكيل القرنية من أجل معالجة المشكلة.

طول النظر
يتمكن الشخص المصاب بطول النظر من رؤية الأجسام البعيدة بوضوح، ولكنه لا يستطيع رؤية الأجسام القريبة بوضوح. وينتج طول النظر عندما تكون كرة العين (مقلة العين) قصيرة جدًا؛ حيث إن الضوء القادم من الجسم البعيد لا يتجمع عندما يصل الشبكية ليكون صورة واضحة عليها.
ويصحح طول النظر أيضًا باستعمال نظارات أو عدسات محدبة مناسبة. ويصاب الناس بطول النظر عندما يتقدمون في السن؛ حيث تطرأ تغيرات على شكل عدسة العين. ويمكن تصحيح طول النظر باستخدام جراحة الليزر.

ص195

الخلايا المخروطية والعصوية

تحوي شبكية العين ما يزيد على مائة مليون خلية حساسة للضوء تسمى خلايا مخروطية وعصوية، كما يبينها الشكل 24. والخلايا العصوية حساسة للضوء الخافت، في حين تمكنك الخلايا المخروطية من رؤية الألوان. وهناك ثلاثة أنواع من الخلايا المخروطية: النوع الأول حساس للوني الضوء الأحمر والأصفر، والنوع الثاني حساس للونين الأخضر والأصفر، والنوع الثالث حساس للونين الأزرق والبنفسجي. وترسل جميع الإشارات إلى الدماغ بواسطة أنواع الخلايا المخروطية الثلاثة لتشكل الصورة الملونة للجسم الذي تراه.

الشكل 24
الخلايا المخروطية والعصوية في شبكية العين تحدد الضوء، وترسل إشارات عصبية للدماغ.

اختبر نفسك

• حدد الموجات الكهرومغناطيسية التي لها أكبر طول موجي، والموجات الكهرومغناطيسية التي لها أقصر طول موجي.
• صف الفرق بين موجات الراديو، والضوء المرئي، وأشعة جاما.
• قارن بين الخلايا العصوية والخلايا المخروطية في شبكية عين الإنسان.
• وضح لماذا يكون معظم ما يصل سطح الأرض من الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس ضمن الأمواج تحت الحمراء وموجات الضوء المرئي؟
• التفكير الناقد: وضح لماذا يتناقص سطوع الضوء المنبعث من مصباح كلما ابتعدت عنه؟

تطبيق المهارات

• رسم خريطة مفاهيم: صمم خريطة مفاهيم تبين تسلسل الخطوات التي تحدث عندما تشاهد جسمًا أزرق اللون.
• تمييز السبب والنتيجة: لماذا ينتقل الضوء في الفراغ بسرعة أكبر من سرعته في الأجسام؟

الخلاصة

الضوء والموجات الكهرومغناطيسية

• موجات الضوء موجات كهرومغناطيسية. تنتقل عبر الفراغ بسرعة 300000 كم/ث.
• الموجات الكهرومغناطيسية موجات مستعرضة تتكون من مجالين: كهربائي ومغناطيسي متذبذبين.
• تشكل موجات الراديو والموجات تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما الطيف الكهرومغناطيسي.
• أغلب الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس تقع ضمن الموجات تحت الحمراء والمرئية وفوق البنفسجية.

اللون والرؤية

• لون الجسم هو لون الضوء الذي ينبعث منه أو ينعكس عنه.
• ترى الجسم عندما يصدر موجات ضوئية أو تنعكس عنه فتدخل عينيك وتسقط على الشبكية.
• عند سقوط الضوء على الشبكية تحس به الخلايا العصوية والمخروطية؛ وهي خلايا حساسة للضوء، وترسل إشاراتها إلى الدماغ.