الضوء هو عبارة عن إشعاعات كهرومغناطيسية تُمثل أجزاء ضيقة من الطيف الكهرومغناطيسي الكامل، وهذا الجزء الضيق هو الذي تستطيع العين المجردة رؤيته. ويسير هذا الضوء في عدة مسارات واتجاهات عديدة والتي من الممكن تحديدها وهو ما سنتعرف عليه في هذا الموضوع، كما سنذكر بعض المعلومات المهمة عن الضوء.

طريقة تحديد مسار الضوء في الهواء

 قبل أن نتعرف على طريقة تحديد مسار الضوء في الهواء، يجب علينا أولًا التعرف على مفهوم الضوء، وأبعاده، وخصائصه، وهو ما سنذكره في السطور التالية.

مفهوم الضوء الضوء

هو الإشعاعات المتكونة من الموجات الكهرومغناطيسية، والتي تقوم بالانعكاس على الأجساد الشفافة حتى نتمكن من مشاهدتها بواسطة العين المجردة.

الضوء يمتلك ما يُعرف بالأطوال الموجية المختلفة، والتي تتمثل في الألوان السبعة للطيف، والتي تنعكس على العينين لتنتقل للعقل الذي يقوم بترجمته للون الذي يمثل الأطوال الموجية.

فالألوان البنفسجية تمتلك طول موجي قصير جدًا، والألوان الحمراء تمتلك طول موجي طويل جدًا، ولكن الألوان البرتقالية والزرقاء والخضراء والصفراء تمتلك أطوال موجية متوسطة.

أبعاد الضوء يمتلك الضوء ثلاث أبعاد رئيسية، وهم

·       الزاوية الخاصة بالاهتزاز وهي المعروفة باسم الاستقطاب.

·       ما يُعرف بالمطال أو الشدة.

·       ما يُعرف بالتواتر أو اللون.

خصائص الضوء

 جميع الخصائص الضوئية تنطبق على الطيف الكهرومغناطيسي بشكل كامل، سواء كانت خصائص تتعلق بالبصر كالانعكاسات، والانكسارات، وما يُعرف بالحيود، والاستقطاب، والانتشار، وغيرها.

 أو الخصائص المتعلقة بالموجة، فالضوء عبارة عن موجة كهربائية، وموجة مغناطيسية في شكل متراكب، لذلك فهو لديه الخصائص الخاصة بالموجة، فإن للضوء تردد، والتردد عدد مرات تكرر الموجات لذاتها بالوحدة الزمنية، ويمتلك الأطوال الموجية.

و الطول الموجي هو المسافة الواقعة بين قمة وقمة أخرى متتالية، أو قاع وقاع أخر متتالي، بالإضافة للسعة، والسعة الموجية هي الارتفاع الخاص بالموجة، أو بشكل أدق هي الإزاحة عن نقط الاتزان، فارتفاع موجات تسونامي هو نفسها سعتها.

الانكسار الضوئي هو تغيير السرعة الضوئية عند انتقالها من وسط لآخر بشرط امتلاك كلًا منهما لمعامل انكسار يختلف عن الأخر، لتقل السرعة الضوئية لو انتقل الضوء من أوساط تمتلك معامل انكسار أقل لأوساط تمتلك معامل انكسار أكبر.

مما سوف يؤدي لاقتراب الأشعة الضوئية من الخطوط الافتراضية العمودية على السطحين، والعكس صحيح، وعند سقوط الضوء على الأسطح الفاصلة بين وسط ووسط أخر يختلف عنه فإن جزء منه سينكسر، والجزء الأخر سينعكس.

المقدار الخاص بالانكسار وبالانعكاس يتم تحديده تبعًا إلى نوع المواد المُشكّلة للوسط الثاني، والانعكاس الضوئي هو الشعاع الضوئي الذي يرتد عن الأسطح الفاصلة بين وسط ووسط أخر يمتلك كلًا منهما معامل انكسار يختلف عن الأخر.

و تتساوى الزاوية التي تنحصر بين الأشعة الساقطة والخط العمودي الوهمي على الأسطح مع الزاوية الواقعة بين الخط ذاته والأشعة المنعكسة، فزاوية السقوط مساوية لزاوية الانعكاس.

عملية التشتت من الممكن تعريفها بالحقيقة التالية: للأطول الموجية – لكل لون – معامل انكسار يخصها وحدها، وهذا ما ينتج عنه تعرض الضوء للتحلل ورؤية ألوان الطيف السبعة.

 أما فيما يخص العملية المرتبطة بالاستقطاب فهي تُعرف بتخفيف الشدة الضوئية بالسماح بمركبة الموجة الضوئية التي هي في زاوية متساوية مع الزاوية التي تم ضبط المستقطب عليها، فالموجة الضوئية القادمة من مكان ما تكون في حالة اهتزازية بالاتجاهات المختلفة.

 لكن عند الاستقطاب فالمستقطب يسمح للموجات المُهتزة بأحد الزوايا المحددة لأن تعبر ثم يعكس باقي الموجات الأخرى، فهو يعمل على تخفيف الشدة الضوئية.

كيفية قياس السرعة الضوئية

كان العلماء قديمًا دائمًا ما يحاولون قياس سرعة الضوء، وبالمنطق يجب التفكير في القانون الخاص بالسرعة، فالسرعة تساوي حاصل قسمة المسافة / الزمن، لكن من الضوء الأمر ليس سهلًا، فالضوء يتميز بسرعته العالية.

وقد حاول العالم جاليلو، والعالم رومر قياس سرعة الضوء، وبالجدير ذكره أن أفضل نتيجة دقيقة كانت التي أوضحت السرعة الضوئية بالليزر وبالساعات الذرية. فبعد عام 1970 ميلاديًا تم تطوير هذه الوسائل، مما ازداد تشجيع العلماء على إعادة قياس السرعة الضوئية للحصول على نتائج دقيقة أكثر.

وفي عام 1973 ميلاديًا قام العالم إفانسون Evanson بقياس السرعة الضوئية، والعديد من العلماء أيضًا.

و تمكنوا من الحصول على قيم تتسم بالدقة الشديدة جدًا، وهي 299.792.457.4 متر / الثانية،

 و كانت نسبة الأخطاء في القيمة السابقة تساوي ±1 م/ث. وبعد ذلك كان يجب تحديد السرعة الضوئية بقيم تتسم بالثبات، ولهذا تم اللجوء للسعات الذرة عالية الدقة ولليزر، وتم تعريف المر بشكل مطلق يتفق عليه الجميع، وهو يعبر عن المسافة التي يقوم الضوء بقطعها في مدة مقدارها 299,792,458/1 من الثانية.

و لذلك فقد اتفق المجتمع الدولي على أن السرعة الضوئية تساوي 299,792,458 م/ ث، وهذه السرغة تتسم بالثبات بالفراغ ولا يمكن تغيرها مطلقًا، ولا يوجد أي من الأشياء المختلفة التي تستطيع أن تتحرك بسرعة تزيد عن السرعة بالفرغ، أي أنها أكبر سرعة في الكون.

سرعة الضوء في الأوساط الأخرى

من الممكن الحصول على الأوساط الأخرى بقياسها، أو بالاستعانة بالمعامل الخاص بالانكسار. وهو الذي يعبر عن المقدار الخاص بانحراف الضوء عندما ينتقل من وسط لأخر، فمعامل الانكسار = السرعة الضوئية بالفراغ / السرعة الضوئية بالوسط.

و من خلال هذه العلاقة نستنتج أن معامل الانكسار لن يأخذ قيمة تقل عن الواحد، وهذا الواحد سوف يكون في حالة حركة الضوء بالفراغ، ويرجع ذلك إلى أن الضوء يتسم بالبطء بالأوساط، وبالجدير ذكره أن معامل الانكسار لا يملك وحدة.

و من الممكن الحصول على السرعة الضوئية بالأوساط الأخرى بقياسه مثلما كان يحدث عند استخدام الليزر، ولكن بعد وضع احدى المواد التي تحتاج لقياس السرعة الضوئية فيها بطريق الليزر.

السنة الضوئية

وهي المعروفة بوحدة المسافة، ولكن قد يتسم الأمر ببعض التضليل، وذلك لاستخدام مصطلح ” سنة “، فيعتقد البعض أنها وحدة خاصة بالزمن.

و لكن وحدة المسافة التي تُعرف باسم السنة الضوئية يتم استخدمها ضمن النطاق المرتبط بالمجرة، وعند التحدث عن مسافة أكبر من المجرة فنستخدم وحدة مسافة أخرى والمعروفة بالفرسخ الفلكي.

السنة الضوئية الواحدة هي المسافة التي يقوم الضوء بقطعها في عام جولياني واحد بالفراغ، والعام الجولياني فهو يساوي 365.25 يوم. وهي نفس العام الأرضي المستخدم بالتقويم الشمسي،

و بشكل بسيط فالسنة الضوئية الواحدة = 9,460,730,472,580.8، أو بما يقرب من 9.46 × 1015 م.

طريقة تحديد مسار الضوء في الهواء

يتحرك الضوء بمسارات مستقيمة تمامًا، ويستمر في طريقه المستقيم حتى يصطدم بأي وسط أخر يقوم بمصادفته. ومن خلال ذلك فالضوء المنتقل من خلال الهواء أو المياه أو شيء أخر أو لا يصطدم بأي شيء من الأساس يظل ساريًا بشكل مستقيم ما لم يصطدم بواجهة أخرى.

و عندما نقوم بإجراء احدى التجارب الاستهلالية حتى نستطيع تحديد مسار شعاع الضوء بالهواء، سوف نستنتج الآتي:

يقوم شعاع الضوء بالسير في خط مستقيم.

يتغير مسار الضوء المستقيم عندما يصطدم بحاجز.

طرق تغيير مسار الضوء في الهواء

·       يمكن تغيير مسار الإشعاع الضوئي من خلال ثلاث طرق أساسية، وهي:

·       الانعكاس الضوئي.

·        الانكسار الضوئي.

 الامتصاص الضوئي