الصوت حركة موجية

الصوت حركة موجية  الصوت له نفس الخصائص العامة للموجات وهي ينتشر في في الأوساط المادية فقط في جميع الاتجاهات في خطوط مستقيمة ينعكس على الاسطح العاكسة وتنطبق عليه قوانين الانعكاس ينكسر عند انتقاله من وسط الى وسط تختلف سرعته في الأول عن الثاني وتنطبق عليه قوانين الانكسار الاصوات المتساوية في التردد والسعة يحدث لها تداخل عند مرور الموجات الصوتية من فتحة أو عند اعتراضه بعائق يحدث له حيود كيف يعمل البريمج يمكن التحكم عبر المفاتيح في الطول الموجي والسعة والطور للموجات الثلاث وبالتالي تظهر مباشرة محصلة الموجات باللون الازرق ويمكن تحريك الموجات بالضغط على ابدأ وايضا يمكن التحكم في السرعة

المصطلحات ظاهرة تراكب الموجات ظاهرة عبور الموجات لبعضها البعض دون أن يحدث لها أي تعديل مبدأ تراكب الموجات اذا وقعت نقطة تحت تأثير موجتين في نفس الوقت فان ازاحتها تساوي المجموع الجبري للازاحتين مبدأ تراكب الموجات اذا عبرت سلك أو زنبرك أو حبل أو أي وسط آخر عدة نبضات في نفس الوقت فإن محصلة الازاحات لأي دقيقة من دقائق الوسط تساوي المجموع الجبري للازاحات الناتجة عن النبضات وعندئذ تكون المحصلة هي مجموع شدة الموجات ملاحظات يمكن أن تتراكب الموجات المنتشرة في نفس الوسط مثل خيط أو حبل وتعطي موجة محصلة سعة الموجة المحصلة تكون شدتها ( السعة ) = مجموع الشدة للموجات المتراكبة 1 - اذا كانت ازاحة الموجات في اتجاه واحد الى أعلى أو إلى أسفل فإن الموجة المحصلة تساوي مجموع الازاحتين  2 - اذا كانت الازاحتان في اتجاهين متضادين فإن الموجه المحصلة تساوي الفرق بين الازاحتين  ويمكنك من خلال بريمج الجافا أعلاه تطبيق ما سبق تراكب النبضات سلوك النبضات   النبضة : هي اضطراب فردي غير متكرر ( قمة مثلا أو قاع ) كيف تنتشر النبضات اذا حركنا خيطا مشدودا بحيث تنطلق فيه نبضة نتيجة حركة اليد إلى أعلى أو الى اسفل فان النبضة تستمر في الخيط حتى تصل الى الطرف الاخر من الخيط   يلاحظ أن جزيئات الخيط تتحرك الى أعلى وإلى أسفل في النصف الأيسر من النبضة بينما تتحرك إلى أعلى في النصف الأيمن منها وبالتالي تتحرك جميع جزيئات الحبل دون أن تنتقل من مكانها ولكن تنتقل النبضة على طول الخيط أو الحبل تراكب نبضتين موجبتين [ قمتين ] مختلفتين في السعة في اتجاهين متعاكسين عندما تتقابل النبضتان تزداد سعة اهتزاز النبضة المحصلة وتساوي مجموع سعتي النبضتين وبعد الانفصال تسير كل من النبضتين في نفس مسارها الاصلي بنفس طاقتها تقريبا تراكب نبضتين إحداهما موجبة والأخرى سالبة ومختلفتين في السعة في اتجاهين متعاكسين عندم تتقابل النبضتان تقل سعة اهتزاز النبضة المحصلة لأن إحداهما موجبة والأخرى سالبة وتصبح الشدة الفرق بين شدتي الموجتين وبعد الانفصال تسير كل منهما في نفس مسارها الأصلي بنفس طاقتها تقريبا  انعكاس الموجات المستعرضة في حبل - وتر - اذا سقطت نبضة مستعرضة في حبل او وتر [ قمة أو قاع ] فإنها ترتد حسب تثبيت الحبل وذلك يكون في حالتين الحالة الأولى : اذا كان طرف الحبل البعيد حر الحركة   التفسير : عند وصول النبضة الى العروة تحدث قوة على نهاية الحبل حرة الحركة لأعلى فتتسبب بتحريك العروة لأعلى وبفعل مركبة قوة الشد لأسفل تبدأ الحلقة في الهبوط الى موضعها الاصلي فتنعكس النبضة غير مقلوبة لتتحرك في الاتجاه المضاد بسعة تساوي سعة النبضة الساقطة الحالة الثانية : اذا كان طرف الحبل البعيد مقيد الحركة [ مثبت في القائم الرأسي ]   التفسير : عند وصول النبضة الى نهاية الحبل المثبتة في القائم الراسي يحدث الحبل قوة الى أعلى على القائم ولا يستطيع تحريكه ومن قانون نيوتن الثالث يحدث القائم قوة رد فعل لأسفل مساوية له في المقدار ومعاكسة له في الاتجاه وبسبب هذه القوة العكسية لاسفل تنقلب النبضة فترتد القمة قاع ويرتد القاع قمة

نبذة عن غيزياء الصوت

فيزياء الصوت

ينشأ الصوت عن اهتزاز الاجسام والصوت المسموع تردده من 20 ذ/ ث الى 20000 ذ / ث

كيفية الاحساس بالسمع

1. تنتقل الاهتزازات عبر وسط مادي [ هواء - سائل - صلب ] الى أذن الانسان
2. تكبر الاذن هذه الاهتزازات ثم تنقلها الى المخ عن طريق العصب السمعي
3. يعمل المخ على ترجمة هذه الأصوات لفهم معناها

أولا : انعكاس الصوت

ينعكس الصوت على الأسطح الصلبة وعندما يعاد سماعه مرة ثانية تسمى ظاهرة انعكاس الصوت بالصدى

انعكاس الصوت [ هو ارتداد الموجات الصوتية عندما تقابل سطحا عاكسا ] Reflection of Sound

الصدى Echo

 هو ظاهرة تكرار سماع الصوت الناشيء عن الانعكاس

شروط سماع صدى الصوت

الإحساس بالصوت في الأذن البشرية يستمر 0.1 ثانية ولذلك عند وصول الصدى للأذن قبل مضي 0.1 ثانية فإنه يمتزج بالصوت الأصلي وبالتالي لا يمكن تميزه ولكن إذا وصل بعد مضي 0.1 ثانية فإن الصدى يسمع ولذلك فإن اقل مسافة يحدث عندها صدى لسطح عاكس هي مسافة 17 متر

بما أن سرعة الصوت = 340 م / ث

إذا المسافة = 0.1 × 340 / 2 = 17 ذهابا وإيابا

انعكاس الموجات الصوتية

الموجات الصوتية على شكل تضاغطات وتخلخلات متعاقبة على شكل كرات متحدة المركز تنعكس على السطح العاكس على هيئة موجات كروية أيضا ولكن يكون مركزها خلف الحاجز على نفس البعد من السطح العاكس أي يكون السطح العاكس في منتصف المسافة بين المصدر الأصلي م ومصدر الموجات المنعكسة  م ً

قانونا الانعكاس

زاوية السقوط = زاوية الانعكاس

الشعاع الصوتي الساقط والشعاع الصوتي المنعكس والعمود المقام من نقطة السقوط تقع جميعا في مستوى واحد عموديا على السطح العاكس

تعريف

الشعاع الصوتي : هو المستقيم الذي يدل على اتجاه انتشار الموجات الصوتية

---

ثانيا : انكسار الصوت

Refraction of sound

عند سقوط الموجات الصوتية من وسط إلى آخر يختلف عنه في الكثافة فانه يغير مساره وينحرف

قانونا الانكسار

القانون الأول

  

حيث سرعة الصوت في الوسط الأول = V₁

سرعة الصوت في الوسط الثاني  = V₂  

_{زاوية السقوط في الوسط الأول φ}

_{زاوية السقوط في الوسط الثاني θ}

_{القانون الثاني}

_{الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمود المقام تقع في مستوى واحد عمودي على السطح الفاصل}

_{ملاحظات}

_{ينكسر الصوت مقتربا من العمود إذا كانت سرعة الصوت في الوسط الأول أكبر من سرعة الصوت في الوسط الثاني والعكس صحيح}

_{سرعة الصوت في الغازات تقل كلما زادت كثافتها بينما في السوائل والأجسام الصلبة فإن سرعة الصوت تزداد مع زيادة الكثافة}

---

_{تداخل الصوت}

_{SOUND Interferference}

_{تعريف التداخل}

_{هو ظاهرة موجية تنشأ من تراكب حركتين موجيتين أو أكثر متساويتين في التردد والسعة ينتج عنها تقوية للصوت في مواضع تسمى تداخل بناء وضعف أو انعدام في الشدة في مواضع تسمى تداخل هدام}

_{شروط حدوث التداخل}

_{1 - أن يكون للموجتين نفس التردد والسعة}

_{2 - أن يكون خط انتشار الموجتين واحدا أو بينهما زاوية صغيرة جدا}

_{التداخل البناء : يتقابل تضاغط من المصدر الأول مع تضاغط من المصدر الثاني أو تقابل تخلخل مع تخلخل} 

_{الشرط أن يكون فرق المسير =} m λ  حيث m  = صفر ، 1 ، 2

التداخل الهدام : يتقابل تضاغط من المصدر الأول مع تخلخل من المصدر الثاني  

الشرط أن يكون فرق المسير =   (  ½+ λ   ( M

 

تطبيق

كم يجب أن يكون البعد X  لكي يحدث تداخل بناء عند الشخص ؟ علما بأن f = 200 Hz         v = 343 m/s l = v / f = 343/200 = 1.7 m            شرط التداخل البناء Condition for constructive inteference  d - x= λ

d - x = λ                          (1)
d = x +λ                          (2)  

d² = 3² + x²                    (3)

(x + λ)² = 9 + x²              (4)
2 x λ + λ² = 9                  (5)
x = (9 - λ²) / 2λ               (6)
= (9 - 1.7²) / 2(1.7)          (7)
= 1.8 m

---

حيود الصوت       SOUND Diffraction

 الحيود :: هو تغير في مسار الموجة أو انحناؤها عند مرورها في فتحة ضيقة بالنسبة لطولها الموجي [ أي عندما تكون أبعاد الفتحة مقاربة للطول الموجي أو عند مرورها بحافة حادة في نفس الوسط ]

تفسير الحيود

عند سقوط الموجات الصوتية على حاجز به ثقب اتساعه أقل من الطول الموجي للصوت نجد أن الموجات الساقطة على الحاجز عدا الثقب أو الحافة تمتص أو تنعكس ولكن عند الثقب ينتج اضطراب خلف الحاجز يسبب انتشار الموجات الصوتية في مخروط أو مروحة وهذا يفسر سماع صوت شخص خلف الحاجز

 

الـبـلازمــــــا

الـبـلازمــــــا

كلمة بلازما لدى معظم الناس تعنى فقط أنها الحالة الرابعة من المادة وهى توجد فقط فى التفاعلات النووية التى تحدث فى اعماق النجوم وعلى اسطحها أو تلك التى تحدث فى المفاعلات النووية حيث درجات الحرارة العالية والضغط المرتفع، ولكن هناك العديد من الصناعات التكنولوجية المعقدة جدا تعتمد اعتمادا كليا على استخدام البلازما المصنعة فى المختبر، من هذه الصناعات صناعة الدوائر الالكترونية المتكاملة وتصنيع الماس وعمل رقائق واسلاك من المواد فائقة التوصيل للكهرباء وكذلك فى تحويل الغازات السامة إلى غازات نافعة هذا فضلا عن دراسة وفهم اسرار الكون الفسيح.  فى هذا المقال سوف نلقى الضوء على البلازما واستخداماتها.
 

معظم المواد فى الطبيعة توجد فى ثلاث حالات هى، الحالة الصلبة والحالة السائلة والحالة الغازية ويمكن تحويل المادة من حالة إلى اخرى اما بتغيير درجة الحرارة أو الضغط، وفى كل هذه الحالات تكون ذرات المادة محتفظة بالكتروناتها مرتبطة بها بقوى تجاذب كهربية.  ولكن هناك حالة رابعة للمادة وهى تكون على صورة غاز ولكن هذا الغاز يحتوى على خليط من أعداد متساوية من الايونات موجبة الشحنة والكترونات سالبة.  هذا الخليط يسمى بالغاز المتأين أو البلازما Plasma، وحيث أن البلازما حالة غير مستقرة فإن قوة التجاذب الكهربية تعمل على اعادة اتحاد الشحنات الموجبة والسالبة مع بعضها البعض، وتكون نتيجة اعادة الاتحاد هو انطلاق ضوء ذو تردد معين يعتمد على مستويات الطاقة للذرات المكونة لمادة البلازما.

أين توجد البلازما؟

غالبا معظم المواد الموجودة فى هذا الكون الفسيح توجد على شكل بلازما.  هذه البلازما تكون عند درجات حرارة عالية وكثافة عالية ايضا، وتتغير هذه الظروف من مكان إلى آخر، فعلى سبيل المثال تبلغ درجة حرارة مركز الشمس عشرة ملايين درجة مئوية بينما على سطحها فإن درجة الحرارة تصل إلى ستة الاف درجة مئوية، ومن هنا فإن البلازما داخل الشمس تختلف تماما عن خارجها.  ولكن على الكرة الأرضية حيث توجد المادة غالبا فى الحالة الصلبة، وطبقات الغلاف الجوى عبارة عن غاز غير متأين، أى أنه لا يوجد حالة بلازما طبيعية على سطح الأرض.  ولكن هل يمكن عمل بلازما فى المختبر؟  إذا كنت تقرأ هذا المقال تحت ضوء مصباح فلورسنت (النيون) فإن مصدر هذا الضوء هو عبارة عن بلازما مصنعة، فعند مرور التيار الكهربى داخل غاز (غاز الزئبق) تحت ضغط منخفض فإنه يعمل على تأين الغاز مخلفا خليطا من الأيونات الموجبة والالكترونات، ما تلبث ان تتحد مع بعضها البعض وتكون النتيجة انبعاث الضوء الساطع، وتستمر هاتان العمليتان (التأين والاتحاد) طالما استمر التيار الكهربى فى السريان.  هذا مثال على مصدر بلازما ذات درجة حرارة منخفضة موجود فى بيتك.

لكن قديما وحتى يومنا هذا اهتم علماء الفيزياء الفلكية بكشف اسرار الكون وفهم ماذا يحدث على سطح الشمس والنجوم الاخرى.  لذلك حاول العلماء تصنيع نفس البلازما الموجودة فى النجوم داخل المختبر، ولصنع هذه البلازما طور العلماء اجهزة مختلفة قادرة على توليد طاقة هائلة لانتاج بلازما بنفس ظروف البلازما الموجودة فى الطبيعة، كان احد هذه الاجهزة هو جهاز التحديد المغناطيسى Magnitec-confinment devices.  وتمت معرفة معلومات كثيرة عن تركيب وفهم السطح الخارجى للغلاف الشمسى.  ولكن ماذا عن البلازما الموجودة داخل الشمس ذات درجات الحرارة العالية جدا.  كيف يمكن تصنيعها فى المختبر؟  

فى الحقيقة وحتى عهد قريب وبتطور اجهرة الليزر اصبح بالامكان الحصول على بلازما مشابهة لتلك الموجودة على اى نجم سواء داخله أو خارجه.

 الحصول على بلازما بواسطة اشعة الليزر؟

نعلم أن الضوء هو عبارة عن تذبذب مجالين متعامدين احدهما كهربى والاخر مغناطيسى.  والليزر ما هو الا عبارة عن ضوء له خصائص مميزة تجعل شدة اشعاعه (الطاقة لكل وحدة مساحات لكل وحدة زمن) تزداد بزيادة المجال الكهربى والمغناطيسى لموجاته.

  ولكن هل يمكن أن يكون الضوء الناتج من اشعة الليزر أقوى من الأجسام الصلبة؟  إن شدة المجال الكهربى لشعاع الليزر تبلغ 5×10¹¹v/m عندما تكون شدة اشعاعه 3×1020W/m²، وفى أيامنا هذه تصل شدة اشعاع بعض انواع الليزر إلى مايقارب 1022W/m².  وبالمقارنة بشدة اشعاع مصباح كهربى عادى (60Watt) على بعد متر او مترين فهى لا تزيد عن 0.1W/m².  حيث أن المجال الكهربى لهذه الاشعة يفوق بكثير المجال الكهربى الذى يربط ذرات المواد الصلبة بعضها ببعض وبذلك فإن المجال الكهربى لشعاع الليزر سوف يؤثر على الكترونات المواد الصلبة ويفصلها عن الذرات تاركا أيونات موجبةـ وبهذا يحول الليزر جزء من المادة الصلبة إلى حالة بلازما.  يتضح مما سبق أنه يمكن استخدام اشعة الليزر المركزة لانتاج بلازما عند درجات حرارة عالية جدا داخل المختبر وبتكلفة قليلة.  يوضح شكل (1)  كيفية تصنيع بلازما فى المختبر باستخدام الليزر. 

ولهذا النظام العديد من التطبيقات الهامة فى مجال الفيزياء الفلكية حيث يتم اختيار نوع مادة الهدف وتصميمه بشكل هندسى معين حتى تكون البلازما الناتجة فى المختبر مشابهة لظروف البلازما الحقيقية للنجم المراد دراسته.  بالاضافة إلى إلى ذلك فإن البلازما تستخدم فى العديد من الصناعات.

 التطبيقات الصناعية للبلازما

صناعة الدوائر الالكترونية المتكاملة

تستخدم البلازما ذات درجات الحرارة المنخفضة فى العديد من المجالات الهامة على سبيل المثال، معظم الدوائر المتكاملة المعقدة جدا والتى تدخل فى تركيب كل جهاز الكترونى، هذه الدوائر الالكترونية تحتوى على عشرات الالاف من الترانزستورات والمكثفات موصلة ببعضها البعض بواسطة اسلاك قطرها فى حدود 0.1 ميكرومتر، هذا النوع من التكنولوجيا الدقيقة والمعقدة تصنع باستخدام البلارما، حيث تقوم البلازما بنحت الدوائر الالكترونية على شريحة السيليكون بناءا على القناع المعدنى الموضوع امام الشريحة.

فى هذه العملية يكون النحت على شريحة السليكون كالاتى:-

حيث أن الالكترونات داخل البلازما حرة الحركة وطاقتها اعلى من الايونات الموجبة فإنها تصل إلى اطراف البلازما بسرعة وتقوم بدورها بجذب الايونات الموجبة اتجاهها وتعجلها باتجاه الشريحة وعند اصطدام الايونات الموجبة بالمناطق المكشوفة على الشريحة تقوم بنحتها، وبعدها يستبدل القناع المعدنى باخر مطبوع عليه الدوائر الكهربية الخاصة بالطبقة الثانية وهكذا بالنسبة للطبقة الثالثة والرابعة …… والخ حتى تتم عملية النحت.

هنالك طريقة اخرى متبعة وهى تعتمد على استخدام مركب Carbon tetrafluoride CF4 كمصدر لانتاج البلازما، وعندها يتحول هذا المركب إلى اجزاء اخرى منها ذرات الفلورين.  هذه الذرات تتفاعل مع ذرات السيليكون المكونة للشريحة وتكون مركب جديد هو Silicon tetrafluoride والذى يمكن ازالته اثناء عملية الضخ.  يتضح مما سبق أن هذه الطريقة هى عملية كيميائية تقوم فيها ذرات الفلورين بالتهام السليكون المراد ازالته.  وهذه العملية اسرع من عملية النحت المذكورة سابقا.

وتجدر الاشارة إلى أن البحث والتطوير جارى منذ عام 1980 وحتى الأن للحصول على بلازما منتظمة لتغطى اكبر مساحة ممكنة حيث كانت شريحة السيليكون المستخدمة قديما تبلغ 2سم2 اما الأن فهى تصل إلى 20سم2، وهذه البلازما لها استخدامات عديدة فهى تستخدم فى شاشات اجهزة الكمبيوتر المتنقلة Notebook computer  كمصدر ضوئى، والتى ادت إلى تطور كبير فى مجال تكنولوجيا شاشات العرض.  ويسعى العلماء حاليا للحصول على شاشة مساحتها 1متر مربع وسمكها لايزيد عن 4-5 سم لاستخدامها كشاشة تلفزيون يمكن تعليقها فى المنازل والمحلات دون ان تشغل حيز من الغرفة، وهذا سوف يتحقق بالوصول إلى بلازما متجانسة على مساحة 1متر مربع.

حافظة على نظافة البيئة

تستخدم البلازما حاليا فى العديد من الدول المتقدمة فى التخلص من المواد السامة الملوثة للبيئة معتمدين على العمليات الكيميائية الفريدة التى تتم داخل البلازما.  حيث يمكن ان تقوم البلازما بتحويل المواد السامة المنبعثة من مداخن المصانع ومن عوادم السيارات مثل غاز اكسيد الكبريت (SO) واكسيد النيتريك (NO) إلى مواد غير سامة.  فعلى سبيل المثال غاز NO قبل ان يخرج من المدخنة إلى الغلاف الجوى، توجه عليه حزمة من الالكترونات ذات طاقة عالية من جهاز مثبت فى منتصف المدخنة  تعمل على تأيين الغازات الموجودة (المادة السامة NO والهواء) أى تحولها إلى حالة بلازما.  وقبل خروجها إلى الجو تكون مرحلة التأيين قد انتهت وتتكون جزيئات النيتروجين والاكسجين نتيجة لعملية اعادة الاتحاد.  وبهذا نكون قد حولنا الغازات الملوثة إلى غازات نافعة وبتكاليف قليلة.

يجدر الاشارة هنا أنه تم حديثا التوجه إلى معالجة الغازات المنطلقة من عوادم السيارات، حيث تم تركيب جهاز بلازما فى عادم السيارة ليعالج الغازات السامة قبل خروجها إلى الجو.

كذلك اجريت تجارب عديدة على الفضلات الصلبة والسائلة حيث تستخدم بلازما عند درجات حرارة عالية تصل إلى 6000 درجة مئوية تعمل على تبخير وتحطيم المواد السامة وتحولها إلى غازات غير سامة، وفى نهاية العملية يكون ماتبقى من مواد صلبة فى صورة زجاج.  وتم فى امريكا العام الماضى التخلص من حوالى 4000 مستودع يحتوى على فضلات صلبة وملوثة للبيئة بواسطة البلازما.  وقد كانت هذه الفضلات تدفن فى باطن الارض مما كانت تسبب اخطار تلوث.  وباستخدام البلازما يمكن حاليا التخلص من 200 كيلو جرام من المواد السامة فى الساعة.

كيف تصنع بلازما فى المختبر

لكى نصنع بلازما تحت ضغط منخفض لغاز ما، فإن كل ما يلزم هو مفرغة هواء بارتفاع متر وعرض نصف متر تقريبا، وكذلك مصدر تغذية للتيار المتردد، (فى الصناعة يكون مصدر التيار فى مجال ترددات الراديو 13.56MHz وحديثا يمكن استخدام اجهزة الميكرويف ذات ترددات اعلى 2.45GHz).  فى الواقع يمكن عمل بلازما باى شكل ولكن الاكثر استخداما فى الصناعة هو الموضح فى شكل (2)، ويحتوى على قرصين معدنيين نصف قطرهما حوالى 15 سم والمسافة الفاصلة بينهما من 4-5سم.  بعد ضخ الهواء بواسطة المفرغة يدخل الغاز المراد تحويلة إلى حالة بلازما وقد يكون خليط من الغازات، وبمجرد مرور التيار الكهربى (~200Watt) يبدأ الغاز فى التوهج مصدرا ضوءا ساطعا لونه يعتمد على نوع الغاز.

أنواع الضوء ومصادره

أنواع الضوء ومصادره 

ضوء الأبراج

         هو وهج مخروطي الشكل، لضوء خافت، ينتشر في السماء؛ يُرى من جهة الغرب، بُعَيد المغيب، ويُرى من جهة الشرق، قُبَيل الشروق. ويظهر ضوء الأبراج أقوى ما يكون، بالقرب من الشمس، ثم يخبو، تدريجاً. ويمكن تتبعه بسهولة، عند نقطة متوسطة في السماء. ويظهر هذا الضوء، مرة أخرى، في منطقة، تقابل الشمس مباشرة.

         وقد أطلق على ضوء الأبراج، هذا الاسم؛ لأنه يُرى قُبالة سلاسل الأبراج، التي تقع على طول دائرة البروج، أي الدائرة الظاهرية لمسار الشمس حول الأرض. ويتمثل التفسير المقبول لهذا الضوء، في أنَّ أعداداً هائلة من جزيئات دقيقة من مادة ما، تنتشر حول النظام الشمسي الداخلي، تعكس ضوء الشمس؛ وتصبح هذه الجزيئات مرئية، حينما تُظلِم السماء. ويُعتقد أن ذرات التراب هذه، تُعَدُّ من أنقاض المذنَّبات والكواكب الصغيرة. وينشأ الوهج المقابل، كذلك، عن ذرات التراب، التي تعكس ضوء الشمس.

الضوء غير المرئي (الأشعة فوق البنفسجية) 

         هو شكل غير مرئي من الضوء. وتقع هذه الأشعة، مباشرة، بعد النهاية البنفسجية للطيف المرئي. والشمس هي المصدر الطبيعي الرئيسي للأشعة فوق البنفسجية، التي تنبعث، كذلك، من الصواعق أو من أي شرارة كهربائية أخرى في الهواء. ويمكن توليد هذه الأشعة صناعياً، بإمرار تيار كهربائي من خلال غاز أو بخار، مثل بخار الزئبق.

         ويمكن أن تسبِّب الأشعة فوق البنفسجية حروقاً شمسية. كما أن التعرُّض الزائد لهذه الأشعة، قد يسبب سرطان الجلد. ومن ناحية أخرى، فإن الأشعة فوق البنفسجية تُحطِّم الكائنات الحية الضارة، ولها تأثيرات مفيدة أخرى.

         والأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية، هي أقصر من نظيرتها في الضوء المرئي. والطول الموجي، أي المسافة بين قمتَين متتاليتَين للموجة، يقاس، عادة، بوحدات، تُسمى نانومترات، يساوي النانومتر واحداً من المليون من المليمتر. وتراوح الأطوال الموجية للضوء المرئي، بين 400 و700 نانومتر، بينما تمتد الأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية من 1 إلى نحو 400 نانومتر.

         وعند إضاءة مادة ما بالأشعة فوق البنفسجية، فإن مدى امتصاص الأشعة في المادة، أو النفاذ منها، يحدده الطول الموجي للأشعة. فعلى سبيل المثال، الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية الكبيرة، يمكنها النفاذ من خلال زجاج النوافذ العادي. ويمتص الزجاج الأشعة فوق البنفسجية، ذات الأطوال الموجية الأقصر؛ مع أن هذه الأشعة، يمكنها أن تنفذ من خلال مواد أخرى.

استعمالات الأشعة فوق البنفسجية

         تُعَدّ الأشعة فوق البنفسجية، التي تقصر أطوالها الموجية عن 300 نانومتر، فعالة في قتل البكتريا والفيروسات. وتستعمل المستشفيات مصابيح مبيدة للجراثيم، تولِّد هذه الأشعة القصيرة، لتعقيم الأجهزة الجراحية، والمياه، والهواء في غرف العمليات. كذلك، يستخدم كثير من شركات المواد الغذائية والأدوية، هذه المصابيح، لتطهير الأنواع المختلفة من المنتجات وعبواتها.

         ويؤدي التعرُّض المباشر للأشعة فوق البنفسجية، التي تقصر أطوالها الموجية عن 320 نانومتراً، إلى توليد فيتامين د (D) في الجسم البشري. واستخدم الأطباء، ذات مرة، المصابيح الشمسية، التي تولِّد الأشعة فوق البنفسجية، لمنع كساح الأطفال ومعالجته؛ ذلك المرض الذي يصيب العظام نتيجة نقص فيتامين د (D) وتُستخدم هذه المصابيح، اليوم، في معالجة بعض الاضطرابات الجلدية، مثل حبُّ الشَّباب والصدفية.

         ويستعمل بعض أجهزة الأشعة فوق البنفسجية، لتعرّف التركيب الكيماوي للمواد المجهولة. ويستخدم الباحثون من الأطباء هذه الأجهزة، لتحليل بعض المواد في الجسم البشري، بما في ذلك الأحماض الأمينية والإنزيمات والبروتينات الأخرى. وفي صناعة الإلكترونيات، تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية، ضمن مراحل صناعة الدوائر المتكاملة.

التأثيرات الضارة 

         الأشعة فوق البنفسجية، الصادرة عن الشمس، التي تقصر أطوالها الموجية عن 320 نانومتراً ـ هي ضارة بالكائنات الحية خاصة. فالتعرض الزائد لها، يمكن أن يسبب تهيجاً مؤلماً للعين، أو التهاباً. وتقي العين من هذه الأشعة النظارات الشمسية، العالية الجودة. كما يسبب التعرض الزائد لها حروقاً مؤلمة. ويوفر الملانين (القتامين)، وهو خضاب بنّي اللون في الجلد، بعض الوقاية ضد الحروق الشمسية. وتمتص الغسولات الحاجبة للشمس، تلك الأشعة الحارقة.

        والتعرض لأشعة الشمس فوق البنفسجية، لمدة طويلة، يمكن أن يؤدي إلى سرطان جلدي، وإلى تغيُّرات أخرى في الخلايا البشرية. كما يمكن أن يؤدي، كذلك، إلى تدمير النباتات أو قتلها. ويمتص غاز الأوزون، وهو واحد من صور الأكسجين، في طبقات الجو العليا، معظم إشعاع الشمس فوق البنفسجي؛ ولولاه لربما دمرت الأشعة فوق البنفسجية، معظم الحياة، الحيوانية والنباتية.

الأبحاث العلمية

        تنشأ الأشعة البنفسجية داخل ذرات كل العناصر. وبدراستها يتعرَّف العلماء إلى بِنْيَة الذرات، ونسبة مستويات الطاقة فيها. كما يتعرَّف الخبراء إلى النجوم والمجرَّات البعيدة، من طريق تحليل الأشعة فوق البنفسجية، الصادرة عنها.

         وتناولت أبحاث كثيرة دور الأشعة فوق البنفسجية، في التفاعلات الكيماوية، التي تؤدي إلى إنهيار أو تأكُّل طبقة الأوزون الواقية للأرض؛ مما يقلّل فاعليتها، كمانع أو حاجز لتلك الأشعة.

         وتشير التجارب إلى أن النحل والفراش، وحشرات أخرى، يمكنها رؤية الضوء فوق البنفسجي؛ فانعكاس الأشعة فوق البنفسجية من الأجنحة، يُظهر أنماطاً، تساعد الحشرات على تعرّف أقرانها.

ضوء القوس الكهربائي 

         نبطية مضيئة، يتوهج فيها الضوء، بفعل التيار الكهربائي؛ وباندفاعه عبْر فراغ بين قطبَين، يعرفان باسم قطبَي التيار. وينتج من ذلك ما يُعرف باسم القوس الكهربائي، الذي يُسخِّن أطراف القطبَين تسخيناً عالياً، ما ينجم عنه توهج ضوئي شديد.

         والشكل النموذجي المألوف لقطبَي التيار، هو قِطَع مُدَبَّبة من الكربون، الصِرْف أو المخلوط بمواد كيماوية متنوِّعة. وعندما يندفع التيار الكهربائي من طرف أحد القطبَين، عبْر الفجوة الفاصلة، إلى طرف القطب الآخر، يحيلهما إلى بخار متوهج، يتسبب في تلاشيهما، تدريجاً؛ ولهذا السبب، تُزوَّد التركيبات بجهاز تحكّم آلي، يتحكم في تثبيت المسافة الفاصلة بين طرفَي القطبَين. كما يوحّد منظِّم معدل التيار الكهربائي.

         كان مصباح الإضاءة بالقوس الكربوني، أول جهاز عملي للإضاءة الكهربائية، يُعَمَّم، تجارياً، لكنه محدود الاستعمال، في الوقت الحاضر. وينحصر استعماله في متطلَّبات الإضاءة الساطعة، القوية التركيز، كالمصابيح الكاشفة (الكشّافات)، مثلاً، ومصابيح الإضاءة المسرحية، والتصوير الفوتوغرافي، وعلاج الأمراض. كما يُستعمل في المجاهر (الميكروسكوبات) وبحوث الإضاءة المتخصِّصة. ويُستعمل، كذلك، في صناعة مصابيح غاز الزينون، ذات الضغط العالي، المستعملة في آلات العرض السينمائي.

الضوء الكهربائي

         نبطية تستخدم الطاقة الكهربائية، لإنتاج ضوء مرئي. وإلى أن أصبح الضوء الكهربائي شائعاً، في بدايات القرن العشرين، كان الناس يعتمدون، في الليل، على أضواء الشموع، والنار، ومصابيح الغاز أو مصابيح الزيت. 

         وتدل كلمة مصباح، إما على مصدر ضوء كهربائي، وإما على الهيكل الذي يحوي المصدر. وتدل كلمة مصباح، في هذا البحث، على مصدر ضوئي. وهناك نوعان رئيسيان من المصابيح: مصابيح متوهجة، ومصابيح التفريغ الغازي.

المصابيح المتوهجة 

         هي أكثر مصادر الضوء الكهربائي شيوعاً؛ إذ تكاد توجد في كل بيت. وتُعَدّ مصابيح السيارة، ومصابيح اليد الكهربائية، أنواعاً من المصابيح المتوهجة.

         وتعتمد كمية الإضاءة، المنبعثة من مصباح متوهج، على كمية الكهرباء التي يستهلكها. ومعظم المصابيح المستخدمة في البيوت، تراوح قدرتها بين 40 و150 واطاً من القدرة. ويقيس مهندسو الإضاءة كمية الضوء، المنبعثة من مصباح ما، بوحدة، تُدعى لومن؛ فمصباح عادي، قدرته 100 واط، يُعطي نحو 1750 لومناً. وتُطبع كمية القدرة، التي يستهلكها مصباح ما، بالواط، على المصباح نفسه.

         يتكون كل مصباح متوهج من ثلاثة أجزاء أساسية: الفتيلة، والزجاجة، والقاعدة. وتُصدر الفتيلة الضوء؛ أما الزجاجة والقاعدة، فتساعدان على الإضاءة.

         الفتيلة (خيط المئبر)، سلك رفيع ملولب، تسري الكهرباء فيه عند إشعال المصباح. ولكن، على هذه الكهرباء التغلب على مقاومة الفتيلة، وفي سبيل ذلك، تُسخِّن الأولى الثانية إلى أكثر من 2500ْم؛ ودرجة الحرارة العالية هذه، تجعل الفتيلة تبعث الضوء.

         يستخدم صانعو المصابيح فلز التنجستن، في صنع الفتائل؛ لأن قوة هذا الفلز، تجعله يصمد أمام درجات حرارة عالية، من دون أن ينصهر. ويتألف الضوء المنبعث من فتيلة تنجستن، من خليط من كل ألوان الضوء المنبعث من الشمس. 

         لبعض المصابيح أكثر من فتيلة واحدة. ويمكن إشعالها، فرادى، حتى يمكن المصابيح إنتاج كميات مختلفة من الضوء؛ إذ قد يحتوي أحدها على فتيلة، قدرتها 50 واطاً، وأخرى، قدرتها 100 واط. وتبعاً لطريقة إشعال الفتيلتين، منفردتَين أو مجتمعتَين، يمكن الحصول على ضوء، يقابل 50 واطاً أو 100 واط أو 150 واطاً.

         الزجاجة تعمل على إبعاد الهواء عن الفتيلة، فتحفظها من الاحتراق. ويحتوي معظم المصابيح على خليط من الغازات، غالبها من غازَي الأرجون والنيتروجين، وذلك بدلاً من الهواء. وتساعد هذه الغازات على إطالة عمر الفتيلة، وتمنع الكهرباء من الانتشار داخل الزجاجة. 

         تُغطَّى زجاجة المصباح، عادة، بطبقة من طلاء، يساعد على بعثرة الضوء من الفتيلة، ويقلل من بهره للعين. وتستخدم لذلك مادة السيلكا، أو يمكن حفر الزجاجة بحمض ما. أما المصابيح الملونة، فتُطلى بلون، يحجب كل الألوان، إلا لون الطلاء. وتنتج المصابيح في أشكال عدة، بما في ذلك أشكال كشعلة النار، وأشكال كمثرية، وأخرى مستديرة أو أنبوبية. 

         وعندما تحترق المصابيح المتوهجة، يكون السبب، غالباً، التبخر التدريجي للفتيلة، ثم انقطاعها. وقبل أن يحدث ذلك، فإن تيارات من الغاز، داخل الزجاجة، تنشر التنجستن المتبخر، على السطح الداخلي للزجاجة. ويتسبب التنجستن المتبخر بترسيب طبقة سوداء على السطح، تدعى اسوداد جدار الزجاجة. وهذا الترسُّب، يحجب بعضاً من الضوء، فيقلل من كفاءة المصباح. 

         وفي أحد أنواع المصابيح، ويُدعى مصابيح التنجستن ـ الهالوجين، يمكن تجنّب عملية الاسوداد، المذكورة آنفاً؛ لاحتوائه على زجاجة كوارتزية، تحتوي على كمية قليلة من عائلة الهالوجين، مثل البورم أو اليود. ويتحد الهالوجين، داخل الزجاجة، ببخار التنجستن، ويكوّنان غازاً. ويتحرك هذا الغاز، حتى يلامس الفتيلة، فتحلله حرارتها العالية. وبذا، يعود ترسُّب التنجستن المتبخر إلى الترسُّب على الفتيلة، وينطلق الهالوجين، ليتحد به مرة أخرى.

         أمّا القاعدة، فتحمل المصباح، قائماً، وتثبته، وتصله بالدائرة الكهربائية.

مصابيح التفريغ الغازي

         تنتج مصابيح التفريغ الغازية الضوء، من طريق مرور الكهرباء عبْر غاز تحت الضغط، بدلاً من توهج الفتيلة. ومثل هذه العملية، يدعى تفريغاً كهربائياً. ويُسمى مثل هذه المصابيح، أحياناً، مصابيح تفريغ كهربائي. وتضم هذه العائلة من المصابيح: المصابيح الفلورية، ومصابيح النيون، ومصابيح الصوديوم منخفضة الضغط، ومصابيح بخار الزئبق، ومصابيح الهاليد المعدنية، ومصابيح الصوديوم عالية الضغط. ويُعَدُّ ضوء القوس الكهربائي نوعاً من مصابيح التفريغ الغازي؛ ولكن التفريغ، في هذه الحالة، لا يكون داخل زجاجة.

         قلّما تُستخدم المصابيح الفلورية في المنازل، وإنما يكثر استخدامها في المكاتب والمدارس والمحلات التجارية. وتُستخدم أنواع أخرى من مصابيح التفريغ الغازي، في المساحات، الداخلية والخارجية، الواسعة، مثل: المصانع والطرق ومواقف السيارات ومراكز التسويق والملاعب المدرَّجة. ويُستخدم معظم مصابيح النيون، في الإعلانات التجارية. 

         وباستثناء المصابيح الفلورية، فإن مصابيح التفريغ الغازي، لا تُستخدم في المنازل، حيث تبدو ألوان الأشياء مختلفة؛ على الرغم من أنها تُعَمَّر، وتعطي ضوءاً أشد، مقابل كل واط من القدرة، بل هي أرخص من المصابيح المتوهجة.

مصابيح التفريغ الغازي، المنخفضة الضغط

         يُستخدم غازا الأرجون أو النيون، أو غازات أخرى، تحت ضغط منخفض، في إنتاج الضوء. وتضم هذه العائلة المصابيح الفلورية، ومصابيح النيون، ومصابيح الصوديوم منخفضة الضغط.

المصابيح الفلورية 

         يتكون المصباح الفلوري من أنبوب زجاجي، يحتوي على غاز الأرجون، تحت ضغط منخفض. وتُسبب الكهرباء، التي تسري في الأنبوب، انبعاث الطاقة فوق البنفسجية، من الزئبق المتبخر؛ والعين لا ترى طاقة الأشعة فوق البنفسجية، في صورة ضوء. كما أن السطح الداخلي للأنبوب، مغطى بمادة مفسفرة، تبعث ضوءاً مرئياً، عندما تصيبها طاقة الأشعة فوق البنفسجية.

مصابيح النيون

         هي أنابيب مملوءة بالغاز، تتوهج عندما تحدث عملية تفريغ كهربائية، داخلها. فغاز نيون نقي، في أنبوب صاف، يُعطي ضوءاً أحمر اللون. ويمكن إنتاج الضوء في ألوان أخرى، بمزج غاز النيون بغازات أخرى، أو استخدام أنابيب ملونة، أو مزيج من هاتَين الطريقتَين.

مصابيح الصوديوم، المنخفضة الضغط 

         تتألف هذه المصابيح من أنبوبَين زجاجيَّين، أحدهما داخل الآخر. يحتوي الأنبوب الداخلي على صوديوم صلب، ومزيج من غازَي النيون والأرجون. وعند إشعال المصباح، فإنه يبعث، في البداية، ضوءاً برتقالياً، مائلاً إلى الاحمرار، مطابقاً لخواص غاز النيون. ولكن، كلما سُخِّن الصوديوم، فإنه يتبخر، ويصبح الضوء، بعد ذلك، أصفر اللون.

مصابيح التفريغ الغازي، عالية الضغط

         تستخدم هذه المصابيح الزئبق، أو مركبات معدنية، أو مركبات كيماوية أخرى، تحت ضغطٍ عالٍ، من أجل إنتاج الضوء. وتُسمَّى هذه المصابيح، كذلك، مصابيح التفريغ عالية الشدة، وتضم مصابيح بخار الزئبق، ومصابيح الهاليد الفلزية، ومصابيح الصوديوم عالية الضغط.

مصابيح بخار الزئبق 

         ولمصباح بخار الزئبق زجاجتان إحداهما داخل الأخرى. وتُسمى الزجاجة الداخلية، وهي مصنوعة من الكوارتز، الأنبوب القوسي. أما الزجاجة الخارجية، فدورها حماية الأنبوب القوسي. ويحتوي الأنبوب القوسي على بخار زئبقي، تحت ضغط أعلى مما يوجد في المصباح الفلوري؛ وبذا، فإن المصباح البخاري هذا، يستطيع إنتاج الضوء، من دون الحاجة إلى طلائه بمادة فوسفورية. وينبعث من البخار الزئبقي ضوء أزرق اللون، مائل إلى الاخضرار، إضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية. وإذا كان مصباح بخار الزئبق مصنوعاً من زجاج صافٍ، فإنه لا ينتج ضوءاً أحمر؛ ولذا، فإن الأجسام الحمراء، تبدو معه بنّية اللون، أو رمادية، أو سوداء. أما مصابيح بخار الزئبق، التي يُغَطَّى فيها سطح الزجاجة الخارجية بمادة فوسفورية، فإنها تنتج ضوءاً متعدد الألوان؛ إذ إن مادة الفوسفور، تبعث ضوءاً أحمر، عندما تقع عليها الأشعة فوق البنفسجية. وتُعمّر مصابيح بخار الزئبق، أكثر من غيرها من المصابيح ذات القدرة المماثلة؛ ولكنها تتطلب زمناً، يراوح بين خمس وسبع دقائق، لبناء ضغط البخار الزئبقي، والوصول إلى سطوع كامل للضوء.

مصابيح الهاليد الفلزية 

         تحتوي هذه المصابيح على مركبات كيماوية، من أي فلز، تعمل، مع الهالوجين، على إنتاج ضوء متوازن، من ألوان الضوء الطبيعي، قلما توفّره مصابيح بخار الزئبق؛ ومن دون الحاجة إلى استخدام مادة فوسفورية. كذلك، فإن هذه المصابيح، تتمتع بحياة طويلة، وإنتاج ضوء عال، مقابل كل واط من القدرة. وتُعَدُّ مثالية للاستعمال الخارجي، وأحياناً، داخل المنازل.

مصابيح الصوديوم، عالية الضغط

         تشبه هذه المصابيح مصابيح بخار الزئبق؛ لكن أنبوبها القوسي مصنوع من أكسيد الألومنيوم، بدلاً من الزجاج، أو الكوارتز. وتحتوي على مزيج صلب من الصوديوم والزئبق، إضافة إلى غاز نادر. وينبعث من المصباح ضوءٌ برتقالي أبيض، يعمل على إكساب الألوان، الزرقاء والخضراء، نوعاً من الدُّكنة، كما أنه يحوِّل اللون الأحمر إلى برتقالي. ولهذا المصباح حياة طويلة وكفاءة ضوئية عالية.

مصادر أخرى للضوء الكهربائي 

         هناك مصدرا ضوء كهربائي، ينبعث منهما ضوء خافت، نتيجة استخدام الطاقة الكهربائية؛ وهما: الصمام الثنائي مشع الضوء، واللوحات الكهروضوئية. ولا تتطلب هذه المصابيح زجاجة أو تفريغاً أو فتيلةً، لكن ضوءها، لا يكفي لإضاءة غرفة.

الصمامات الثنائية المشعة للضوء 

         وهي شرائح صغيرة، من مادة زرنيخيد الجاليوم، أو أي مادة أخرى صلبة، شبه موصلة. وتعطي هذه الصمامات ضوءاً أحمر أو أصفر أو أخضر اللون، عندما تُهَيَّج ذراتها بطاقة كهربائية. وتستهلك هذه الصمامات طاقة قليلة، كما أنها تدوم طويلاً جداً. وتستخدم مجموعات من هذه الصمامات، في الحواسب وحاسبات الجيب، والساعات الرقمية، لتكوِّن أرقاماً أو حروفاً. ويتألف إظهار نمطي مبني على هذه الصمامات، من عدد من صمامات صغيرة، يكون التحكم فيها، فردياً، بدوائر حاسوبية، تعمل على إشعال نموذج معين منهما، لتشكل حرفاً أو رقماً. 

         ويعتمد العديد من الحواسب الحديثة، والساعات الرقمية، على مُظْهِرَات بلُّورية سائلة، تستهلك قدرة أقل من الصمامات الثنائية الآنفة؛ لكنها لا تُرى إلا في وجود ضوء مباشرٍ؛ نظراً إلى أنها لا تبعث الضوء من نفسها.

اللوحات الكهروضوئية 

         تتألف من طبقات، من مواد فوسفورية، تُحشر بين صفيحة معدنية وطلاء شفاف، يوصِّل الكهرباء. وعندما تسري الكهرباء عبْر الصفيحة ومادة الطلاء، فإن المواد الفوسفورية، تنتج سطوعاً ذا لون أخضر، مائل إلى الزرقة. وتستهلك هذه اللوحات طاقة قليلة. ولكن ضوء لوحة عالية السطوع، هو دون ضوء أصغر مصباح عادي. وتستخدم هذه اللوحات أضواء ليلية، وفي لوحات القياس والأجهزة، في بعض الطائرات والسيارات.

نبذة تاريخية 

         خلال منتصف القرن التاسع عشر الميلادي، حاول عدد من المخترعين إنتاج الضوء من الكهرباء. فتمكن العديد من الرواد من تطوير مصابيح متوهجة، تعمل بالبطاريات؛ ولكنها كانت سريعاً ما تحترق.

         لم يقتصر الاستخدام الشائع للضوء الكهربائي، على وجود مصباح؛ وإنما تطلّب، كذلك، طريقة رخيصة، لتوزيع الكهرباء على أصحاب المصابيح. وفي عام 1879، اخترع العالم الأمريكي، توماس إديسون، مصباحه المتوهج، ذا الفتيلة المكونة من خليط كربوني، فأصبح مخترع الضوء الكهربائي. وخلال السنوات الأولى من القرن التاسع عشر الميلادي، طور إديسون أول محطة لتوليد الكهرباء وتوزيعها. وكانت هذه المحطة تقع في شارع بيرل، في مدينة نيويورك. وبدأت عملها عام 1882. 

         وبعد ذلك، وفي أوائل سني القرن العشرين، بدأ المهندسون يُجْرُون التجارب، لتطوير مناحي الإضاءة الكهربائية، باستخدام مصابيح التفريغ الغازي. وقد أدّى عملهم هذا إلى تطوير المصابيح الفلورية، ومصابيح بخار الزئبق، في الثلاثينيات من القرن العشرين.

         واكتُشفت الإضاءة الكهربائية، عام 1936. أما المُظهِرَات البلورية السائلة، والصمامات الثنائية المشعة الضوء، فقد أمكن تطويرها، نتيجة للأبحاث، التي أُجريت باستخدام نبائط شبه موصلة، في الستينيات من القرن العشرين. أما في سبعينيايته، فقد تمكن الباحثون من تطوير مصادر ضوء فاعلة، مثل مصابيح الهاليد المعدنية، ومصابيح تفريغ الصوديوم عالية الضغط.

الضوء المستقطب 

         هو موجات ضوئية، ذات ترتيب بسيط، منتظم. أما موجات الضوء العادي، فهي ترتيب معقد، غير منتظم. وسواء كان مصدر الضوء العادي، هو الشمس، أو مصباحاً ضوئياً، فإنه يتكون من موجات غير منتظمة، تتذبذب في كل الاتجاهات المتعامدة على شعاع الضوء. لكن الضوء المستقطب، يتكون من موجات منتظمة، تتبذب في اتجاه واحد فقط. ويتيح تركيبه المنتظم استخدامه في نواحٍ، لا يمكن استخدام الضوء العادي فيها. وعلى سبيل المثال، يمكن اكتشاف التركيب الفيزيائي الداخلي، لكثير من المواد الشفافة، باستخدام الضوء المستقطب. أما مستقطبات الضوء، فهي أجهزة قوية، تُستخدم في العلم، وفي الصناعة، وفي الحياة اليومية.

طريقة استقطاب الضوء

         لفهْم عملية الاستقطاب، لا بدّ من النظر إلى شعاع الضوء، على أنه سلسلة من الموجات الكهرومغناطيسية؛ وتتذبذب المغناطيسية المكونة لهذه الموجات، في اتجاه متعامد على مسار الشعاع. والمثال البسيط لهذه الموجات، يمكن صنعه من طريق ربط أحد الحبال بحائط، ثم هزّ الطرف الآخر للحبل؛ فإن كل جزء من الحبل، سيتحرك في كل الاتجاهات المتعامدة على طوله. وتسمى الموجات، التي تتذبذب بهذه الطريقة، الموجات المُسْتَعرَضة.

         يتذبذب الضوء المستقطب في اتجاه عمودي على مساره، ومن الممكن استقطاب الضوء العادي، بتمريره من خلال مرشح خاص باستقطاب الضوء. ويسمح هذا المرشح بالمرور للموجات، التي تتذبذب في اتجاه عمودي واحد فقط؛ لأن تركيب المرشح المستقطب، يحول دون مرور موجات الضوء الأخرى، التي تتذبذب في اتجاهات عمودية أخرى. وبعبارات علمية، فإن المرشح المستقطب للضوء، يسمح بالمرور من خلاله لـ (مكونات)، أو (أجزاء) الموجات الضوئية، التي تتذبذب في (اتجاه ذبذبة) واحد فقط. أما مكونات الموجات، التي تتذبذب في كل الاتجاهات الأخرى، فإنه يحجبها. ويسمى الضوء، الذي يمر من خلال المرشح المستقطب للضوء، الضوء المستقطب.

         وجميع الذبذبات، التي تمر من خلال المرشح المستقطب للضوء، تتذبذب في اتجاه واحد، مُواز للحبَيْبة البصرية في المرشح، والتي تُعَدّ محور البث فيه. ويمكن الضوء المستقطب، أن يمر كله، من خلال مرشح استقطاب ثانٍ، مروراً، يكون فيه محوره البصري موازياً للمحور البصري في المرشح الأول. ولكن إذا تحرك مرشح الاستقطاب الثاني حركة دائرية، كالعجلة، فإنه سيؤدي، تدريجاً، إلى تعتيم الضوء المارّ من خلاله. وسيؤدي المستقطب الثاني إلى قطع الضوء كلية، عندما يتقاطع محوره، بزاوية 90ْ، مع محور المستقطب الأول. ويحدث الإعتام ثم القطع؛ لأن كل مستقطب من المستقطبات سيعمل على امتصاص جميع مكونات الضوء، التي لا تتذبذب متوازية مع محوره. ونتيجة لهذا، فإن البريق الصادر عن شعاع الضوء، يخبو، تدريجاً، عندما يتقاطع محور المستقطب الثاني تقاطعاً عرضياً، مع محور البث في المستقطب الأول. وعلى هذه الظاهرة؛ بُنِيَ كثير من استخدامات الضوء المستقطب. فالقدر الأكبر من الضوء المحيط بنا هو ضوء مستقطب بالفعل. أما الانعكاسات، الشبيهة بانعكاسات المرايا، الصادرة عن السطوح الأفقية اللامعة، كسطوح الأرصفة، وسطح الماء، فهي تتكون، إلى حدّ كبير، من ضوء جرى استقطابه، أفقياً، خلال عملية  الانعكاس. والنظارات الشمسية المستقطبة نتيجة وضع محور بثها وضعاً رأسياً، تغلق الضوء المستقطب أفقياً، الذي يحدث الانعكاسات اللامعة. ويستخدم المصورون الضوئيون مرشحات استقطاب، لإخماد الوهج، وكذلك الانعكاسات الصادرة عن السطوح اللامعة، كسطوح النوافذ، وسطوح الماء.

مواد الاستقطاب

         تتكون أوسع مستقطبات الضوء انتشاراً، من ألواح رقيقة من البلاستيك. ويحتوي لوح البلاستيك النموذجي، على ملايين من سلاسل طويلة، رقيقة، من جزيئات اليود المصفوفة بإحكام، وتعمل كل من هذه السلاسل مرشح استقطاب مفرداً. وقد ساعدت ألواح الاستقطاب على توسيع مجال استعمال الضوء المستقطب، إلى درجة كبيرة، بسبب انخفاض نفقتها، وحجمها المريح. وقد نجح أدوين هـ. لاند، مخترع كاميرا لاند بولارويد، في اختراع أول لوح استقطاب، عام 1928، حين كان في التاسعة عشرة من عمره.

        ويمكن بعض البلورات الطبيعية، مثل التورمالين، أن تستقطب الضوء. فالتورمالين، يسمح بمرور المكونات، التي تقع في اتجاه ذبذبة واحد، ويحجب المكونات الأخرى، بامتصاصها، داخلياً، من بلورات الاستقطاب الطبيعية الأخرى. وهناك الكلسيت، أو السبار الأيسلندي، ويقسم الضوء شعاعَين مستقطبين متعامدين على بعضهما. ويقطع منشور بيكول، من اليسار الأيسلندي، بحيث يمكن التخلص من أحد هذَين الشعاعَين.

استعمالات الضوء المستقطب 

         اقترح العلماء استخدام الزجاج المستقطب، في صناعة الكشافات الأمامية للسيارات؛ وكذلك في صناعة الزجاج الأمامي، ليحجب وهج أضواء السيارات المقتربة، أثناء القيادة. 

         ويمكن العلماء أن يدرسوا تركيب كثير من المواد الشفافة، بمعونة مرشحات الاستقطاب المتقاطعة عرضياً. وتستخدم المجاهر المزودة بالمستقطبات، في إظهار كثير من البلورات عديمة اللون؛ وكذلك كشف العينات البيولوجية في ضوء ساطع. ومكشاف الاستقطاب آلة مزودة بمستقطبات، تستعمل في الكشف عن مواطن الإجهاد (نقاط الشعف) في المصنوعات الزجاجية، مثل عدسات النظارات والأدوات المعملية. ويمكن علماء الكيمياء، أن يحددوا نوع السكر ومقداره، في محلول من المحاليل، باستعمال مقياس السُّكر، وهو مكشاف استقطاب من نوع خاص. وهناك نوع خاص من مرشحات الاستقطاب الدائري، تُستخدم في أجهزة الرادار، لاصطياد الانعكاسات غير المرغوب فيها.

تجربة ميكلسون-مورلى

تجربة مايكلسون و مورلي

في العام 1881م أجرى العالمان مايكلسون و مورلي تجربة حاسمة الغرض منها إثبات وجود الأثير وذلك عن طريق قياس تأثير حركة الأرض خلال الأثير على سرعة الضوء وحساب سرعة الضوء في وضعين مختلفين:
الوضع الأول: أن تكون سرعة الضوء ففي نفس اتجاه سرعة الأرض في مدارها حول الشمس.
الوضع الثاني: أن تكون سرعة الضوء عمودية على سرعة الأرض في مدارها حول الشمس..
فكرة التجربة

تتلخص فكرة التجربة في أن الأرض تتحرك خلال الأثير بسرعة v عشرين ميلا في الثانية فهي بذلك تحدث تياراً في الأثير بهذه السرعة، فلو أن شعاعاً من الضوء سقط على الأرض في اتجاه التيار فإنه لابد أن تزداد سرعته بمقدار عشرين ميلاً. أما إذا سقط في اتجاه مضاد للتيار فإن سرعته سوف تنقص بمقدر العشرين ميلاً، فإذا كانت سرعة الضوء c المعروفة هي 186284 ميلاً في الثانية، فإن السرعة المحسوبة في الحالة الأولى ستكون: 186284+20=186304 ميلاً في الثانية. وتكون في الحالة الثانية: 186284-20=18264 ميلاً في الثانية. وذلك وفقا لقانون إضافة السرعات لنيوتن c±v.
أما إذا سقط الشعاع عمودي على حركة الأرض فإن سرعة الضوء المحسوبة تساوي

 ½(c2 -v2).

وبعد عدة متاعب قام مايكلسون و مورلي بتنفيذ التجربة بدقة مستخدمين جهازا عبارة عن طاولة بها مرايا ومصدراً ضوئياً وشاشة لرصد الشعاع الضوئي، لن نخوض في تركيب الجهاز أو تفاصيل التجربة ولكن سنهتم للنتيجة المدهشة التي توصلت إليها، حيث كانت النتيجة غير متوقعة على الإطلاق لم تسجل نتائج التجربة أي فرق في سرعة الضوء في الحالتين الأولى والثانية! وأعيدت التجربة في مناطق مختلفة على سطح الأرض وفي فصول مختلفة من السنة وكانت النتيجة واحدة وهي أن سرعة الضوء ثابتة
لا تتغير ولا تختلف نتيجة لاختلاف الاتجاهين.
هذه النتيجة السلبية كانت بمثابة الصدمة للعلماء، فهي تشكك في صحة نظرياتهم التي قامت على مبدأ وجود الأثير فما كان منهم إلا أن تمسكوا بفرضيتهم القائلة بوجود الوسط الكوني الثابت (الأثير) على الرغم من النتائج العملية التي أبطلت هذا، وهذه الصدمة جعلتهم يقولون تارة أن الأثير لا بد وأنه يسير مع الأرض وتارة يقولون أن الأجسام تنكمش في اتجاه حركتها خلال الأثير وغيرها من الاعتقادات رافضين بذلك فكرة فشل وانعدام فرضية الأثير وكل ما بني عليها خلال تلك السنوات.

الجدير بالذكر أنه بالرغم من فشل فرضية وجود ما يسمى بالأثير وأن ليس هناك أي مرجع كوني ثابت تنسب إليه الحركات وأن سرعة الضوء تعد ثابتة لا تتغير فإن جميع النتائج والقوانين الكلاسيكية التي قامت على هذه الفرضية مازالت تحافظ على صحتها ولكن في حالات خاصة سنذكرها لاحقاً، وذلك لأنها قامت بناء على التجارب وما يتوصل إليه من تلك التجارب يسخر لها الأثير ويعطى الخصائص لكي يتفق معها.

ميكانيكا الكم بكل بساطة

يهدف هذا الموضوع إلى تقديم نظرة عامة و موجزة للشخص العادي عن أهمية ميكانيكا الكم وغرابتها. ومع الأسف، فإن معظم الناس يعتقدون أنهم بحاجة إلى عقل كعقل آينشتاين من أجل فهم ميكانيكا الكم ولذلك فإنهم لا يخوضون فيها أبدا. (و من الطريف أن آينشتاين نفسه لم يكن يؤمن بأن ميكانيكا الكم نظرية صحيحة !) حتى أن بعض الكيميائيين اعتقدوا بذلك أيضا . بل إن أكثر أقسام الكيمياء الفيزيائية قد وضعت الصورة التي في الأسفل لتمثيلها، و هي منتهية الصلاحية منذ ما يقارب المئة عام. 

لذلك أرجو أن تقرأ الموضوع 

و أن تأخذ غطسة في محيط من المعلومات التي أجدها منعشة تماماً

إذا كانت الصورة في الأعلى هي فكرتك عن الذرة، إلكترونات تدور حول النواة بهذه الطريقة، فإن فكرتك منتهية الصلاحية منذ 70 عاما. و قد حان الوقت لتفتح عينيك للعالم الحديث لميكانيكا الكم! إن الصورة في الأسفل تبين بعض المخططات للأماكن الأكثر احتمالا لوجود الإلكترون في ذرة الهيدروجين. ( النواة في مركز كل مخطط ).

ما هي ميكانيكا الكم؟ 

بكل يسر، ميكانيكا الكم هي دراسة المادة و الإشعاع في المستوى الذري . 

لماذا نشأت ميكانيكا الكم؟ 

في أوائل القرن العشرين كانت بعض التجارب قد أنتجت نتائج لا يمكن تفسيرها بالفيزياء التقليدية ( فيزياء جاليليو و نيوتن، و غيرهما ) . فعلى سبيل المثال، كان من المعروف أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة. و على أية حال، إذا كانت تفعل ذلك بطريقة مشابهة لدوارن الكواكب حول الشمس؛ فإن الفيزياء التقليدية تتنبأ بأن هذه الإلكترونات سوف تتحرك بشكل لولبي لتقع داخل النواة في جزء من ثانية. و من الواضح أن هذا لا يحدث، و إلا فإن الحياة التي نعرفها لن تكون. (الكيمياء تعتمد على التفاعلات بين الإلكترونات، و الحياة تعتمد على الكيمياء) . إن هذا التنبؤ الخاطئ مع غيره من بعض التجارب التي استعصى تفسيرها على الفيزياء التقليدية، قد بيَّن للعلماء أن شيئا جديدا يجب أن يظهر ليفسر العلوم في المستوى الذري. 

إذا كانت الفيزياء التقليدية غير صحيحة ، لماذا نظل نستخدمها ؟ 

إن الفيزياء التقليدية هي نظرية خاطئة، و هي خاطئة -بشكل كبير جداً- فقط عند التعامل مع الأمور الصغيرة جداً (في حجم الذرة، حيث تستخدم ميكانيكا الكم) أو الأمور السريعة جداً (بالقرب من سرعة الضوء، حيث تحل مكانها النسبية). أما بالنسبة للأمور الحياتية، و التي هي أكبر بكثير من حجم الذرة، و أبطأ بكثير من سرعة الضوء فإن الفيزياء التقليدية تعمل فيها عملاً بارعاً، بالإضافة إلى أن استخدامها أسهل بكثير من كل من ميكانيكا الكم أو النسبية ( إذ كلاهما يتطلبان كمية مكثفة من الرياضيات ). 

ما أهمية ميكانيكا الكم ؟ 

إن القضايا التالية هي من بين أكثر الأشياء أهمية و هي التي تستطيع ميكانيكا الكم أن تصفها ، بينما لا تستطيع ذلك الفيزياء التقليدية : 

عدم اتصال الطاقة. 

ازدواجية الصفة الموجية – الجسيمية للضوء و المادة. 

النفق الكمي. 

مبدأ الارتياب لهايزنبرج. 

برم الجسيم.

تجربة شقي يونغ

تجربة شقي يونغ هي إحدى أهم التجارب الفيزيائية التي أسهمت في البحث في طبيعة الضوء و إثبات طبيعته الموجية ، ثم استخدمت في اثبات وجود خاصية موجية لجميع الجسيمات مثل الإلكترونات و غيرها .
تعتمد تجربة شقي يونغ على انعراج الضوء عند شقين رفيعين في حاجز مانع للضوء ، حيث يقوم الإنعراج بتحويل كلا الشقين إلى منبعين ضوئيين متشابهين مترافقين ، و ينتج عنها عند استقبال الضوء على حاجز أمامهما أنماط تداخل تتميز بأهداب ضوئية شديدة الإنارة و أهداب عاتمة ، و هذا ما يشابه ظاهرتي التداخل البناء و التداخل الهدام في الأمواج . تم الحصول أيضا على نتائج مشابهة عند استبدال الحزم الضوئية ( حزم الفوتونات ) بحزم الكترونية مما كان أحد اثباتات مثنوية الموجة-جسيم .
في هذه التجربة قام يونغ بتمرير حزمة ضوئية عبر شقين ضيقين F1 و F2 الموضوعان أمام المنبع الضوئي الوحيد اللون S (طول موجته ) فيصبح الشقين بمثابة مقام منبعين ضوئيين مترابطين ( أي فرق الطور ثابت بينهما لايتغير مع الزمن).

تجربة شقي يونغ.

يصل الضوء من كلا المنبعين إلى مختلف نقاط الشاشة، وتكون سعة الاهتزاز E في النقاط التي تصل إليها الأمواج الضوئية متفقة في الطور (أي بفرق طور معدوم أو مساو لعدد صحيح من ، وهذا يكافئ فرقا في مسير الشعاعين الواصلين من الشقين إلى النقطة التي ترصد فيها شدة الضوء مقداره صفر أو عدد صحيح من طول الموجة الضوئية) في كل لحظة عبارة عن مجموع سعتي الاهتزاز الوارد من الشقين:
E` = E1 - E2 .
أما في النقاط التي تصل إليها الأمواج على تعاكس في الطور ( فرق الطور بينها عدد فردي من أي فرق المسير عدد فردي من ) فتكون السعة المحصلة هي فرق السعتين . وبما أن شدة الضوء I تتناسب مع مربع سعة الاهتزاز ( I:E2) فتكون شدة الضوء في النقاط الأولى (التي تصل إليها الأمواج متفقة في الطور) :
أي :

حيث و هما شدتا الضوء الوارد من الشقين F1 و F2 . أي أن الشدة I في هذه النقاط أكبر من مجموع الشدتين و وهذا هو التداخل البنّاء constructive interference ويظهر على الشاشة بشكل مناطق شديدة الإضاءة تدعى الأهداب المضيئة. وتكون شدة الضوء في النقاط الثانية (التي تصل إليها الأمواج متعاكسة في الطور):
أي أن الشدة في هذه النقاط ضعيفة (بل تكون معدومة في حال كانت ) وهذا هو التداخل الهدّام destructive interference ويظهر على الشاشة بشكل أهداب مظلمة تتناوب مع الأهداب المضيئة لتشكل كلها ما يسمى بأهداب التداخل.
توزع الفوتونات على الشاشة أمام الشقين: الصورة اليمنى تمثل حالة فتح أحد الشقين و الصورة اليسرى تمثل فتح الشقين معا.تم الاسترجاع من

__________________