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.
