سؤال وجواب

ما هو الضوء؟ هل هو مادة ام طاقة!

ما هو الضوء؟ هل هو مادة ام طاقة!

احتدم النقاش واشتد الحوار بين العلماء الكبار في المجتمع العلمي الفيزيائي حول طبيعة الضوء، هل هو جسيمات ام امواج كهرومغناطيسية. لعقود من الزمن هذه الطبيعة الغامضة والمحيرة للعلماء ظهرت بعد نتائج كل تجربة لتحديد طبيعة الضوء لدرجة ان العلماء اعتقدوا ان الضوء يغير سلوكه في كل مرة.

بعبارة بسيطة يمكنني القول ان الضوء واحد من الاستثناءات الغريبة في الطبيعة وله كل الاعتبارات لصفه بانه موجة وجسيم. هذا الاختلاف والتباين هو احد مبادئ نظرية ميكانيكا الكم Quantum Mechanics. دعونا في هذا المقال نستعرض ما حدث على مر السنين حتى توصل العلماء إلى هذه النتيجة الهامة.

اعلانات جوجل

 

 

الضوء عبارة عن جسيم Light is a Particle

اول من تبنى فكرة ان الضوء هو عبارة عن جسيم العالم اسحاق نيوتن Issac Newton، لكن هذه الفكرة لم تلق استحسان الكثيرون الذين كانوا يؤيدون ان الضوء ما هو الا موجة، حتى القرن التاسع عشر عندما احيا العالم البرت اينشتين فكرة الضوء عبارة عن جسيم. حيث قال ان خواص الانعكاس والانكسار للضوء لا يمكن ان تشرح وتفسر باي حال من الاحوال الا اذا اعتبرنا الضوء مكون من جسيمات.

ما هو الضوء؟ هل هو مادة ام طاقة!

الامواج لا تتحرك في خطوط مستقيمة ولا يمكنها ان تظهر تلك الخواص التي اشار لها نيوتن واينشتين. لكن اذا كان هذا صحيحا فلماذا كان العلماء يعترضون على كون الضوء عبارة عن جسيمات؟ الاجابة الجزئية لهذا الامر هو ان الضوء لم يكون يحقق كل الخواص الجسيمية. فالجسيم عبارة عن جزء صغير او كمية من المادة بخواص محددة مثل الكتلة والحجم. لهذا اعبتر ان اصغر وحدة للضوء هي الفوتون والذي لا يمتلك كتلة. كذلك نتائج التجارب التي اجريت بواسطة العديد من العلماء خلال الفترة بين نيوتن واينشتين بينت ان الضوء يمتلك خواص موجية مما جعلهم يعتبرون الضوء عبارة عن طاقة وليس مادة.

الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية Light is an Electromagnetic Wave

عدد من العلماء بما فيهم فرنل Fresnel وينج Young وماكسويل Maxwell قاموا بدراسة الخواص الموجية للضوء. الموجة هي انتقال للطاقة من نقطة إلى اخرى بدون انتقال للمادة بين النقطتين. اجرى العالم ينج تجربة الشق الاحادي single-slit experiment والتي كانت مصممة لدراسة الخواص الموجية للضوء مثل التداخل interference والحيود diffraction. لقد مرر شعاع من الضوء خلال شق في شريحة واستقبل الصورة المتكونة على شاشة خلف الشق.

ما هو الضوء؟ هل هو مادة ام طاقة!

اعلانات جوجل

اذا كانت فرضية نيوتن بان الضوء جسيمات صحيحة فان الصورة المتكونة للضوء على الشاشة يجب ان تكون بنفس شكل وحجم الشق. لكن ظهرت نماذج ضوئية على الشاشة بينت ان الضوء قد حاد عن مساره وان للضوء خواص تداخل مثل امواج الطاقة. ان ظاهرة التداخل بين موجتين ينتج عنها اما تداخل بناء additive او هدام subtractive مما يؤدي إلى تغير ملحوظ في الشدة intensity، مما ينتج في النهاية سعة amplitude موجة اما ان تكون كبيرة او صغيرة.

ما هو الضوء؟ هل هو مادة ام طاقة!

اينشتين والظاهرة الكهروضوئية Einstein and the Photoelectric Effect

 

لاحظ اينشتين ان الضوء عندما يسقط على معدن تتحرر من سطحه الالكترونات وهذا امرا غريبا اذا كان الضوء عبارة عن موجة فقط. الامر الغريب حول الظاهرة الكهروضوئية photoelectric effect هو ان طاقة الالكترونات المتحررة photoelectrons لا تتغير مع تغير شدة intensity الضوء اذا كان قويا او ضعيفا. فاذا كان الضوء عبارة عن موجة فان الضوء القوي سوف يتسبب في زيادة الالكترونات المتحررة واكسابها المزيد من الطاقة.

افترض اينشتين ان الضوء في الحقيقة مكون من حزم صغيرة من الطاقة تتحرك وتنتشر بخواص موجية. اطلق على هذه الجسيمات اسم الفوتون وان توقع انه عندما تصطدم الفوتونات مع الكترونات المادة فان الالكترونات تمتص طاقة الفوتونات وتتحرر. كما انه ذكر انه كلما كان تردد الفوتونات اعلى كلما طاقة الالكترون المتحرر اكبر. وهذه الحقيقة موضحة من خلال تجربة الشق المزدوج double-slit experiment.

باستخدام نفس طريقة تجربة الشق الاحادي تم اعادة التجربة باستخدام شق مزدوج ومن ثم رصد الصورة الناتجة عن مرور الضوء من الشق المزدوج على شاشة مثبتة خلف الشق المزدوج. تسببت الطبعية الموجية للضوء المار من خلال الشقين في تداخل الضوء والحصول على اهداب تداخل في صورة حزم من المناطق المضيئة والاخرى المعتمة تظهر بوضوح على الشاشة. وهذه نتيجة لا يمكن الحصول عليها اذا تعاملنا مع الضوء على اعتبار انه عبارة عن جسيمات كلاسيكية. لكن وجد ان الضوء على الشاشة يظهر في نقاط متقطعة مما يعني ان هناك جسيمات منفردة وليست موجات. فيما بعد وعندما تمكن العلماء من تثبيت كواشف على الشقين لاحظوا ان احد الفوتونات يمر من الشق الاول والفوتون الاخر يمر من الشق الثاني وهذا مرة اخرى سلوك جسيمي وليس سلوك موجي.

اعلانات جوجل

بمعنى ان الضوء يمتلك خاصية مزدوجة وتطغى احد هاتين الخاصيتين على الاخرى حسب التجربة التي يتعرض لها!

 

 

اعلانات جوجل

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى