ثالثاً: خواصّ الضوء

    يسمى علم دراسة الضوء البصريات. وبمعرفة خواصّ الضوء، تمكَّن العلماء من معرفة كيفية هندسة أنواع مختلفة من الأجهزة الضوئية، التي تساعد على دراسة الكون. فعلى سبيل المثال، يمكن، عبر المجهر، رؤية الأشياء الصغيرة جداً، مثل الكائنات الحية أحادية الخلية. أما بوساطة المقراب (التليسكوب)، فيمكن رؤية الأجرام السماوية البعيدة، ذات الأحجام الكبيرة، كالمجرات والكواكب السيارة. ويساعد علم البصريات على فهْم حاسة البصر، وألوان السماء، وبريق الألماس، والعديد من الكائنات.

1. الانعكاس والانكسار والامتصاص (أُنظر شكل سلوك الضوء)

    عندما يصل الشعاع من الضوء إلى سطح، يفصل بين نوعَين من المواد، مثل الهواء والزجاج، يمكن أن ينعكس جزء منه من السطح، بينما يمرّ جزء من خلاله. أما الضوء الذي يدخل الوسط الثاني، فينكسر (يغير اتجاه مساره)، إضافة إلى إمكانية امتصاص جزء منه، بوساطة الجزيئات، الموجودة على السطح، أو داخل الوسط الثاني.

    وتسمح المادة الشفافة بمرور الأشعة الضوئية، من دون اختلاطها، فيمكن الرؤية من خلالها. أما المواد شبه الشفافة، فهي تسمح، كذلك، لأشعة الضوء بالمرور من خلالها؛ ولكنها تؤدي إلى اختلاطها، فلا يمكن الرؤية، بوضوح، من خلال هذه المواد. أما المواد غير الشفافة، أو المعتمة، فإنها تمنع الضوء من المرور.

    يشبه انعكاس الضوء على سطح، ارتداد الكرة عند طرف منضدة البلياردو. تخيَّل خطاً عمودياً على سطح الانعكاس؛ مثل هذا الخط، يسمى العمودي، وتسمى الزاوية المحصورة بين مسار الشعاع الساقط والعمودي، زاوية السقوط. ويكون الشعاع المنعكس الزاوية نفسها، بالنسبة إلى العمودي، مثل الشعاع الساقط، ولكن من الجهة الأخرى منه. ويعمل الانعكاس بالطريقة نفسها، حتى لو كانت الأسطح خشنة. فأي مكان ينعكس الشعاع من سطحه، فإن الزاوية، التي تكون مع العمودي، عند نقطة السقوط، تساوي زاوية السقوط.

    عندما ينعكس الضوء من سطح أملس، فإن جميع أشعته، تنعكس في الاتجاه نفسه. وعندما ينعكس الضوء من سطح خشن، فإن أشعته، تنعكس في اتجاهات عديدة؛ ذلك لأن الأعمدة عند جميع نقاط السقوط، تسير في اتجاهات عديدة. لذلك، يمكنك أن ترى صورتك في المـرآة، بينما لا يمكن أن تراها في قطعة من الورق.

    وعندما يمرّ الضوء، يسير من خلال نوعيات مختلفة من الجزيئات؛ فإذا مرّ، مثلاً، من هواء إلى زجاج، فإن سرعته تقلّ؛ ذلك لأن جزيئات الزجاج أكثر كثافة من جزيئات الهواء. وإذا دخل الضوء، في أي زاوية، عدا الزاوية القائمة، فإن التغير في سرعته، يغير اتجاه، سيره، أو بمعنى آخر، فإن الضوء ينكسر.

    وعندما يمرّ الشعاع من الهواء إلى الزجاج، فإنه يميل في اتجاه عمودي على السطح؛ ويعتمد مقدار الانحناء على نوعية المادة، الداخل إليها الشعاع. ينكسر الضوء في الأنواع المختلفة، من الزجاج والبلاستيك.

    ولملاحظة الانكسار، ضع قلم رصاص في كأس مملوءة بالماء، ثم اُنظر إليه، من أعلى، ومن جهة واحدة، فسيبدو وكأنه انحنى عند سطح الماء. ويأتي الضوء من الجزء الأعلى من القلم مباشرة إلى العين، بينما يمرّ شعاع الجزء الأسفل، من خلال السطح الفاصل بين الماء والهواء، الذي عنده ينكسر الشعاع؛ ولذلك، يبدو كأنه يأتي من أسفل قلم الرصاص، منحنياً عند قمته.

    تمتص المواد المعتمة ألواناً محدَّدة من الضوء. فيبدو الكتاب ذو الجلد الأحمر، والمعرَّض للضوء الأبيض، أحمر؛ لأن الجزيئات الموجودة على السطح، تمتص جميع الألوان الأخرى للضوء. وتتغير الطاقة الممتصة من الضوء، بسرعة، إلى حرارة، وتُسخِّن السطح. وتمتص المواد الشفافة، كذلك، ألواناً محددة، إذا كانت تحتوي على ألوان أو أصباغ.

2. الاستطارة

    عندما تصطدم أشعة الضوء بالذرات، أو الجزيئات، أو الأجسام الصغيرة، ترسل هذه الأجسام الأشعة في اتجاهات جديدة، وهذا يسبب استطارة الأشعة. وتبدو السماء صافية زرقاء؛ وذلك لأن معظم الأشعة الزرقاء، تستطير في اتجاه الأرض عبر جزيئات الهواء، على عكس الألوان الأخرى في ضوء الشمس. والشمس عندما تكون قريبة من الأفق، تبدو وكأنها برتقالية أو حمراء؛ وذلك لأن الضوء، الذي يصل إلى الناظر، يكون قد فقد معظم الألوان الأخرى، من خلال الاستطارة.

3. التداخل

    يعرف الضوء، في معظم الحالات، بأنه موجات، لكل منها قمة وقاع. فعندما تمرّ موجتان ضوئيتان من خلال نقطة واحدة، فإنهما تتداخلان. وإن اتفق مرور قمتَهما، في وقت واحد، فإنهما تجتمعان، لتعطيا قمة كبرى؛ وتُسمى هذه العملية التداخل البَنَّاء، وتعطي ضوءاً ساطعاً، أكثر مما تعطيه أي موجة منفردة. وإن اتفق مرور قمة إحداهما وقاع الأخرى، بتلك النقطة، فإن القاع سيقلل من ارتفاع القمة، ويترك النقطة معتمة أو مظلمة، وتسمى هذه العملية بالتداخل الهدام.

    وظاهرة التداخل، التي ينتج منها سطوع الضوء أو اضمحلاله، هي من أقوى الحجج، التي تؤيد النظرية الموجية للضوء. وتنتج جميع أنواع الموجات أنماطاً من التداخل، البَنَّاء والهدَّام، حينما تمرّ من خلال فتحتَين صغيرتَين متجاورتَين.

    وقد برهن العالم الإنجليزي، توماس يونج، في بداية القرن التاسع عشر الميلادي، على الطبيعة الموجية للضوء، بإرسال شعاع ضوئي، من خلال فتحتَين ضيقتَين، إلى شاشة. فإذا كانت طبيعته غير موجية، فإنه يظهر على الشاشة، كنقطتَين ساطعتَين ضيقتَين، كل واحدة منهما تخرج من فتحة. لكن الواقع، أنه عندما يخرج الضوء من كل فتحة، فإنه ينتشر مع الضوء الآخر، وتمتلئ الشاشة بخطوط مضيئة وأخرى معتمة، تسمى الأهداب. تتكون أهداب لامعة، عندما تصل الموجتان، قمة مع قمة، لتعطيا تداخلاً بَنَّاءً. وتتكون أهداب معتمة، عندما تصل الموجتان، قمة مع قاع، لتعطيا تداخلاً هداماً.

4. الحُيُوْدُ

    ينتشر الضوء، الذي يمرّ عبْر كل فتحة في تجربة يونج، ويسمى هذا النوع من الانتشار الحُيُوْدُ. فالحُيُوْدُ، كما في التداخل، ناتج من الحقيقة، التي تنص على أن الضوء، يتصرف كموجة. وتنتشر موجة الضوء قليلاً، عندما تسير من خلال فتحة صغيرة، أو حول جسم صغير، أو تمرّ من خلال حافة. وتنتشر، كذلك، موجات المياه، لكن الفتحات والأجسام، التي تسبب الانتشار، يجب أن تكون أكبر من تلك التي في حالة الضوء. ويمكن أن يكون حُيُوْدُ الضوء أمراً مزعجاً. افترض أنك حاولت رؤية جسم صغير جداً، بوساطة مجهر ذي كفاءة عالية. فكلما ازدادت قدرة التكبير لرؤية الجسم عن قرب أكثر، فإنه تبدو على حافات الجسم غشاوة. وكل حافة مُغَشَّاة، سببها أن الضوء ينكسر، عندما يمرّ من خلال الحافة، في طريقه إلى العين.

    من ناحية أخرى، يخدم الحُيُوْدُ دراسة ألوان شعاع الضوء، إذا استخدمت نبطية، تسمى محزوز الحُيُوْدُ. ويحتوي المحزوز على آلاف الفتحات النحيفة، التي تعطي الضوء. يحيد كل لون في الضوء بكمية مختلفة قليلاً، وانتشار الألوان بهذا الكبر، يجعل في الإمكان رؤية كل لون. ويستخدم محزوز الحُيُوْدُ في التليسكوبات، التي تفصل الألوان في الضوء القادم من النجوم، وهذا يُمكِّن العلماء من دراسة المواد، التي تتألف منها النجوم.

5. التَشَتُّت (التقزح)

    هو فصل الضوء إلى ألوانه. فإن تشتُّت الضوء الأبيض، يفصل الألوان في الطيف المرئي الكامل. وإحدى طرق تشتيت الضوء، هي إرساله من خلال منشور. فالألوان المختلفة، تنكسر بقيم مختلفة؛ ولذلك، تنفصل الألوان. والحيود والاستطارة، يمكنهما، كذلك، تشتيت الضوء (أُنظر شكل الضوء الأبيض والطيف المرئي).

6. الاستقطاب

    يتضمن ترددات (التغيرات المنتظمة القوة) الحقول الكهربائية، التي تؤلف موجات الضوء. ويمكن تحديد اتجاهات الترددات، بوساطة الأسهم. وفي معظم الضوء المرئي، تتخذ الأسهم اتجاهات متعددة، وتكون عمودية على مسار الشعاع. ومثل هذا الضوء، يكون غير مستقطب. ويبقى عدد قليل من هذه الأسهم، ينعكس من الأسطح، عند زاوية معينة، أو يستطير من جزيئات الهواء. وإذا كانت الأسهم تشير في اتجاه واحد، أو اتجاه معاكس له، فإن الضوء يكون مستقطباً. افترض عندما ينعكس ضوء الشمس من الطريق إليك، أن أسهمه تشير إلى يسارك، تحتوي على مصفيات الاستقطاب، فهذه تمنع الضوء من التذبذب، شمالاً أو يميناً.

7. التأثيرات الكيماوية للضوء (أُنظر شكل تغيرات الضوء الكيمائية)

    يمكن طاقة الضوء تغيير أسطح المواد، كيماوياً، من خلال امتصاصها. فعلى سبيل المثال، يغيّر الضوء، كيماوياً، جزيئات حبيبات الفضة للفيلم الضوئي؛ ولذلك، يمكن تسجيل الصورة عليه. ويمكن الضوء القوي، أن يجعل ألوان الأقمشة شاحبة بتغيير صبغتها، كيماوياً. وشبكية العين تتغير، كيماوياً، بوساطة الضوء؛ ولذلك، فإن الشبكية تنتج إشارات، بالنسبة إلى البصر. والضوء عامل ضروري للتركيب الضوئي في النباتات، ويمثل العملية اللازمة لإنتاج الغذاء.

8. الظاهرة الكهروضوئية والموصِّلية الضوئية (أُنظر شكل الظاهرة الكهروضوئية للضوء)

    عندما تمتص مواد معينة الضوء، فإن طاقته تحرِّر الإلكترونات الحرة، في بعض الأجهزة، من خلال دائرة، في صورة تيار كهربائي. وتعمل الخلايا الشمسية، والخلايا الكهروضوئية، بوساطة التأثير الكهروضوئي. وتسمى بعض المواد موصِّلات ضوئية، وتصبح موصلات جيدة للكهرباء، عندما يسلط عليها الضوء.