بصريات

Optics -

البصريات

فادي قمر

 

البصريات أو علم الضو optics علمٌ كان يختص- في بداية الأمر- بدراسة المجال المرئي الذي تميزه عين الإنسان من الطيف الكهرطيسي الذي يبدأ من الطول الموجي 400 nmتقريباً للون البنفسجي إلى قرابة 700 nm للون الأحمر؛ لكن هذا المجال وُسِّع ليشمل جز اً من المجال غير المرئي، ويتألف من منطقتين: منطقة الأشعة فوق البنفسجية المجاورة للمنطقة البنفسجية التي تصل حتى 100 nm، ومنطقة الأشعة تحت الحمرا المجاورة للمنطقة الحمرا لتصل إلى 1cm. يبين الشكل (1) كامل مجال الطيف الكهرطيسي ابتدا من أشعة غاما ذات الطول الموجي وحتى الأمواج الراديوية الطويلة التي تقاس بالكيلومتر، ويظهر فيه المجال المرئي؛ إلى جانب المنطقتين المجاورتين المعنيتين مكبرتين نظراً لصغرهما.

الشكل (1) طيف الأشعة الكهرطيسية ومجال الضو المرئي وغير المرئي.

يُقسم علم الضو تاريخياً إلى ثلاثة مجالات، هي:

أ) البصريات الهندسية geometrical optics التي يعتمد على طريقة انتشار الضو ؛ وتتعامل معه على أنه مكون من أشعة تسير في وسط متجانس بخطوط مستقيمة، وذلك لدراسة ‏الظلال أو تكوّن الصور بالمرايا أو العدسات ومعرفة مسار الضو في الأجهزة الضوئية كالمقاريب telescopes.

ب) البصريات الطبيعية أو الفيزيائية physical optics التي تختص بتفسير طبيعة الضو وسلوكه وبعض الظواهر الضوئية كالتداخل والانعراج (الحيود) والاستقطاب؛ إضافة إلى الانعكاس والانكسار، وذلك اعتماداً على أن الضو موجة كهرطيسية عرْضية.

ج) البصريات الكمومية quantum optics التي تفسر تفاعل الضو مع ذرات المادة وانبعاثه منها photoelectric emission أو امتصاصها للضو ، كظواهر توزيع الطاقة على طيف انبعاث (إصدار) الجسم الأسود أو المعتم والإصدار الكهرضوئي (انبعاث الإلكترونات من ‏سطوح المعادن عند سقوط الضو عليها) معتمداً في معالجته على نظرية الكم التي تنص على أن الضو ‏هو كمات من الطاقة تسمى فوتونات photons، وطاقة كل فوتون ‏تساوي جدا مقدار ثابت يسمى ثابت بلانك h مضروباً بتردد (تواتر) الموجة الضوئية ν أي:. وذلك إضافة إلى صفته الموجية، فيعتمد الازدواجية الموجية الجسيمية.

تعود البدايات النظرية لتفسير الضو light في مجاله الهندسي الذي يشمل علم البصريات إلى زمن الآشوريين، أي بدايات القرن السابع قبل الميلاد، حيث عثر العالم الجيولوجي البريطاني جون لايارد Sir John Layard في العام 1850 في أثنا تنقيبه عن الآثار في قصر النمرود في العراق على عدسة مصقولة من البلور الصخري عرفت باسم «عدسة لايارد /نمرود» Layard/Nimrud ما تزال محفوظة في المتحف البريطاني.

تطور بعدها علم العدسات على يد المصريين القدما الذين حسّنوا من كفاية العدسات. وانتشرت العدسات بالتوازي أيضاً في بابل، ثم انتقلت بعدها إلى بلاد الإغريق والرومان، وكانت تصنع وقتها من كرات زجاجية مملو ة بالما ، ولم تظهر العدسات المصنعة بالكامل من الزجاج إلا في العصور الوسطى. كما بدأ التفكير في حقيقة طبيعة الضو في الهند القديمة بين القرنين الخامس والسادس قبل الميلاد، وذلك في مدرستين فلسفيتين كانتا منتشرتين في ذلك الوقت هما الفلسفة السمخيا Samkhya وفايشيشكا Vaisheshika، فهو في المدرسة الأولى أحد عناصر الحواس الخمس الأساسية المسماة تانماترا Tanmatra المكوِّنة للإنسان، في حين تقول المدرسة الثانية إن أشعة الضو هي تيار منتشر من ذرات نارية عالية السرعة، وإنه يمكنها أن تظهر خصائص مختلفة تبعاً لسرعتها ولترتيب الذرات النارية. وفي القرن الخامس قبل الميلاد ساهمت آرا فلاسفة الإغريق في محاولة تفسير حاسة الإبصار وفهم طبيعة الضو وتعليل الظواهر الضوئية من دون التعمق كثيراً في الموضوعات التي درسوها، وهو ما عرف في لغتهم باسم «أوبطيقا»؛ ومنه أتت كلمة "optics" أي علم الضو ، فقد افترض إمبيدوكليس Empedocles أن هناك آلهة تشعل ناراً تشع من العين تسبب الرؤية؛ وأن هناك تفاعلاً بين الأشعة الصادرة من العين والأشعة الصادرة من مصادر أخرى كأشعة الشمس. أما أفلاطون Plato فقد اعتقد أن إبصار الأشيا يتم عن طريق خروج النور من العين إلى المواد، فيحدث الإبصار؛ ولكن تلميذه أرسطو Aristotle خالفه الرأي، وزعم أن الضو ليس له وجود في ذاته؛ وأن الإبصار يتم بانطباع صور الأشيا في العين، أما أبيقور Epicurus فتخيل أن للأشيا التي تُرَى أشباحاً أو صوراً تنبعث منها بصورة مستمرة، ويتم الإبصار بورود هذه الصور إلى العين .ومن جهة أخرى، كانت للرواقيين فلسفة مختلفة عن سابقيهم؛ إذ افترضوا- مستفيدين من أفكار أفلاطون- حدوث اتصال بين العين والأجسام المرئية عن طريق شعاع يخرج من العين على شكل مخروط رأسه عند العين وقاعدته عند الجسم، فإذا لمس هذا الشعاع جسماً ما حدث الإبصار. وقد شاع واشتهر هذا الرأي في وقته حتى إن أصحابه سُمّوا «أصحاب الشعاع»، ومنهم إقليدس Euclid الذي قال إن الضو هو أشعة تنطلق من عين الإنسان وتصطدم بالأجسام، وبنى على ذلك قوانين الانعكاس والانتشار المستقيم للضو . وفي القرن الثاني الميلادي تابع كلاوديس بطليموس Claudius Ptolemy دراسة الانعكاس، وأجرى الدراسات الأولى في الانكسار، فقاس زوايا الانكسار بين الهوا والما ، والما والزجاج، فقال بتناسب زاوية الانكسار مع زاوية ورود الضو على السطح الفاصل. وهكذا تعددت آرا فلاسفة الإغريق في طبيعة الضو وتفسير الإبصار؛ وذلك لأن منهج التفكير في عصرهم كان فلسفياً يعتمد التأمل العقلي الخالص بعيداً عن التجربة والتحليل العلمي.

بيَّن الحسن بن الهيثم في القرن العاشر الميلادي (الذي ينسب له التأسيس الفعلي لعلم البصريات، فقد اهتم بتفسير حاسة الإبصار وظواهرها، وتوسع فيما بعد ليدرس الظواهر الضوئية جميعها فيما يعرف بعلم الضو في عصره)، بطلان النظريات الإغريقية واليونانية، وعزا إحساس الرؤية إلى عامل أو مؤثر خارجي له كينونته، وأسماه «الضو »، وقال: إن الضو ‏هو «حرارة نارية تتألف من أشعة لها أطوال وعروض، تنبعث من الأجسام المضيئة مثل الشمس والأجسام المتوهجة، وإذا سقطت على جسم كثيف؛ سخنته، وإذا انعكست من مرآة مقعرة؛ تجمعت عند نقطة واحدة لو وجد عندها جسم يقبل الاحتراق؛ أحرقته»، أي عدّ أن الضو أشعة تنطلق من المادة المضيئة لتصل إلى عين الإنسان، وهي النظرية المتعارف ‏عليها حالياً عن طبيعة الطاقة الضوئية. وقد ألّف العديد من المراجع العلمية المهمة، من بينها كتاب «المناظر» الذي نهل منه كل من أتى بعده، وكان واحداً من المصادر المهمّة التي اعتمدت عليها معظم جامعات أوربا والغرب الحديثة لعدة قرون. وناقش ابن الهيثم عملية الإبصار، بد اً من تركيب العين من الناحية التشريحية ووظيفة كل جز من أجزائها؛ وصولاً إلى تكون صور للمرئيات على ما يُسمى الآن شبكية العين، ثم انتقال التأثير الحادث إلى المخ عن طريق العصب البصري. وكذلك علّل رؤية صورة واحدة للجسم على الرغم من النظر إليه بعينين اثنتين، وذلك لوقوع الصورتين على جزأين متماثلين من الشبكية. كما بحث الحسن بن الهيثم ظاهرة انعكاس الضو ، واستطاع أن يضع أساساً نظرياً لقانون الانعكاس الذي توصل إليه فلاسفة اليونان والذي ينص على أن «زاوية السقوط (الورود) تساوي زاوية الانعكاس» وزاد عليه القانون الآخر الذي ينص على أن «زاويتي السقوط والانعكاس تقعان في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس». كذلك بحث ابن الهيثم في ظاهرة انكسار الضو عند نفاذه من وسط شفاف إلى وسط شفاف آخر مختلف عنه في الكثافة الضوئية (أي قرينة الانكسار)، وأثبت قانوني هذه الظاهرة على أساس ان سرعة الضو في الوسط الأقل كثافة ضوئية (الأصغر قرينة) أكبر منها في حالة الوسط الأعلى كثافة ضوئية (الأعلى قرينة)، وبين أن الشعاع المنكسر يقترب إلى العمود في الوسط الأعلى كثافة ضوئية، وقاس زاويتي السقوط والانكسار، ولم يزد العلم الحديث على ذلك إلا إثبات أن النسبة بين جيب sin زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار ثابتة لكل وسطين. وهو أول من قال: إن الضو شي مادي حيث ينعكس الضو من الأجسام المصقولة تماماً كما ترتد الكرة من الجسم الصلب عند اصطدامها به. وقد أدَّت هذه النظرية دوراً مهماً عبر التاريخ، ومن المؤسف أن الكثير من علما الغرب يدّعون خطأ أن إسحاق نيوتنIsaac Newton (1642-1727) هو مبتكر هذه النظرية. كما قدم ابن الهيثم التفسير الصحيح للزيادة الظاهرية في قطر كل من الشمس والقمر قرب الأفق بعد اكتشافه الزيغ الكروي spherical aberration، وابتكر في كتابه «المناظر» الفكرة الأساسية لأول آلة تصوير التي اخترعها بعده بخمسة قرون العالمين الإيطاليين دافنشي Davinci ودلا بورتا Della Porta، وكانت تتكوّن من صندوق (خزانة) محكم فيه ثقب ضيق يقوم مقام العدسة، واكتشف منها أن صورة الشي تظهر مقلوبة داخل هذا الصندوق.‏ وتجدر الإشارة إلى أن هناك علما مسلمين آخرين كتبوا في علم الضو مثل ابن سينا وابن النفيس والرازي والكندي وغيرهم. وقد بيَّن العالم الرياضي ابن سهل القوانين الجيبية للانكسار التي ‏استخدمها لاحقاً ديكارت Descartes في القرن السابع عشر في دراساته، وأثمر تطور علم الضو على يد العلما ‏العرب والمسلمين عن ظهور بعض الأجهزة الضوئية وتطويرها مثل المجاهر والمقاريب ‏الضوئية.

وفي القرون الوسطى (بداية عصر النهضة الأوربية) تابع علم الضو تطوره، واكتشفت ظواهر ضوئية جديدة مثل ظاهرتي ‏التداخل والانعراج؛ مما عُدّ البداية الفعلية لظهور القسم الثاني من علم الضو وهو الضو الفيزيائي. ‏وكان نيوتن Newton من أشهر من ساهم في تطوير علم الضو في ذلك الوقت، فدرس ظواهر التبديد في الموشور، وأعاد تأكيد نظرية ابن الهيثم في كون الضو ذا طبيعة مادية، وأشار إلى أن الضو هو جسيمات دقيقة متناهية في الصغر تنطلق من المادة المضيئة، وتنتشر في الفراغ بسرعات عالية وفق خطوط مستقيمة، وقد نجحت هذه الفرضية في تفسير ظاهرتي الانتشار والانعكاس؛ ولكنها اصطدمت بحاجز كبير عند دراسة ظواهر ضوئية مثل التداخل والانعراج، فلم تستطع تفسير تعاقب المناطق المضيئة والمظلمة التي تظهر في ظاهرتي التداخل والانعراج؛ لكون الطبيعة الجسيمية للضو تؤدي إلى جمع الشدات حين تتراكب الجسيمات؛ وبالتالي ازدياد الشدة وتوزعها بشكل متجانس، ولم تتمكن النظرية الجسيمية أيضاً من تفسير ظاهرة الانكسار؛ لكونها افترضت أن سرعة الضو في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالما أكبر منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهوا . ثم جا العالم الفرنسي هويغنز Huygens، وافترض أن الضو هو تراكب عدد من المويجات wavelets ذات الطبيعة الموجية الطولية وأن كل نقطة على صدر الموجة تُعدّ مصدر اضطراب ثانوي (مويجة)؛ وأنه لا بدّ من وجود وسط مادي كي تنتشر من خلاله هذه المويجات سماه الأثير- ذي مواصفات مرنة غير منسجمة مع سلوك الضو . بيد أن هذه النظرية استطاعت تفسير ظاهرة الانكسار حيث عدّت أن سرعة الضو في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالما أقل منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهوا ؛ ولكنها أخفقت في برهان وجود الأثير؛ كما أنها أخفقت في تفسير ظاهرة الاستقطاب، وذلك لأن الاستقطاب (ظاهرة موجية عرضية).

إن التبيان الصريح للطبيعة الموجية للضو كان على يد الإنكليزي توماس يونغ Thomas Young في بداية القرن الثامن عشر من خلال تجربة التداخل الشهيرة (شقّا يونغ Young double slit). أما الفرنسي أوغستين جان فرينل Augustine Jean Fresnel الذي جا أواخر القرن الثامن عشر؛ فقد أضاف أن الضو هو أمواج عرضية، واستطاع بالتالي تفسير الاستقطاب وإشعاعه، ثم جا مكسويل J. C. Maxwell (1865) ونظريته الكهرطيسية لتقول: إن الضو ليس إلا موجة كهرطيسية، فكان فتحاً عظيماً وبداية جديدة في علم الضو ، وقد عدّت هذه النظرية أن الضو هو موجات كهرطيسية عرضية تتكون من حقلين متعامدين: أحدهما كهربائي والآخر مغنطيسي، وكلاهما متعامد مع اتجاه انتشار الضو ، (الشكل 2).

الشكل (2) توزع الحقل الكهربائي والحقل المغنطيسي ضمن الموجة الكهرطيسية المؤلفة للضو لدى انتشارها.

ساهمت هذه النظرية في تعميق تفسير ظاهرة الاستقطاب بعدم ضرورة وجود وسط (حيث إن الأمواج الكهرطيسية تنتشر في الفضا )، كما استطاعت النظرية الموجية عموماً تفسير الظواهر الضوئية المعتمدة على تآثر الضو مع الضو (التداخل والانعراج والاستقطاب) إلا أنها أخفقت في تفسير تفاعل الضو مع المادة من امتصاص أو إصدار وفي تفسير الظاهرة الكهرضوئية (الأثر الضوئي photoelectric effect) (1886) (ظاهرة انبعاث الإلكترونات من سطوح بعض المعادن عند سقوط الضو عليها) التي اكتشفها العالم هرتز Heinrich Hertz، وذلك لأن هذه التآثرات لا يمكن أن تتم إلا إذا كانت طاقة الضو متقطعة ومكثفة، في حين أن النظرية الموجية تفترض الاستمرار في توزع الطاقة؛ إضافة إلى أن الطاقة التي تلاقي الذرة وفقها غير كافية لاقتلاع إلكترونات المعدن. ظل هذا التفاعل (الأثر) من دون تفسير إلى أن فسره إينشتاين A. Einstein اعتماداً على نظرية الكم التي ظهرت في بدايات القرن العشرين عام ‏‎ 1900‎‏على يد ماكس بلانك M. K. Planck التي تفترض أن طاقة الإشعاع الصادر عن جسم أسود ساخن لا تملك قيماً مستمرة، بل تكون متقطعة لتفسير منحني توزع هذه الطاقة على الأطوال الموجية كلها؛ وبالتالي فإن إشعاع الضو هو سيل من الفوتونات (الكمات) طاقة كل فوتون هي حيث تتعلق بتواتر الفوتون ν؛ وبالتالي بالطول الموجي وبسرعة الضو ، وللفوتون كتلة حركية واندفاع خطي (كمية حركة)، واندفاع زاوي (عزم كمية حركة). وتُعدّ هذه المرحلة بدايات ظهور المجال الثالث من علم الضو ؛ أي الضو الكمومي.

تمكن العالم البريطاني بول ديراك P. A. M. Dirac لاحقاً (1930) من ربط النظرية الكهرطيسية للضو ونظرية الفوتون الكمومية، فبيّن أن الضو ذو طبيعة مزدوجة موجية – جسيمية.

تطور بعدها علم الضو في منتصف القرن العشرين ليظهر ما يسمى بالإلكترونيات الكمومية quantum electronics والإلكترونيات الضوئية optoelectronics التي اعتمد عليها في اكتشاف الميزر mazer عام 1956 ثم الليزر laser عام 1960 وتطويره على يد ثيودور ميمان Theodore H. Maiman.

توجد اليوم مجالات كثيرة مثيرة للاهتمام ضمن الضو الكمومي أو الفوتونيات photonics، تشمل تحويل التواترات انخفاضاً أو ارتفاعاً بتغيير البارامترات (وسطا ) للمادة المتآثرة مع الضو ، وكذلك التذبذب البارامتري وتوليد النبضات الليزرية القصيرة جداً التي قد تصل إلى الأتوثانية . كما تطور استعمال الضوئيات الكمومية اليوم في الاتصالات وحفظ المعلومات كمومياً، والقياس عليه فيما يعرف بالضو الذري حيث تستعمل الأمواج المواكبة للذرات لهذا الغرض.

‏

مراجع للاستزادة: - أحمد فؤاد الباشا، شريف أمجد خيري، البصريات، دار الفكر العربي القاهرة، الطبعة الأولى، 1998. - فادي قمر، الضو الفيزيائي، جامعة دمشق، 2012. - ضيف الله نصور، نهلة دادو، عبد الباسط قبس، الضو الفيزيائي، جامعة تشرين، 2005. -M. Bass, E. W. van Stryland, D. R. Williams, W. L. Wolfe, Handbook of Optics, Vol. I, McGraw-Hill Inc., 1995. -J. P. Dakin, R. G. W. Brown, Handbook of Optoelectronics, Taylor & Francis, 2006. -F. P. Jenkins, H. E. White, Fundamentals of Optics, McGraw-Hill Book, 1981. -F. W. Sears, Optics, Dartmouth College, Addison-Wesley, 1974. -F. G. Smith, T. A. King, D. Wilkins, Optics and Photonics: An Introduction, John Wiley & Sons Ltd., 2007.

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الخامس مشاركة :