يقدم لكم موقع إقرأ في هذا المقال بحث علمي عن الضوء ، و تعريف الضوء ، و تاريخ ومراحل اكتشاف الضوء ، و أنواع الضوء ، و خصائص الضوء ، و استخدامات الضوء ، و مصادر الضوء ، و كيف يرى الإنسان الضوء ، و أهميّة الضوء ، والذي يعد من أهم الأشياء في حياة الإنسان على مر العصور والذي لا يمكن الاستغناء عنه أو العيش بدونه، حيث يعد واحد من الظواهر والأمور الطبيعية التي اتخذت الكثير من الوقت والجهد في التفكير والتأمل به والبحث عن مصدره، وقد انبرى المكتشفين والعلماء منذ قديم الزمان على معرفة أسراره وتحليل ظواهره، وإيضاح ما له من خصائص، وهو ما سنعرضه في فقرات بحثنا التالي.
بحث علمي عن الضوء
هُناكَ العديد من الأمور والظّواهر الطّبيعية من حولنا التي تَحتاج إلى التّأمل والتّفكر، ومن أهمّ الأمور التي نَراها ونعيش بفضلها هي الضّوء؛ فالضّوء ومُنذ قديم الزَّمان انبرى لهُ العلماء لِتحليل ظواهرهِ، ومعرفةِ أسراره. في هذا المقال سَنتحدّث عن الضَّوء، وخُصوصاً الضَّوء المرئي الذي تُبصرهُ العين البشريّة، وعن خصائصِ الضَّوء، والاكتشافات العلميّة التي حاولت تفسير طبيعة الضوء.
تعريف الضوء
الضوء هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تلاحظه العين المجرّدة، إذ ينتقل عبر موجاتٍ تتباين في أطوالها بين قليلٍ جداً يقدّر بحوالي (1* 10^-11) إلى كبيرٍ جداً قد يصل لأمتار. ما يستطيع الإنسان رؤيته من أطوالٍ موجيّةٍ للضوء يتراوح ما بين (400 -700) نانوميتر، كما توجد أشعة الضوء الفوق بنفسجية وتحت الحمراء لكن بأطوالٍ موجيةٍ لايمكن ملاحظتها بالعين المجرّدة. تبلغ سرعة انتقال الضوء في الفراغ ما يقارب (3*10^6) متراً في الثانية الواحدة ويعد هذا مقداراً ثابتاً، وتعد الشمس هي المصدر الرئيسي للضوء.
تاريخ ومراحل اكتشاف الضوء
يرجع الفضل في وضع أولى النظريات المتعلقة بالضوء للإغريقين، وظلت تلك النظريات سائدة بغير أي إثباتات علمية تؤكد أو تنفي صحتها، تلاهم في ذلك العلماء المسلمين بالقرون الوسطى والذي كان لهم دور كبير في التحقق من نظريات الإغريقين حول الضوء، ومن أهمهم الحسن بن الهيثم الذي أثبت الوظيفة الرئيسية للضوء وشرح طبيعته، والذي قدم شرح بعلم البصريات عن الإبصار، وحالتي الكسوف والخسوف، وشروحات حول المرايا، وسوف نوضح فيما يلي مراحل اكتشاف الضوء:
مرحلة ما قبل القرن التاسع عشر
في تلك المرحلة وذلك الزمان كان التفكير في الضوء أنه سيل من الجسيمات الصادرة عن العين، أو أنها تصدر عن الجسم الذي يتم النظر إليه، وقد أعتمد فكرة أن الضوء عبارة عن جسيمات العالم إسحاق نيوتن.
النظرية الموجية لهوغينس
حتى عام 1678ميلادية ظل العلماء يقرون بفرضية نيوتن إلى أن أتى الفلكي والفيزيائي الهولندي كرستيان هويجنس (Christian Huygens) ليقول أن الضوء نوع من الموجات، ومن خلال فرضيته تم تفسير كل من ظاهرة انكسار الضوء وانعكاسه.
النظرية الموجية لثوماس
بحلول عام 1801ميلادية استطاع العالم ثوماس يونغ (Thomas Young) أن يثبت نظرية أن الضوء عبارة عن موجة، وذلك من خلال تداخل الضوء الذي ترتب عليه الانخفاض بشدة الضوء وفي بعض الأحيان كان يختفي تمامًا، وأحيان أخرى كانت شدة الضوء تزداد وتتضاعف، وقد عرفت الظاهرتين بالتداخل الهدام والتداخل البناء، ومن بعده قام ماكسويل (Maxwell) عام 187ميلادية بنشر عمله بالكهرباء والمغناطيسية والذي يقوم كذلك على نظرية أن الضوء موجة.
إثبات الظاهرة الكهروضوئية لآينشتاين
توصلت النظرية الموجية للضوء إلى تفسير أغلب الظواهر الضوئية، في حين ظانها فشلت بتفسير البعض الآخر منها وذلك مثل الظاهرة الكهروضوئية (Photoelectric Effect)، وهي الظاهرة التي يمكن عبرها رؤية انطلاق إلكترون من سطح معدني حين تسليط شعاع من الضوء عليه.
وكان يكمن فشل النظرية الموجية للضوء في أن طاقة الإلكترونات الحركية لا تقوم على شدة ما يسقط من ضوء، ولكن على تردده، في حين أن عدد الإلكترونات الذي ينبعث عن السطح المعدني يعتمد على شدة ما يسقط من ضوء على سطح ذلك المعدن.
وقد استطاع العالم الفيزيائي الشهير ألبرت آينشتاين (Albert Einstein) من وضع تفسير لتلك الظاهرة، وكان ذلك في عام 1905ميلادية، والذي استعان بها على المفهوم الذي وضعه العالم ماكس بلانك من تكميم الطاقة، وقد ترتب على تفسير هذه الظاهرة فوزه عام 1921ميلادية بجائزة نوبل في الفيزياء.
أنواع الضوء
الطيف المرئي
الضوء المرئي هو نوع واحد فقط من الضوء، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي لهُ تَردّدٌ مُعيّن، وطولٌ موجيٌ يتراوح بين 400 نانومتر كحدٍّ أدنى للطول و700 نانومتر، تمثل الموجات الحمراء ضمن الموجات الطويلة بينما تكون الموجات البنفسجية ضمن الموجات القصيرة يمكن للإنسان فقط رؤية هذا الطيف من الضوء .
الطيف غير المرئي
وهو ينقسم إلى قسمين :
- الأمواج الطويلة وتضم: الأمواج تحت الحمراء ، المايكروويف، والراديو.
- الأمواج القصيرة وتضم: الأمواج فوق البنفسجية ، الأشعة السينية ، واشعة غاما ويمكن لبعض الحيوانات مثل النحل رؤية الضوء فوق البنفسجي.
خصائص الضوء
يمتلك الضوء مجموعةً من الخصائص التي تلعب دوراً هامّاً بكل ما يحيط بالإنسان ومنها:
الامتصاص
يتم امتصاص الضوء إذا ما مر عبر مادةٍ ما، حيث يتم ضياع بعضاً من طاقته على شكل طاقةٍ حرارية، كما يفقد بعضاً من شدّته، وعند عبوره للجهة الأخرى تظهر فقط الألوان ذات الموجات الضوئية التي لم يتم امتصاصها، ويُسمى حينها بلون امتصاص المادة.
الانعكاس والانكسار
عند سقوط الضوء على سطحٍ أملسٍ ما فإنه ينعكس بزاوية تساوي الزاوية التي سقط بها، وعند انتقاله من وسطٍ شفاف لوسطٍ شفافٍ آخر فإنّه يغيّر من اتجاهه بزاوية تسمى زاوية انكسار تعتمد قيمتها على مؤشر الانكسار الخاص بالوسط الذي تم الانتقال عبره.
التشتت
عند سقوط الضوء الأبيض عبر منشورٍ زجاجي ثلاثي ينكسر كل لون بزاويةٍ تختلف عن زاوية انكسار أي لونٍ آخر تبعاً لطوله الموجي، مما يؤدي لظاهرة التشتت.
الاستقطاب
نظراً لأن الضوء هو موجةٌ كهرومغناطيسية، فإنها تنتقل عبر الاهتزاز عمودياً على اتجاه انتقالها فتهتز للأعلى وللأسفل، وعند بقاء الضوء منتقلاً بالاهتزاز ذاته في نفس الاتجاه يسمى حينها ضوءاً مُستقطباً.
استخدامات الضوء
ابرز استخدامات الطيف الكهرومغناطيسي :
- تستخدم اشعة غاما في قضبان الوقود في محطات الطاقة النووية
- وتستخدم الأشعة السينية لرؤية ما داخل أجسامنا في الصور الطبقية
- ويمكن استخدام الضوء فوق البنفسجي لتطهير الأشياء وصناعة التلسكوبات التي ترصد أكثر النجوم نشاطًا وتحديد مناطق الولادة النجمية
- وتستخدم موجات الميكروويف لطهي الطعام
- وتسمح لنا الموجات اللاسلكية (الراديو) بالتواصل عبر مسافات كبيرة.
- النجوم الحمراء هي الأبرد و لا تبعث أبرد النجوم أي ضوء مرئي على الإطلاق ؛ ولا يمكن رؤيتها إلا من خلال التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.
مصادر الضوء
يوجد العديد من المصادر التي يتم من خلالها الحصول على الضوء، ولكن تلك المصادر تنقسم إلى نوعين رئيسيين وهما:
- المصدر الطبيعي للضوء: ومن أكثر أمثلته شيوعًا الشمس والنجوم في السماء.
- المصدر الصناعي للضوء: وهو الضوء الذي يتم الحصول عليه من خلال تدخل الإنسان عن طريق الصناعة، مثل الضوء الصادر من المصابيح الكهربية، أو إشعال النيران.
قد يهمك:
كيف يرى الإنسان الضوء
عندما يسقط الضوء على جسم ما، يقوم هذا الجسم بامتصاص بعضاً من هذا الضوء ويعكس بعضه الآخر (حيثُ أنَّ الامتصاص والانعكاس من خصائص الضوء)، وتعتمد الأطوال الموجيّة المُمتصّة والمُنعكسة على خصائص الجسم نفسه. عند النّظر إلى الجسم، فإنَّ موجات الضوء تنعكس من على سطح الجسم وتدخل في شبكيّة العين الحسّاسة للضوء، فتنشُط المخاريط الموجودة في الشبكيّة كلٌّ منها بشكلٍ مُختلف اعتماداً على حساسيّتها للون مُعيَّن (64% من مخاريط الإنسان حسّاسة للون الأحمر، 34% منها حسّاسة للون الأخضر، 2% حسّاسة للون الأزرق)، فتنتقل الإشارة الناتجة عبر العصب البصري إلى القشرة البصريّة في الدّماغ والذي بدوره يقوم بتحليلها. يتفوَّق الإنسان في تمييز الألوان على مُعظم الثديّات نظراً لطبيعة المخاريط الموجودة لديه؛ ولكن بعض الحيوانات (كالطيور والأسماك) تمتلك عدداً أكبر من المخاريط، ممّا يجعلها قادرة على رؤية أطوال موجيّة غير التي يراها الإنسان (كالأشعّة فوق البنفسجيّة).
أهميّة الضوء
يمتلك الضوء أهميّة في الحياة سواء أكانت بالنسبة للإنسان أو للكائنات الحيّة الأخرى من حيواناتٍ ونباتات، حيث تكمن أهميّته من خلال:
- يعد الضوء أساساً لتمكّننا من الرؤية.
- يعد الضوء المنبعث من الشمس ضرورياً لتدفئة الأرض.
- يعد أساس عملية البناء الضوئي عند النباتات.
- يساعد في نقل المعلومات الخاصّة بالزمان والمكان عبر التقنيات الحديثة مثل الاتصالات بالألياف البصرية.