الضوء هو طاقة، والطاقة هي شيء لا يظهر فجأة بل يجب أن تأتي من مكان ما، لذا سنخصص مقالتنا التالية للإجابة على السؤال التالي: من أين يأتي الضوء؟
هناك كمية ثابتة من الطاقة في الكون ولا توجد عملية تخلق أو تدمر الطاقة على الإطلاق، إنها ببساطة تحول بعض الطاقة الموجودة إلى شكل آخر أو أكثر. هذه الفكرة هي قانون أساسي للفيزياء يسمى حفظ الطاقة وينطبق على الضوء مثل أي شيء آخر.
من أين يأتي الضوء؟
بما أن الطاقة لا تنشئ من لا شيئ، إذن من أين يأتي الضوء؟ كيف بالضبط “يتكوّن” الضوء؟ اتضح أن الضوء يتكون داخل الذرات عندما “تستثار”. هذا ليس متحمسًا بالمعنى السخيف والضحك للكلمة، ولكن بمعنى علمي أكثر تخصصًا.
فكر في الإلكترونات الموجودة داخل الذرات مثل الحشرات التي تجلس على سلم. عندما تمتص الذرة الطاقة، لسبب أو لآخر، يتم ترقية الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى. تخيل إحدى الحشرات تتحرك صعودًا إلى درجة أعلى على السلم. لسوء الحظ، فإن السلم ليس مستقرًا تمامًا حيث تتأرجح الحشرات هناك، لذلك لا تتطلب الذبابة سوى القليل جدًا من الإقناع للعودة إلى حيث كانت من قبل.
وبذلك، عليها أن تعيد الطاقة التي امتصتها، وهي تفعل ذلك عن طريق وميض ذيلها. هذا ما يحدث إلى حد كبير عندما تمتص الذرة الطاقة. يقفز الإلكترون الموجود بداخلها إلى مستوى طاقة أعلى، لكنه يجعل الذرة غير مستقرة.
عندما يعود الإلكترون إلى مستواه الأصلي، فإنه يعيد الطاقة على شكل وميض من الضوء يسمى الفوتون. إذاً، من أين يأتي الضوء؟ يأتي الضوء من ومضات الطاقة التي تسمى الفوتونات.
كيف تصنع الذرات الضوء؟
الذرات هي الجسيمات الدقيقة التي تتكون منها كل الأشياء. بشكل مبسط إلى حد كبير، تشبه الذرة إلى حد ما نظامنا الشمسي، حيث توجد الشمس في مركزها والكواكب تدور حولها.
تتركز معظم كتلة الذرة في النواة الموجودة في المركز، وتتكون من البروتونات والنيوترونات المكدسة معًا. يتم ترتيب الإلكترونات حول النواة في أصداف (تسمى أحيانًا المدارات، أو مستويات الطاقة). كلما زادت طاقة الإلكترون، كلما ابتعد عن النواة.
تبرز الذرات في عملية من ثلاث خطوات:
- تبدأ في حالتها المستقرة مع وجود الإلكترونات في أماكنها الطبيعية.
- عندما تمتص الطاقة، يتم طرد إلكترون واحد أو أكثر من النواة إلى مستويات طاقة أعلى. نقول إن الذرة الآن “مُثارة”.
- ومع ذلك، فإن الذرة المثارة غير مستقرة وتحاول بسرعة العودة إلى حالتها الأرضية المستقرة. لذلك فهو يعطي الطاقة الزائدة التي اكتسبها في الأصل كفوتون للطاقة (خط متذبذب): حزمة من الضوء.
إقرأ أيضاً… ما هي ظاهرة تشتت الضوء؟
كيف يعمل الضوء؟
بمجرد أن تفهم كيف تستوعب الذرات الطاقة وتوزعها، يصبح علم الضوء منطقيًا بطريقة جديدة مثيرة جدًا للاهتمام. فكر في المرايا، على سبيل المثال. عندما تنظر إلى المرآة وترى وجهك منعكسًا، ما الذي يحدث بالفعل؟
الضوء (ربما من نافذة) يضرب وجهك ويرتد إلى المرآة. داخل المرآة، تلتقط ذرات الفضة (أو أي معدن آخر عاكس جدًا) طاقة الضوء الواردة وتصبح متحمسة. هذا يجعلها غير مستقرة، لذا فهي تطرح فوتونات ضوئية جديدة تعود من المرآة نحوك. في الواقع، المرآة تلعب لعبة الرمي والالتقاط باستخدام فوتونات الضوء مثل الكرات!
يمكن أن تساعدنا الفكرة نفسها في شرح أشياء مثل آلات التصوير والألواح الشمسية (الألواح المسطحة من عنصر السيليكون الكيميائي الذي يحول ضوء الشمس إلى كهرباء). هل تساءلت يومًا عن سبب ظهور الألواح الشمسية باللون الأسود حتى عندما تكون في ضوء الشمس الكامل؟
هذا لأنهم يعكسون القليل من الضوء الذي يسقط عليهم أو لا يعكسون أيًا من الضوء الذي يسقط عليهم ويمتصون كل الطاقة بدلاً من ذلك. (الأشياء السوداء تمتص الضوء، وتعكس القليل أو لا تعكسه، بينما الأشياء البيضاء تعكس فعليًا كل الضوء الذي يسقط عليها، وتمتص القليل منها أو لا تمتصه على الإطلاق. لهذا السبب من الأفضل ارتداء الملابس البيضاء في يوم حار شديد الحرارة).
أين تذهب الطاقة في الألواح الشمسية إذا لم تنعكس؟ إذا قمت بتسليط ضوء الشمس على الخلايا الشمسية في لوحة شمسية، فإن ذرات السيليكون في الخلايا تلتقط الطاقة من ضوء الشمس. بعد ذلك، بدلاً من إنتاج فوتونات جديدة، فإنها تنتج تدفقًا للكهرباء بدلاً من ذلك من خلال ما يُعرف بالتأثير الكهروضوئي (أو الكهروضوئي). بمعنى آخر، يتم تحويل الطاقة الشمسية الواردة (من الشمس) إلى كهرباء صادرة.
إقرأ أيضاً… ما هي أنواع النجوم المختلفة؟
الضوء الساخن والضوء البارد.
بعد أن عرفنا من أين يأتي الضوء، سنطرح السؤال التالي: ما الذي يجعل الذرة تمتص الطاقة في المقام الأول؟
يمكنك منحها بعض الطاقة عن طريق تسخينها. إذا وضعت قضيبًا حديديًا في نار مشتعلة، فسوف يسخن في النهاية لدرجة أنه يتوهج باللون الأحمر. ما يحدث هو أنك تزود ذرات الحديد داخل العارضة بالطاقة وتجعلها متحمسة.
يتم ترقية إلكتروناتهم إلى مستويات طاقة أعلى وجعل الذرات غير مستقرة. عندما تعود الإلكترونات إلى المستويات الأدنى، فإنها تطلق طاقتها كفوتونات من الضوء الأحمر، ولهذا السبب يبدو أن الحديد يتوهج باللون الأحمر.
تعمل المصابيح الكهربائية القديمة بهذه الطريقة أيضًا. إنها تصدر الضوء عن طريق تمرير الكهرباء عبر سلك رفيع جدًا بحيث تصبح ساخنة بشكل لا يصدق. تحوّل الذرات المثارة داخل الفتيل الساخن الطاقة الكهربائية التي تمر عبرها إلى ضوء يمكنك رؤيته من خلال إطلاق فوتونات باستمرار.
عندما نصدر الضوء عن طريق تسخين الأشياء، فهذا يسمى الإنارة. لذلك تسمى المصابيح ذات الطراز القديم أحيانًا المصابيح المتوهجة. يمكنك أيضًا إثارة الذرات بطرق أخرى. تعد المصابيح الموفرة للطاقة التي تستخدم الفلورة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة لأنها تجعل الذرات تنهار وتتصادم، مما ينتج عنه الكثير من الضوء دون توليد حرارة.
في الواقع، فهي تُصدر ضوءًا باردًا بدلاً من الضوء الساخن الذي تنتجه المصابيح القديمة المهدرة للطاقة. مخلوقات مثل اليراعات تُصدر ضوءها من خلال عملية كيميائية باستخدام مادة تسمى لوسيفيرين. الاسم الواسع للطرق المختلفة لصنع الضوء من خلال إثارة الذرات داخل الأشياء هو اللمعان.
الضوء مكوّن من عدة ألوان.
يقسم قوس قزح ضوء الشمس (الضوء “الأبيض”) إلى الألوان المكونة له لأنه ينحني ألوانًا مختلفة (أطوال موجية للضوء) بكميات مختلفة. تنحني الأطوال الموجية الأقصر أكثر من الأطوال الموجية الأطول، لذلك ينحني الضوء الأزرق أكثر من الأحمر.
لهذا السبب يكون اللون الأزرق دائمًا داخل قوس قزح والأحمر في الخارج. اللون هو من أغرب الأشياء في الضوء. إليكم لغزًا واحدًا واضحًا: إذا رأينا الأشياء لأن ضوء الشمس ينعكس عليها، فكيف لا يكون كل شيء بنفس اللون؟ لماذا ليس كل شيء بلون ضوء الشمس؟ ربما تعرف الإجابة على هذا بالفعل.
ضوء الشمس ليس ضوءًا من لون واحد فقط، إنه ما نطلق عليه الضوء الأبيض، المكون من جميع الألوان المختلفة الممزوجة معًا. نحن نعلم هذا لأنه يمكننا رؤية أقواس قزح، تلك المنحنيات الملونة التي تظهر في السماء عندما تقسم قطرات الماء ضوء الشمس إلى الألوان المكونة لها عن طريق انكسار (ثني) ألوان مختلفة من الضوء بكميات مختلفة.
لماذا تبدو الطماطم حمراء؟ عندما تسطع أشعة الشمس على الطماطم، ينعكس الجزء الأحمر من ضوء الشمس مرة أخرى على جلد الطماطم، بينما يتم امتصاص جميع الألوان الأخرى للأضواء الطماطم، لذلك لا تراها.
لماذا يظهر لون معين دون الآخر؟
هذا صحيح تمامًا بالنسبة للكتاب الأزرق، الذي يعكس الجزء الأزرق فقط من ضوء الشمس ولكنه يمتص ضوء الألوان الأخرى. لكن لماذا تظهر الطماطم حمراء وليست زرقاء أو خضراء؟
فكر في كيفية صنع الذرات للضوء. عندما يسقط ضوء الشمس على الطماطم، تثير الطاقة الضوئية الواردة ذرات في جلد الطماطم. يتم ترقية الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى لالتقاط الطاقة، ولكن سرعان ما تتراجع مرة أخرى.
أثناء قيامهم بذلك، يطلقون فوتونات من ضوء جديد، ويصادف أن يتوافق هذا مع نوع الضوء الذي تراه أعيننا أحمر. بعبارة أخرى، تشبه الطماطم (البندورة) آلات بصرية دقيقة مبرمجة لإنتاج فوتونات من الضوء الأحمر عندما يسقط عليها ضوء الشمس. لكن إذا سلطت ضوءًا بألوان أخرى على الطماطم، فماذا سيحدث؟
لنفترض أنك صنعت بعض الضوء الأخضر عن طريق تمرير ضوء الشمس عبر قطعة من البلاستيك الأخضر (شيء نسميه مرشح). إذا سلطت هذا على طماطم حمراء، فستظهر الطماطم باللون الأسود. هذا لأن الطماطم تمتص الضوء الأخضر. ببساطة لا يوجد ضوء أحمر عليهم أن يعكسوه.
