الفرق بين الطبيعة الموجية والجسيمية للضوء

الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية عرضية يمكن أن يراها الإنسان العادي ، تم توضيح طبيعة موجة الضوء لأول مرة من خلال التجارب على الحيود والتداخل مثل كل الموجات الكهرومغناطيسية ، يمكن للضوء أن ينتقل عبر الفراغ يمكن توضيح الطبيعة العرضية للضوء من خلال الاستقطاب ، وكان يعتقد قديما أن الضوء عبارة عن موجات فقط ولكن يتصرف الضوء بشكل أساسي مثل الموجة ولكن يمكن أيضًا اعتبار أنه يتكون من حزم صغيرة من الطاقة تسمى الفوتونات ، تحمل الفوتونات كمية ثابتة من الطاقة ولكن ليس لها كتلة ، وتعتمد طاقة الفوتون على طوله الموجي ، الفوتونات ذات الطول الموجي الأطول لديها طاقة أقل والفوتونات ذات الطول الموجي الأقصر لديها طاقة أكبر ، الفوتونات الحمراء على سبيل المثال ، لديها طاقة أقل من الفوتونات الزرقاء.

الفرق بين الطبيعة الموجية للضوء والجسيمية 

ينتقل الضوء كموجة ، وعلى وجه التحديد ، تنتقل كموجة كهرومغناطيسية وهي موجة كهربائية وموجة مغناطيسية تتحرك معًا وتتفاعل.

عندما تتوسع الموجة الكهربائية وتتقلص ، فإنها تؤدي إلى ظهور موجة مغناطيسية ثم تتوسع الموجة المغناطيسية وتتقلص ، مما يؤدي إلى ظهور موجة كهربائية ، وهكذا.

يطلق الفيزيائيون على جميع الموجات الكهرومغناطيسية اسم الضوء ، وهذا يشمل الضوء المرئي ، من النوع الذي نراه بأعيننا ، وكذلك الأشعة السينية ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة تحت الحمراء ، والميكروويف ، وموجات الراديو التي تحمل إشارات التلفزيون والراديو ، وغيرها  الفرق بين الأنواع المختلفة من الموجات الكهرومغناطيسية هو طولها الموجي.

لذلك ، يمكن أن يعني مصطلح الفوتون جسيمًا من الضوء المرئي ولكن أيضًا جسيمًا مرتبطًا بالأشعة السينية أو الموجات الدقيقة أو أي جزء آخر من الطيف الكهرومغناطيسي اذا يعتبر الضوء عبارة عن موجة وأيضًا جسيم ، وعندما يصطدم الضوء ، أي موجة كهرومغناطيسية ، بجسم ما ، فإنه ينهار على الفور إلى أجزاء صغيرة أو جزيئات من الطاقة ، كل من هذه الجسيمات عبارة عن فوتون  يبدو الأمر كما لو أن موجة المحيط تضرب صخرة وتتحطم في إلى قطرات صغيرة كل قطرة من الموجة الضوئية عبارة عن فوتون ، وكل منها يحمل القليل من الطاقة ،إذا ضربت موجة من الضوء المرئي قطعة من فيلم فوتوغرافي ، فسنكون قادرين على رؤية آثار كل الفوتونات التي ضربتها. ينشئ كل فوتون نقطة صغيرة ، جزء صغير من الصورة ، وعادة ما يكون جزءًا صغيرًا من بكسل معًا ، تشكل الفوتونات الصورة.

تنتشر الموجات ، بما في ذلك موجات الضوء ، في الفضاء ، عندما يصطدم بالفيلم ، لم يعد الضوء يعمل كموجة إنها تعمل كجسيم ، وتختلف الجسيمات عن الأمواج من حيث أنها مترجمة ، أي أن لها موقعًا صغيرًا ومحددًا.

خصائص الضوء الشبيهة بالموجه

على الرغم من أن الضوء يُقال عمومًا أنه موجة ، على عكس الموجات التي تحدث على سطح جسم مائي ، إلا أنه لا يتطلب وسيطًا ، ويتكون الضوء من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي يتقاطعان بزاوية قائمة أثناء تحركهما عبر فراغ ، المسافة بين القمم المتتالية للمجال الكهربائي أو المجال المغناطيسي هي الطول الموجي.

عند التعامل مع الضوء ، يواجه المرء ظواهر خاصة بالموجات ، مثل التداخل والانحراف ، التجربة التي اكتشف فيها يونغ تداخل الضوء وخلص إلى أن الضوء شكل موجة معروفة جيدًا ، يمر الضوء أحادي اللون المنبعث من مصدر الضوء عبر شق واحد ، ثم يمر عبر شقين آخرين ، نتيجة لذلك ، يتم ملاحظة هامش التداخل على الشاشة في الخلف كنمط من شرائط متناوبة من السطوع والظلام. يمكن تفسير ذلك بالتفكير أن مصدرين الضوء في الطور مع بعضها البعض ، تنتقل الموجات من مصادر الضوء هذه إلى الشاشة في الخلف ، في النقاط التي تكون فيها الموجات في الطور ، فإنها تعزز بعضها البعض ، بينما في النقاط التي تكون فيها الموجات خارج الطور ، تلغي بعضها البعض ، إذا فكر المرء في سطح هذه الورقة على أنه سطح جسم مائي ، وكانت الشقوق بمثابة أقسام بها ثقوب ، فإن الموجات التي تتحرك من اليسار إلى اليمين سوف تتصرف بنفس الطريقة ، بهذا المعنى ، توضح تجربة يونغ الطبيعة الشبيهة بالموجة للضوء بطريقة بديهية.

ويتكون الضوء من أنواع معينة من الموجات الكهرومغناطيسية ، يشار إلى الموجات الكهرومغناطيسية بأسماء مختلفة وفقًا لطولها الموجي ، يشير مصطلح الضوء عادة إلى الموجات الكهرومغناطيسية في النطاق الممتد للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، ولكن في بعض الحالات يشير فقط إلى الضوء المرئي ، يشار إلى الضوء ذي الأطوال الموجية التي تتراوح بين 400 و 800 نانومتر باسم الضوء المرئي ، وهو الضوء الذي يمكننا نحن البشر رؤيته بالعين المجردة.

على سبيل المثال ، الضوء ذو الطول الموجي 470 نانومتر هو اللون الأزرق ، والضوء الذي يبلغ طوله الموجي 540 نانومتر يكون أخضر ، والضوء الذي يبلغ طوله الموجي 650 نانومتر يكون أحمر. يمكن وصف الضوء المرئي بأنه نوع الضوء الذي نعرفه نحن البشر بسبب قدرتنا على رؤيته بالفعل.

خصائص الضوء الشبيهة بالجسيمات

من بين التطورات التي ساعدت في التعرف على هذا السلوك كانت سلسلة من التجارب على التأثير الكهروضوئي التي أجريت في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، لا يمكن تفسير نتائج هذه التجارب من خلال اعتبار الضوء كموجة ، ولكن يمكن تفسيرها من خلال اعتبارها جسيمًا ، عند التأكيد على جوانب الضوء الشبيهة بالجسيمات ، يتم استخدام مصطلح الفوتون.

والمفهوم الأساسي للتأثير الكهروضوئي ، وهي ظاهرة تنبعث فيها الإلكترونات من سطح معدني عندما يضربه الضوء ، تسمى الإلكترونات المنبعثة بـ الإلكترونات الضوئية ، وعلى الرغم من عدم إصدار إلكترونات عندما يضرب ضوء شديد السطح ، تنبعث الإلكترونات عندما يضرب ضوء ذو طول موجي أقصر السطح ، إذا انخفض الطول الموجي للضوء الذي يضرب السطح ، فإن عدد الإلكترونات المنبعثة لا يتغير ، لكن طاقة الإلكترونات تزداد ، إذا تم تكثيف الضوء الذي يضرب السطح ، يزداد عدد الإلكترونات المنبعثة ، لكن طاقة الإلكترونات تبقى كما هي ، لا يمكن تفسير هذه الظواهر من خلال اعتبار الضوء كموجة ، ولكن يمكن تفسيرها من خلال اعتبارها جسيمًا ، مع الإلكترونات التي يتم إخراجها من هذه الجسيمات عندما تصطدم بالمعدن ، بالاقتران مع نتائج التجارب على تأثير كومبتون والتجارب الأخرى ، تم التعرف على الخصائص الشبيهة بالجسيمات. بالمناسبة ، يكتشف الأنبوب المضاعف الضوئي المستخدم ككاشف في مقاييس الطيف الضوئي UV-VIS الضوء باستخدام التأثير الكهروضوئي.

متى تم اكتشاف أن الضوء له طبيعة موجية وجسيمية

بدأ اكتشاف هذه النظرية في أوائل القرن التاسع عشر ، لعب العالم الإنجليزي توماس يونغ بعض الألعاب بالضوء عن طريق تسليط بعض الحزم من خلال فتحتين ضيقتين على شاشة خلفهما ، ما وجده كان نمط تداخل كلاسيكي مع خطوط متفاوتة الشدة على الشاشة هذا هو بالضبط ما ستفعله موجات الماء عند المرور عبر قناتين ضيقتين ، ستجمع بعض موجات الضوء معًا ، وستلغي بعض الموجات ، تاركة نمطًا مخططًا على الشاشة الخلفية ، هذا دليل قوي على أن الضوء يعمل كموجة ، لأن هذا هو بالضبط ما تفعله الأمواج.

تم تعزيز هذه الفكرة بعد بضعة عقود عندما اكتشف الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل أن الكهرباء والمغناطيسية هما في الواقع وجهان لعملة واحدة كهرومغناطيسية ، وفي أثناء ذلك ، أدرك أن الضوء عبارة عن موجات من الكهرباء والمغناطيسية أعطى ذلك صورة قاطعة لما يفعله التلويح عندما يتعلق الأمر بالضوء: الكهرباء والمغناطيسية الضوء موجة.

بعد ذلك ، في أواخر القرن التاسع عشر ، ألقى الفيزيائي الألماني ماكس بلانك مفتاحًا قردًا في كل شيء عندما درس اشعاع الجسم الأسود  لشرح ملاحظاته ، اقترح أن الضوء لا يمكن أن ينبعث إلا في أجزاء صغيرة منفصلة بعد بضع سنوات ، ألقى ألبرت أينشتاين بثقله في هذه المسألة من خلال دراسة التأثير الكهروضوئي ، واقترح أن الضوء لا ينبعث فقط في أجزاء صغيرة ، ولكن الضوء نفسه يتكون من حزم صغيرة من الطاقة تسمى الفوتونات بعبارة أخرى ، كان الضوء يتصرف كجسيم في هذه التجارب ، وكشفت أنواع مختلفة من التجارب الفيزيائية عن أنواع مختلفة من خصائص الضوء ، في بعض الأحيان ، يتصرف الضوء مثل الموجة ، وأحيانًا يتصرف الضوء مثل الجسيم.