مقدمة
تشكل البصريات جزءًا أساسيًا من مجال الفيزياء الحديثة، حيث تدرس طبيعة الضوء وسلوكه، والظواهر المتعلقة به. تتمتع البصريات بتطبيقات متعددة وهامة، مثل تحديد خصائص العدسات لتصحيح عيوب الرؤية أو لزيادة حجم الصور دون فقدان أي تفصيل. كما تستخدم في إنتاج أشعة الليزر وتطبيقاتها في مجالات مثل طب العيون. تشكل جزءًا أساسيًا من علم الأحياء عند استخدامها في مجال الميكروسكوبية لدراسة أنواع مختلفة من الخلايا والأنسجة.
تطور وجهات نظر حول طبيعة الضوء
لقرون عديدة، سادت وجهتي نظر حول طبيعة الضوء، إحداهما تعود إلى هويغنز الذي رأى في الضوء طابعًا موجيًا، بينما رأى نيوتن، الآخر، أن الضوء مكون من جسيمات. يظل كل وجهة نظر صالحة، حيث تفسر كل منهما ظواهر مختلفة بشكل تكميلي. بفضل هذه الوجهتين، نشأت البصريات الفيزيائية والبصريات الهندسية.
الطبيعة المزدوجة للضوء
في القرن العشرين، أدركنا أن الضوء له طبيعة مزدوجة، حيث يمكن أن يكون موجيًا وجسيميًا في نفس الوقت. يُعرف الجسيم المرتبط بالضوء باسم الفوتون. الضوء يمثل موجة كهرومغناطيسية تتميز بتردد (f) وطول موجة (λ) تنتشر بسرعة (c) وتتصرف كجسيم في ظروف معينة.
الأطوال الموجية وتطبيقاتها
تحمل الأمواج الكهرومغناطيسية أسماءً مختلفة بناءً على ترددها أو طولها الموجي. تشمل منطقة الضوء المرئي أطوال موجية بين 400 نانومتر لللون البنفسجي و700 نانومتر لللون الأحمر. تظهر هذه المنطقة صغيرة جدًا مقارنة بنطاق الأمواج الكهرومغناطيسية الكلي، والتي تمتد من 10^-15 متر إلى 10^9 متر.
انكسار الضوء وتغيير سرعته
كما يشبه الصوت، يخضع الضوء لانكسار عند انتقاله من وسط إلى آخر، حيث يتغير اتجاه انتشاره وسرعته. يمكن تعريف معامل الانكسار (n) كنسبة السرعة في وسط معين إلى السرعة في وسط آخر. يُعبر عنه بالعلاقة: ( n = c_1 / c_2 ) حيث ( c_1 ) و ( c_2 ) هما سرعتا الضوء في الوسطين المقارنين.
مبدأ هويغنز
عندما تُشع الضوء من مصدر، يكون هناك مجموعة من النقاط التي تشترك في نفس الارتفاع والطور. يُطلق عليها اسم "واجهة الموجة". الخط الخيالي العمودي على واجهة الموجة يُسمى "الشعاع" ويحدد اتجاه انتشار الواجهة. يتحول الشعاع في الأمواج الكروية في اتجاه شعاعي، بينما يكون الشعاع في الأمواج السطحية متوازيًا.
الختام
تظهر البصريات أهميتها الكبيرة في فهم طبيعة الضوء وتطبيقاتها العديدة في ميادين مثل الطب والبيولوجيا والتكنولوجيا.