يتميز الضوء بخصائص

يتميز الضوء بخصائص

يتكون الضوء المرئي من موجات كهرومغناطيسية تتصرف مثل الموجات الأخرى. ومن ثم ، يمكن فهم العديد من خصائص الضوء ذات الصلة بالفحص المجهري من حيث سلوك الضوء كموجة. من الخصائص المهمة لموجات الضوء الطول الموجي ، أو المسافة بين ذروة الموجة والذروة التالية. يُطلق على ارتفاع كل قمة (أو عمق كل حوض) السعة . في المقابل ، فإن تردد الموجة هو معدل اهتزاز الموجة ، أو عدد الأطوال الموجية خلال فترة زمنية محددة (الشكل 1).

الشكل 1. (أ) السعة هي ارتفاع الموجة ، في حين أن الطول الموجي هو المسافة بين قمة وأخرى. (ب) هذه الموجات لها ترددات أو معدلات اهتزاز مختلفة. الموجة الموجودة في القمة لها أقل تردد ، نظرًا لأنها تحتوي على أقل عدد من القمم لكل وحدة زمنية. الموجة في الأسفل لها أعلى تردد.

ما هي الخصائص الخمس للضوء ؟

  • يتكون الضوء من حزم من الطاقة تسمى الفوتونات.
  • الضوء هو نطاق التردد الضيق نسبيًا للموجات الكهرومغناطيسية.
  • يسافر الضوء بهذه السرعة العالية ، 3 × 10 8 م / ثانية.
  • يتصرف الضوء كموجة وجسيم.
  • ينتقل الضوء بسرعة في الفراغ.

تفاعلات الضوء

تتفاعل موجات الضوء مع المواد من خلال انعكاسها أو امتصاصها أو نقلها. يحدث الانعكاس عندما ترتد الموجة عن مادة ما. على سبيل المثال ، قد تعكس قطعة قماش حمراء الضوء الأحمر لأعيننا بينما تمتص ألوانًا أخرى من الضوء. يحدث الامتصاص عندما تلتقط المادة طاقة الموجة الضوئية. في حالة اللدائن المتوهجة في الظلام ، يمكن امتصاص الطاقة من الضوء ثم إعادة إصدارها لاحقًا كشكل آخر من أشكال الفسفور. يحدث النقل عندما تنتقل الموجة عبر مادة ما ، مثل الضوء عبر الزجاج (تسمى عملية النقل بالنفاذية ). عندما تسمح مادة ما بنقل نسبة كبيرة من الضوء ، فقد تفعل ذلك لأنها أرق أو أكثر شفافية (تتمتع بمزيد من الشفافية وأقل عتامة ). يوضح الشكل 2 الفرق بين الشفافية والتعتيم.

الشكل 2. (أ) طبق بتري مصنوع من البلاستيك الشفاف أو الزجاج ، مما يسمح بنقل نسبة عالية من الضوء. تسمح لنا هذه الشفافية برؤية جوانب الطبق لعرض المحتويات. (ب) هذه الشريحة من نيزك حديدي معتمة (أي بها عتامة). لا ينتقل الضوء من خلال المادة ، مما يجعل من المستحيل رؤية جزء اليد المغطى بالجسم. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Umberto Salvagnin ؛ الائتمان ب: تعديل العمل بواسطة “Waifer X” / Flickr)

يمكن أن تتفاعل موجات الضوء أيضًا مع بعضها البعض عن طريق التداخل ، مما يخلق أنماطًا معقدة من الحركة. يؤدي إسقاط حصاتين في بركة مياه إلى تفاعل الموجات الموجودة على سطح البركة ، مما يؤدي إلى إنشاء أنماط تداخل معقدة. يمكن أن تتفاعل موجات الضوء بنفس الطريقة.

بالإضافة إلى التداخل مع بعضها البعض ، يمكن أن تتفاعل موجات الضوء أيضًا مع الأجسام الصغيرة أو الفتحات عن طريق الانحناء أو التشتت. وهذا ما يسمى الانعراج . يكون الانعراج أكبر عندما يكون الجسم أصغر بالنسبة إلى الطول الموجي للضوء (المسافة بين قمتين متتاليتين لموجة ضوئية). في كثير من الأحيان ، عندما تنحرف الموجات في اتجاهات مختلفة حول عائق أو فتحة ، فإنها ستتداخل مع بعضها البعض.

فكر في الأمر

  • إذا كان لموجة الضوء طول موجي طويل ، فهل من المحتمل أن يكون لها تردد منخفض أم مرتفع؟
  • إذا كان الجسم شفافًا ، فهل يعكس الضوء أم يمتصه أو ينقله؟

العدسات والانكسار

في سياق الفحص المجهري ، ربما يكون الانكسار هو السلوك الأكثر أهمية الذي تظهره موجات الضوء. يحدث الانكسار عندما تغير موجات الضوء اتجاهها عند دخولها إلى وسط جديد (الشكل 3). المواد الشفافة المختلفة تنقل الضوء بسرعات مختلفة ؛ وبالتالي ، يمكن للضوء أن يغير سرعته عند الانتقال من مادة إلى أخرى. عادة ما يؤدي هذا التغيير في السرعة أيضًا إلى تغيير في الاتجاه (الانكسار) ، حيث تعتمد درجة التغيير على زاوية الضوء الوارد.

الشكل 3. (أ) يحدث الانكسار عندما يمر الضوء من وسط ، مثل الهواء ، إلى آخر ، مثل الزجاج ، ويغير اتجاه أشعة الضوء. (ب) كما هو موضح في هذا الرسم البياني ، قد تنكسر أو تنعكس أشعة الضوء التي تمر من وسط إلى آخر.

الشكل 4. يبدو أن هذا العمود المستقيم ينحني بزاوية عند دخوله الماء. يرجع هذا الوهم البصري إلى الاختلاف الكبير بين مؤشرات الانكسار للهواء والماء.

يُطلق على المدى الذي تؤدي فيه المادة إلى إبطاء سرعة النقل بالنسبة إلى الفضاء الفارغ معامل الانكسار لتلك المادة. ستؤدي الاختلافات الكبيرة بين مؤشرات الانكسار لمادتين إلى قدر كبير من الانكسار عندما يمر الضوء من مادة إلى أخرى. على سبيل المثال ، يتحرك الضوء بشكل أبطأ بكثير في الماء منه في الهواء ، لذا فإن الضوء الداخل للماء من الهواء يمكن أن يغير اتجاهه بشكل كبير. نقول أن الماء يحتوي على معامل انكسار أعلى من الهواء (الشكل 4).

عندما يعبر الضوء حدًا ما إلى مادة ذات معامل انكسار أعلى ، يتحول اتجاهه ليكون أقرب إلى العمودي على الحدود (أي أكثر باتجاه الحد الطبيعي لتلك الحدود ؛ انظر الشكل 4). هذا هو المبدأ الكامن وراء العدسات . يمكننا أن نفكر في العدسة ككائن له حدود منحنية (أو مجموعة من المناشير) التي تجمع كل الضوء الذي يصطدم بها وينكسرها بحيث تلتقي جميعها في نقطة واحدة تسمى نقطة الصورة (التركيز) . A عدسة محدبة يمكن استخدامها لتكبير لأنه لا يمكن التركيز على مجموعة أقرب من العين البشرية، مما ينتج عنه صورة أكبر. يمكن أيضًا استخدام العدسات والمرايا المقعرة في المجاهر لإعادة توجيه مسار الضوء. يوضح الشكل 5 ملفالنقطة البؤرية (نقطة الصورة عندما يكون الضوء يدخل العدسة متوازيًا) والبعد البؤري (المسافة إلى النقطة البؤرية) للعدسات المحدبة والمقعرة .

الشكل 5. (أ) تشبه العدسة مجموعة من المناشير ، مثل التي تظهر هنا. (ب) عندما يمر الضوء من خلال عدسة محدبة ، فإنه ينكسر باتجاه نقطة محورية على الجانب الآخر من العدسة. البعد البؤري هو المسافة إلى النقطة المحورية. (ج) ينكسر الضوء الذي يمر عبر عدسة مقعرة بعيدًا عن نقطة محورية أمام العدسة.

تحتوي العين البشرية على عدسة تمكننا من رؤية الصور. تقوم هذه العدسة بتركيز الضوء المنعكس عن الأجسام الموجودة أمام العين على سطح الشبكية ، وهو ما يشبه الشاشة في الجزء الخلفي من العين. العدسات الاصطناعية الموضوعة أمام العين (العدسات اللاصقة أو النظارات أو العدسات المجهرية) تركز الضوء قبل أن يتم تركيزها (مرة أخرى) بواسطة عدسة العين ، وتتلاعب بالصورة التي تنتهي في الشبكية (على سبيل المثال ، من خلال إظهارها أكبر).

عادةً ما يتم التلاعب بالصور من خلال التحكم في المسافات بين الكائن والعدسة والشاشة ، فضلاً عن انحناء العدسة. على سبيل المثال ، بالنسبة لمقدار معين من الانحناء ، عندما يكون الكائن أقرب إلى العدسة ، تكون النقاط البؤرية بعيدة عن العدسة. نتيجة لذلك ، غالبًا ما يكون من الضروري معالجة هذه المسافات لإنشاء صورة مركزة على الشاشة. وبالمثل ، يؤدي المزيد من الانحناء إلى إنشاء نقاط صورة أقرب إلى العدسة وصورة أكبر عندما تكون الصورة في بؤرة التركيز. غالبًا ما يتم وصف هذه الخاصية من حيث المسافة البؤرية أو المسافة إلى نقطة الاتصال.

فكر في الأمر

  • اشرح كيف تقوم العدسة بتركيز الضوء على نقطة الصورة.
  • اذكر بعض العوامل التي تؤثر على البعد البؤري للعدسة.

الطيف الكهرومغناطيسي واللون

الضوء المرئي هو مجرد شكل واحد من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMR) ، وهو نوع من الطاقة يحيط بنا في كل مكان. تشمل الأشكال الأخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي الموجات الدقيقة والأشعة السينية وموجات الراديو وغيرها. تقع الأنواع المختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي على الطيف الكهرومغناطيسي ، والذي يتم تعريفه من حيث الطول الموجي والتردد. يشغل طيف الضوء المرئي نطاقًا صغيرًا نسبيًا من الترددات بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية (الشكل 6).

الشكل 6. يتراوح الطيف الكهرومغناطيسي من أشعة غاما عالية التردد إلى موجات الراديو منخفضة التردد. الضوء المرئي هو النطاق الصغير نسبيًا للترددات الكهرومغناطيسية التي يمكن أن تستشعرها العين البشرية. على الطيف الكهرومغناطيسي ، يسقط الضوء المرئي بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة يوهانس أهلمان)

في حين أن الطول الموجي يمثل المسافة بين القمم المجاورة لموجة ضوئية ، فإن التردد ، في تعريف مبسط ، يمثل معدل التذبذب. الموجات ذات الترددات الأعلى لها أطوال موجية أقصر ، وبالتالي يكون لها تذبذبات أكثر لكل وحدة زمنية من الموجات ذات التردد المنخفض. تحتوي الموجات عالية التردد أيضًا على طاقة أكثر من الموجات ذات التردد المنخفض. يتم تسليم هذه الطاقة كجسيمات أولية تسمى الفوتونات. توفر الموجات عالية التردد فوتونات أكثر نشاطًا من الموجات ذات التردد المنخفض.

تتفاعل الفوتونات ذات الطاقات المختلفة بشكل مختلف مع شبكية العين. في طيف الضوء المرئي ، يتوافق كل لون مع تردد وطول موجي معين (الشكل 6) ، ويظهر أدنى تردد للضوء المرئي باللون الأحمر ، بينما يظهر أعلى تردد باللون البنفسجي. عندما تتلقى شبكية العين ضوءًا مرئيًا للعديد من الترددات المختلفة ، فإننا ندرك ذلك على أنه ضوء أبيض.

الشكل 7. الأصباغ الفلورية التي تمتصها الخلايا البطانية للشريان الرئوي البقري تصدر ألوانًا رائعة عندما تثيرها الأشعة فوق البنفسجية تحت مجهر مضان. تمتص الهياكل الخلوية المختلفة الأصباغ المختلفة. النوى ملطخة باللون الأزرق مع 4 ′ ، 6-Diamidino-2-phenylindole (DAPI) ؛ يتم تمييز الأنابيب الدقيقة باللون الأخضر بواسطة جسم مضاد مرتبط بـ FITC ؛ وتسمى خيوط الأكتين باللون الأحمر مع وجود phalloidin مرتبط بـ tetramethylrhodamine (TRITC). (الائتمان: المعاهد الوطنية للصحة)

ومع ذلك ، يمكن فصل الضوء الأبيض إلى ألوانه المكونة باستخدام الانكسار. إذا مررنا الضوء الأبيض عبر منشور ، فسوف تنكسر ألوان مختلفة في اتجاهات مختلفة ، مما يخلق طيفًا يشبه قوس قزح على شاشة خلف المنشور. يسمى هذا الفصل بين الألوان بالتشتت ، ويحدث لأن معامل الانكسار بالنسبة لمادة معينة يختلف باختلاف ترددات الضوء.

يمكن لبعض المواد أن تكسر الأشكال غير المرئية من الإشعاع الكهرومغناطيسي وتحولها في الواقع إلى ضوء مرئي. الفلورسنت معينعلى سبيل المثال ، تمتص الأصباغ الضوء فوق البنفسجي أو الأزرق ثم تستخدم الطاقة لإصدار فوتونات ذات لون مختلف ، مما يعطي الضوء بدلاً من الاهتزاز ببساطة. يحدث هذا لأن امتصاص الطاقة يجعل الإلكترونات تقفز إلى حالات طاقة أعلى ، وبعد ذلك تتراجع فورًا تقريبًا إلى حالتها الأرضية ، وتصدر كميات معينة من الطاقة كفوتونات. لا تنبعث كل الطاقة في فوتون معين ، وبالتالي فإن الفوتونات المنبعثة ستكون ذات طاقة أقل ، وبالتالي تكون ذات تردد أقل من الفوتونات الممتصة. وبالتالي ، قد تتأثر صبغة مثل أحمر تكساس بالضوء الأزرق ، ولكنها تنبعث منها ضوء أحمر ؛ أو قد تمتص صبغة مثل إيزوثيوسيانات الفلورسين (FITC) (غير المرئي) الضوء فوق البنفسجي عالي الطاقة وينبعث منها ضوء أخضر (الشكل 7). في بعض المواد ، قد تنبعث الفوتونات بعد تأخير الامتصاص ؛ في هذه الحالة،الفسفرة . يعمل البلاستيك المتوهج في الظلام باستخدام مادة فسفورية.

فكر في الأمر

  • أيهما له تردد أعلى: ضوء أحمر أم ضوء أخضر؟
  • اشرح سبب حدوث التشتت عندما يمر الضوء الأبيض عبر منشور.
  • لماذا تنبعث الصبغات الفلورية من الضوء بلون مختلف عن لونها الذي تمتصه؟

التكبير والدقة والتباين

تقوم المجاهر بتكبير الصور واستخدام خصائص الضوء لإنشاء صور مفيدة للأجسام الصغيرة. يُعرّف التكبير بأنه قدرة العدسة على تكبير صورة كائن عند مقارنتها بالجسم الحقيقي. على سبيل المثال ، يعني التكبير بمقدار 10 درجات أن الصورة تظهر بحجم 10 أضعاف حجم الكائن كما تُرى بالعين المجردة.

عادةً ما يحسن التكبير الأكبر من قدرتنا على رؤية تفاصيل الأشياء الصغيرة ، لكن التكبير وحده لا يكفي لعمل الصور الأكثر فائدة. غالبًا ما يكون من المفيد تحسين دقة الكائنات: القدرة على معرفة أن نقطتين أو كائنين منفصلين منفصلان. تظهر الصورة منخفضة الدقة مشوشة ، بينما تظهر الصورة عالية الدقة حادة. هناك عاملان يؤثران على الدقة. الأول هو الطول الموجي. الأطوال الموجية الأقصر قادرة على حل الأشياء الأصغر ؛ وبالتالي ، يتمتع المجهر الإلكتروني بدقة أعلى بكثير من المجهر الضوئي ، لأنه يستخدم شعاعًا إلكترونيًا بطول موجي قصير جدًا ، على عكس الضوء المرئي طويل الموجة الذي يستخدمه المجهر الضوئي. العامل الثاني الذي يؤثر على الدقة هو الفتحة العددية، وهو مقياس لقدرة العدسة على جمع الضوء. كلما زادت الفتحة العددية ، كانت الدقة أفضل.

حتى عندما يكون المجهر عالي الدقة ، قد يكون من الصعب التمييز بين الهياكل الصغيرة في العديد من العينات لأن الكائنات الحية الدقيقة شفافة نسبيًا. غالبًا ما يكون من الضروري زيادة التباين لاكتشاف الهياكل المختلفة في العينة. تستخدم أنواع مختلفة من المجاهر ميزات مختلفة للضوء أو الإلكترونات لزيادة التباين – الاختلافات المرئية بين أجزاء العينة (انظر أدوات الفحص المجهري ). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الأصباغ التي ترتبط ببعض الهياكل دون غيرها لتحسين التباين بين صور الكائنات الشفافة نسبيًا.

فكر في الأمر

  • اشرح الفرق بين التكبير والقرار.
  • اشرح الفرق بين الدقة والتباين.
  • اذكر عاملين يؤثران على الدقة.

المفاهيم الأساسية والملخص

  • موجات الضوء التفاعل مع المواد قد ينعكس ، استيعاب ، أو نقلها ، اعتمادا على خصائص المواد.
  • يمكن أن تتفاعل موجات الضوء مع بعضها البعض ( تداخل ) أو أن تتشوه بالتفاعلات مع الأجسام الصغيرة أو الفتحات ( الانعراج ).
  • يحدث الانكسار عندما تغير موجات الضوء سرعتها واتجاهها أثناء مرورها من وسط إلى آخر. تحدد الاختلافات في مؤشرات الانكسار لمادتين حجم التغيرات الاتجاهية عندما يمر الضوء من واحدة إلى الأخرى.
  • عدسة هو المتوسطة مع سطح منحن أن ينكسر ويركز الضوء لإنتاج صورة.
  • الضوء المرئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي . تتميز الموجات الضوئية ذات الترددات والأطوال الموجية المختلفة بأنها ألوان بالعين البشرية.
  • يمكن للمنشور أن يفصل بين ألوان الضوء الأبيض ( التشتت ) لأن الترددات المختلفة للضوء لها مؤشرات انكسار مختلفة لمادة معينة.
  • الأصباغ الفلورية و الفسفورية المواد يمكن تحويل الإشعاع الكهرومغناطيسي على نحو فعال nonvisible في الضوء المرئي.
  • قوة المجهر يمكن وصفها من حيث لها التكبير و قرار .
  • يمكن زيادة الدقة عن طريق تقصير الطول الموجي ، أو زيادة الفتحة العددية للعدسة ، أو استخدام البقع التي تعزز التباين.

متعدد الخيارات

أي مما يلي يحتوي على أعلى طاقة؟

  1. ضوء بطول موجي طويل
  2. ضوء بطول موجي متوسط
  3. ضوء بطول موجي قصير
  4. من المستحيل معرفة المعلومات المقدمة.

اظهر الاجابة

تضع عينة تحت المجهر وتلاحظ أن أجزاء من العينة تبدأ في إصدار الضوء على الفور. يمكن وصف هذه المواد بـ _____________.

  1. فلوري
  2. فسفوريسنت
  3. شفاف
  4. مبهمة