حيود الضوء في الفيزياء
 |
| ظاهرة حيود الضوء |
حيود الضوء في الفيزياء
تاريخ اكتشاف الحيود (مكتشف الحيود ):
لقد حدث أول رصد بعناية وتشخيص لظاهرة حيود الضوء من قبل فرانسيسكو ماريا جريمالدي، وهو نفسه من صاغ كلمة(Diffraction) بالأنجليزية من اللاتينية (diffringere) وتعني 'التكسير إلى قطع' إشارة إلى انكسار الضوء في مناطق شتى. حيث تم نشرأبحاث جريمالدي بعد وفاته سنة 1665.
لقد شارك العالم إسحق نيوتن في دراسة ظاهرة الحيود للضوء عزاها إلى إنعطاف شعاع الضوء.
جيمس جريجوري لاحظ نموذج من انحراف الضوء على ريشة ، وكانت الريشة بمثابة أول حاجز مشبك لانعطاف الضوء.
في سنة 1803م قام توماس يونغ بتجربتة الشهيرة ، حيث لاحظ تداخل موجتين قريبتي التباعد ، وقام بتسجيلهم في مقطع طولي ، واستنتج أن الضوء ينتشر كموجات.
أجستين جين فريسنل قام بعمل دراسات أكثر دقة وجدية خاصة بحسابات انحراف الضوء. نشرت سنة 1815م وسنة 1818م أعطت دعما كبيرا لنظرية موجات الضوءوالتي طورت بواسطة العالم كريستسان هويجنزو عارضت نظرية نيوتن.
ظاهرة الحيود :
من المعلوم بأن أطوال موجات الاشعاع الضوئي صغيرة جداً لذلك لا يمكن مشاهدة الحيود في الضوء الا على مسافه كبيرة من الحاجز ، لذلك لا تبدو ظاهره الحيود في الأمواج الضوئيه للعين بسبب صغر طول موجات الضوء المستخدم .
إن انحراف أو حيوده يشير في عادة إلى ظواهر طبيعية عديدة تحدث عند اصطدام موجة (ضوئية أو صوتية) بعائق وتوصف الظاهرة بأنها انحناء شديد الوضوح للموجات حول عوائق صغيرة وانتشار الموجات من خلال فتحات صغيرة.
كيف يحدث حيود الضوء :
يحدث حيود الضوء عند تداخل الموجات الضوئية المنتشرة بعد مرورها من خلال فتحتين أو أكثر، ونستطيع ملاحظة تأثيراته على وجه الخصوص عندما تكون طول موجة الأشعة مقاربة أومساوية للمسافات بين أنظمة الجسيمات المنحرفة عليها. وتتولد النماذج النظامية لظاهرة الحيود نتيجة تداخل الموجات الضوئية فتكثر كثافتها عند نقطة وتقل كثافتها عند أخرى.
يحدث تداخل للموجات الضوئية ذات الأطوال الموجية الموحدة بنوعين من التداخلات هما :
تداخل بناء: وهو التداخل الذي تتطابق فيه الموجتان بحيث تنطبقان مع بعضهما فيتقابل قمة موجة مع قمة الموجة الأخرى فتزيد شدتهما
تداخل هدام : وهو التداخل الذي تتقابل فيه قمة موجة مع قاع للموجة الأخرى فتمحي كل موجة الأخرى وتختفيان. أي تلاشي كلاً منهما الأخرى.
والنتيجة العامة أن نرى صورة النموذج كشكل هندسي، يظهر فيه نقاط شديدة الضوء، ونقاط أخرى لا يأتي الضوء عليها.
إنها خاصية موجية. وتشاهد كثيرا مع أنظمة ألبلّورات ويمكن بدراستها تعيين الشكل البلوري للمادن، فمنها ذو بلورة مكعبة ومنها ذو بلورة مسدسة ، أو مستطيلة وغيرها.
كيف يحدث الحيود. يحدث الحيود في كل الموجات وفي كل الأوقات. ولفهم السبب الذي يجعل الحيود مرئيًا حينما يكون حجم العائق قريبًا من طول الموجة الحائدة، على الشخص أن يفهم كلاً من الحيود والتداخل.
أوضح كريستيان هايجنز، العالم الهولندي، القاعدة التي تفسر سبب حدوث الحيود. وطبقًا لهذه القاعدة فإن كل نقطة على سطح الموجة هي منبع لموجات صغيرة تتحرك نحو الخارج في جميع الاتجاهات. ولإيجاد مجموع الموجات الواصلة إلى منطقة ما، يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار كافة الموجات الصغيرة التي تصدم المنطقة. فإذا وصلت قمتا موجتين صغيرتين إلى نقطة ما في الوقت نفسه، فإنهما تقوِّيان بعضهما بعضًا، ويطلق على هذه الحالة التداخل البناء، وتكون الموجة الناتجة كبيرة. وإذا وصلت قمة موجة ما إلى نقطة ما في نفس الوقت الذي تصل فيه قاع موجة أخرى، فإن الموجتين تبطلان بعضهما بعضًا. ويطلق على هذه الحالة التداخل الهدام، وتكون الموجة الناتجة صغيرة أو معدومة. التداخل.
يسير شعاع الضوء في اتجاه مستقيم لأن تأثيرات الحيود خارج الشعاع تكون معدومة نتيجة التداخل الهدام. وتنتشر الموجات الصغيرة عند حافة الشعاع، ولكن أغلب الضوء يسير في اتجاه مستقيم مع الشعاع. وعندما يمر الضوء ضمن فتحة دقيقة، فإن التداخل يحدث فقط بين الموجات الصغيرة الخارجة من الفتحة. وتنتج هذه الموجات الصغيرة نمط حيود، لأن معظم التداخل الهدام قد تم استبعاده.
يمكن أيضًا ملاحظة حيود الضوء الصادر من منبع ضوئي دقيق جدًا، إذا تمت إزالة بعض الضوء وبالتالي تداخله. فالقرص الموضوع على مسار منبع ضوئي يوقف الموجات الصغيرة التي تنشأ خلف القرص. وعند النقاط التي تقع وراء القرص، فإن الموجات الصغيرة المهملة تكون مفقودة، ليس فقط ضمن ظل القرص، ولكن أيضًا خارج الظل، حيث يتحتم تداخلها بشكل بناء. ويتألف نموذج الظل المتشكل على شاشة خلف القرص من سلسلة من الحلقات المتناوبة من الضوء والظلمة ضمن منطقة الظل وحولها. وتتشكل نقطة مضيئة في مركز الظل لأن كل الموجات في تلك المنطقة تتداخل تداخلاً بناءً، وتقوم بذلك لأنها تكون قد اجتازت جميعاً المسافة نفسها من حافة القرص.لأحماض النووية.
أوضح كريستيان هايجنز، العالم الهولندي، القاعدة التي تفسر سبب حدوث الحيود. وطبقًا لهذه القاعدة فإن كل نقطة على سطح الموجة هي منبع لموجات صغيرة تتحرك نحو الخارج في جميع الاتجاهات. ولإيجاد مجموع الموجات الواصلة إلى منطقة ما، يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار كافة الموجات الصغيرة التي تصدم المنطقة. فإذا وصلت قمتا موجتين صغيرتين إلى نقطة ما في الوقت نفسه، فإنهما تقوِّيان بعضهما بعضًا، ويطلق على هذه الحالة التداخل البناء، وتكون الموجة الناتجة كبيرة. وإذا وصلت قمة موجة ما إلى نقطة ما في نفس الوقت الذي تصل فيه قاع موجة أخرى، فإن الموجتين تبطلان بعضهما بعضًا. ويطلق على هذه الحالة التداخل الهدام، وتكون الموجة الناتجة صغيرة أو معدومة. التداخل.
يسير شعاع الضوء في اتجاه مستقيم لأن تأثيرات الحيود خارج الشعاع تكون معدومة نتيجة التداخل الهدام. وتنتشر الموجات الصغيرة عند حافة الشعاع، ولكن أغلب الضوء يسير في اتجاه مستقيم مع الشعاع. وعندما يمر الضوء ضمن فتحة دقيقة، فإن التداخل يحدث فقط بين الموجات الصغيرة الخارجة من الفتحة. وتنتج هذه الموجات الصغيرة نمط حيود، لأن معظم التداخل الهدام قد تم استبعاده.
يمكن أيضًا ملاحظة حيود الضوء الصادر من منبع ضوئي دقيق جدًا، إذا تمت إزالة بعض الضوء وبالتالي تداخله. فالقرص الموضوع على مسار منبع ضوئي يوقف الموجات الصغيرة التي تنشأ خلف القرص. وعند النقاط التي تقع وراء القرص، فإن الموجات الصغيرة المهملة تكون مفقودة، ليس فقط ضمن ظل القرص، ولكن أيضًا خارج الظل، حيث يتحتم تداخلها بشكل بناء. ويتألف نموذج الظل المتشكل على شاشة خلف القرص من سلسلة من الحلقات المتناوبة من الضوء والظلمة ضمن منطقة الظل وحولها. وتتشكل نقطة مضيئة في مركز الظل لأن كل الموجات في تلك المنطقة تتداخل تداخلاً بناءً، وتقوم بذلك لأنها تكون قد اجتازت جميعاً المسافة نفسها من حافة القرص.لأحماض النووية.
استعمالات الحيود :
تم استخدام الحيود لمعرفة ما إذا كانت الأشياء المختلفة موجات أم لا.
فحيود الأشعة السينية ، بواسطة البلورات مثلاً أقنع العلماء أن الأشعة السينية موجات. ويعتمد نمط حيود الأشعة السينية على شكل وتوزيع الذرات في المادة الحائدة.
إن هذه الحقيقة استعملت في دراسة تركيب البلورات بواسطة حيود الأشعة السينية ، ولكشف تركيب البروتينات .
ما الفرق بين حيود الضوء وتداخل الضوء:
تداخل الضوء:
إن ظاهرة التداخل في الضوء من الظواهر التي لا يمكن لنا أن نفسرها بالنظرية الجسيمية لنيوتن مثلها مثل ظاهرتي الحيود والاستقطاب ولكن عند دراسة التداخل لقد وجد فرينل الطبيعة الموجية للضوء وبرهن أن الشعاع الضوئي ما هو إلا عبارة عن موجات مستعرضية .
حيود الضوء:
هنالك ظواهر طبيعية عدة تحدث عند اصطدام موجة (ضوئية أو صوتية) بعائق وتوصف هذه الظواهربانها عبارة عن حدوث انحناء شديد الوضوح للموجات حول عوائق صغيرة وانتشارها من خلال فتحات صغيرة .
أمثلة على الحيود في حياتنا اليومية :
نتطيع مشاهدة ظاهرة حيود الضوء في حياتنا اليومية ، ومن الأمثلة على حيود (انحراف) الضوء :
الأقراص المدمجة (CD & DVD) حيث يوجد بها حزازات (مسارات) دائرية متقاربة وعندما يسقط الضوء عليها ينعكس الضوء إلينا في شكل قوس قزح .
وسبب حدوث ذلك هو حيود الموجات الضوئية عليه ، حيث أن المسافات بين الحزازات مقاربة لطول الموجات الضوئية .
يمكن استغلال هذه الظاهرة في إنتاج حاجز مشبك ذو تصميم مشابه لحزازات القرص يمكن به إنتاج أية انحراف (حيود) موجي مرغوب .
الذواكر ثلاثية الأبعاد على كروت الائتمان هي أمثلة على ذلك .
الحيود الضوئي يحدث أيضا في الغلاف الجوي حيث تنحرف الأشعة عند اصتدامها بذرات الهواء حول مصدر الضوء يمكنها أن تحدث حلقات لامعة متتالية ضوئية حول مصدر ضوء ساطع كالشمس أو القمر .وتبدو لنا تلك الحلقات حول القمر خصوصا في وجود السحب الخفيفة أو الضباب. يمكن للحيود أن يحدث لأية نوع من الموجات ، موجات البحار يحدث لها حيود (انحراف) حول حواجز الماء والعوائق الأخرى، الموجات الصوتية يمكنها الحيود حول الأشياء ، وهذا سبب استطاعتنا سماع شخص ما بينما نحن خلف حائط على ناصية . الحيود يمكن استخدامه أيضاً في بعض التطبيقات التقنية فهو يضع حدودا أساسية لدرجة نقاء صور الكاميرا والتليسكوب أو الميكروسكوب.
- الأقراص المدمجة (CD & DVD) يوجد بها مسارات دائرية متقاربة تتصرف كحاجز مشبك للانجراف الضوئي لتشكل لنا القوس القزحي المألوف على الأقراص المدمجة ، يمكن لهذا المبدأ أن يمتد إلى هندسة حاجز مشبك بتصميم مشابه يمكنه أنتاج أية انحراف (حيود) موجي مرغوب ، الذواكر ثلاثية الأبعاد على كروت الأتمان هو مثال حي على ذلك, الانحراف الضوئي في الغلاف الجوي عن طريق ذرات صغيرة يمكنها أن تحدث حلقة لامعة لتكون مرئية حول مصدر ضوء ساطع كالشمس أو القمر . يمكن للحيود أن يحدث لأية نوع من الموجات ، موجات البحار يحدث لها انحراف حول حواجز الماء والعوائق الأخرى ، الموجات الصوتية يمكنها الحيود حول الأشياء ، وهذا سبب استطاعتنا سماع شخص ما بينما نحن خلف شجرة ، الحيود يمكن استخدامه أيضاً في بعض التطبيقات التقنية فهو يضع حدود أساسية درجة نقاء الكاميرا والتليسكوب أو الميكروسكوب .
يستخدم حيود الإلكترونات و حيود الأشعة السينية لتعيين البناء البلوري للمواد
كما يستعمل حيود النيوترونات لتعيين مواقع ذرات الهيدروجين في بلورات المركبات .
أي أنها مكملة لحيود اشعة إكس حيث تنعكس أشعة إكس على الذرات الثقيلة وتعين مواقعها في البلورة ، ثم نجري حيود النيوترونات على عينة المركب فتنعكس موجات النيوترونات على ذرات الهيدروجين الخفيفة وتعين أماكنها في البناء البلوري.
ظاهرة الحيود هي ظاهرة مميزة للموجات سواء كانت موجات مائية أو صوتية أو كهرومغناطيسية أي ضوئية.
وقدرة الإلكترونات و النيوترونات على الحيود على منظومات الذرات تنبع من الخاصية الموجية للإلكترونات والنيوترونات.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
يمكنكم من أدناه