أين يذهب الضوء بعد إطفاء المصباح. السر الفيزيائي وراء اختفائه في لحظة
لحظة انطلاق الفوتونات وامتصاص الجدران والأثاث للطاقة الضوئية وتحولها إلى طاقة حرارية.
لحظة انطلاق الفوتونات وامتصاص الجدران والأثاث للطاقة الضوئية وتحولها إلى طاقة حرارية.
عندما تطفئ مصباح غرفتك يتحول المكان إلى الظلام خلال لحظة قصيرة للغاية. لكن أين ذهب الضوء الذي كان يملأ الغرفة قبل ثوانٍ. هل خرج من النافذة. أم امتصته الجدران والأثاث. وهل يمكن أن تظل بعض جزيئات الضوء عالقة في الهواء بعد انقطاع الكهرباء.
أن الضوء لا يختفي في مكان غامض. فعندما تطفئ المصباح يتوقف مصدره عن إصدار الضوء أو ينخفض انبعاثه بسرعة. وتواصل الفوتونات التي صدرت بالفعل رحلتها حتى تمتصها المواد أو تتفاعل معها أو تغادر المكان عبر النوافذ والفتحات. وتتحول الطاقة التي تمتصها المواد غالبا إلى طاقة داخلية تظهر في صورة حرارة.
تحدث هذه العملية بسرعة هائلة لأن الضوء ينتقل في الهواء بسرعة تقارب 300 مليون متر في الثانية. لذلك لا يحتاج إلى زمن طويل كي يصل إلى الجدران والأسقف والأرضيات. ومع امتصاص الفوتونات وتراجع الضوء المنعكس لا يجد الضوء الواصل إلى العين ما يكفي لإبقاء الغرفة مضيئة.
لفهم هذه الظاهرة بصورة صحيحة ينبغي التمييز بين اختفاء الضوء المرئي من الغرفة وبين اختفاء الطاقة التي كان يحملها. فالأول يحدث بسرعة كبيرة. أما الطاقة فلا تتبخر من الوجود لمجرد إطفاء المصباح. بل تنتقل إلى المواد المحيطة أو تتغير صورتها الفيزيائية.
الفكرة الأساسية التي يجب تذكرها. إطفاء المصباح يوقف وصول فوتونات جديدة من ذلك المصدر. أما الفوتونات الموجودة بالفعل فتستمر في الحركة إلى أن تتفاعل مع شيء ما أو تخرج من المكان. ويحدث معظم هذا الانتقال في الغرف العادية بسرعة تجعل العين تدرك الظلام شبه الفوري.
قد يعجبك ايضاً✅فضيحة مونوبولي وماكدونالدز | سرقة أكثر من 24 مليون دولار
ماذا يحدث في اللحظة التي تطفئ فيها المصباح
يبدو الأمر بسيطا. تضغط المفتاح فيتوقف الضوء. لكن المشهد الذي تراه نتيجة سلسلة من العمليات الفيزيائية التي تحدث بسرعات مختلفة. بعضها يحدث في الدائرة الكهربائية نفسها. وبعضها يتعلق بالفوتونات التي انطلقت قبل انقطاع التيار. وبعضها يرتبط بطريقة استجابة العين للتغير المفاجئ في الإضاءة.
أولا. يتوقف مصدر الضوء عن إصدار فوتونات جديدة
في المصباح الكهربائي التقليدي يعتمد إصدار الضوء على مرور التيار في فتيلة شديدة السخونة. وعند قطع التيار يتوقف التسخين الكهربائي الجديد وتبدأ الفتيلة في فقد حرارتها. أما مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء المعروفة باسم مصابيح LED فتعتمد على انبعاث الضوء نتيجة مرور التيار في مادة شبه موصلة. وعندما ينقطع التيار يتوقف الانبعاث الكهربائي عادة بسرعة كبيرة.
تختلف التفاصيل بحسب نوع المصباح وتصميم الدائرة الإلكترونية. فقد يستمر مصباح تقليدي في التوهج الضعيف مدة قصيرة جدا بسبب الحرارة المتبقية. وقد يصدر مصباح آخر وهجا لاحقا بسبب خصائص المادة أو الدائرة الإلكترونية. لكن هذه الحالات لا تعني أن الغرفة تحتفظ بكل الضوء القديم بعد إطفاء المصدر.
ثانيا. تستمر الفوتونات الموجودة بالفعل في الحركة
الضوء الذي خرج من المصباح قبل إطفائه لا يتوقف في مكانه بمجرد تحريك المفتاح. فالفوتونات التي كانت في طريقها إلى الجدار أو الطاولة أو العين تستمر في انتقالها. وعندما تصطدم بسطح ما قد تنعكس في اتجاه آخر أو تمتصها المادة أو تنفذ من خلالها إذا كانت شفافة أو شبه شفافة.
الفوتون هو الكم الأساسي للضوء. ويحمل طاقة مرتبطة بتردده. وعندما تمتص مادة فوتونا تمتص الطاقة التي يحملها من خلال تفاعل مع ذراتها أو جزيئاتها أو إلكتروناتها. وعند حدوث ذلك لا يبقى الفوتون الأصلي فوتونا ضوئيا حرا يواصل رحلته كما كان.
ثالثا. تختفي الإضاءة المباشرة والمنعكسة
لا يصل الضوء إلى العين من المصباح وحده. فعندما يكون المصباح مضاء تظهر الأشياء لأن بعضها يعكس الضوء الساقط عليه أو يبعثره في اتجاهات متعددة. وتساعد الانعكاسات المتكررة داخل الغرفة على توزيع الضوء في أرجائها.
بعد إطفاء المصباح لا يعود هناك مصدر يغذي هذه الانعكاسات بطاقة ضوئية جديدة. وتمتص الأسطح في كل تفاعل جزءا من الطاقة. وقد تسمح أجزاء من الضوء بالوصول إلى النافذة والخروج إلى الخارج. وخلال فترة قصيرة جدا تنخفض شدة الضوء المرئي إلى مستوى لا تستطيع العين عنده رؤية تفاصيل الغرفة.
فكر في هذا السؤال. إذا أطفأت المصباح وأغلقت الباب والنافذة بإحكام فهل يعني ذلك أن الضوء سيظل حبيسا داخل الغرفة. الإجابة لا. لأن الجدران والسقف والأرضية والأثاث ليست مرايا مثالية. وهي تمتص جزءا من الضوء الساقط عليها في كل مرة يتفاعل معها.
أين تذهب فوتونات الضوء داخل الغرفة
لفهم مصير الضوء بعد إطفاء المصباح يجب أولا معرفة ما يحدث عندما يلتقي الضوء بالمادة. ليست جميع الأسطح متشابهة. فسطح المرآة يعيد قدرا كبيرا من الضوء إلى اتجاه آخر. والزجاج قد يسمح بمرور معظم الضوء الساقط عليه. أما الجدار المطلي أو قطعة القماش فقد تمتص جزءا من الضوء وتعكس جزءا آخر.
لذلك لا توجد إجابة واحدة لكل فوتون داخل الغرفة. فالمصير يعتمد على السطح الذي يلتقي به وعلى خصائص مادته وطول موجة الضوء وزاوية سقوطه.
الامتصاص وهو المسار الأهم في اختفاء الإضاءة
عندما تمتص المادة الضوء تنتقل طاقة الفوتون إلى نظامها الداخلي. ويمكن أن تؤدي هذه الطاقة إلى إثارة إلكترونات أو إلى زيادة حركة الذرات والجزيئات أو إلى عمليات أخرى تعتمد على طبيعة المادة. وفي كثير من المواد تتحول الطاقة الممتصة في النهاية إلى حركة عشوائية مجهرية مرتبطة بدرجة الحرارة.
هذا هو السبب في أن سطح الطريق الأسود تحت الشمس يسخن أكثر من سطح فاتح يعكس قدرا أكبر من الإشعاع الساقط عليه في الظروف المتشابهة. فالسطح الممتص للطاقة يحتفظ بجزء منها في مادته ثم يتبادل الطاقة مع البيئة المحيطة.
عندما يصل فوتون الضوء المرئي إلى جدار مطلي بلون داكن قد تمتص المادة جزءا كبيرا من طاقته. وعند امتصاص الفوتون لا يظل معلقا داخل الجدار بوصفه ضوءا مرئيا. بل تنتقل طاقته إلى المادة وقد ينتهي جزء كبير منها على هيئة حرارة.
يمكن الاطلاع على شرح ناسا لتفاعل الضوء مع المادة من خلال هذا المرجع العلمي حول الامتصاص والانعكاس والنفاذ والانبعاث.
الانعكاس وهو تغيير اتجاه الضوء
قد يصل الفوتون إلى سطح يعكس الضوء بدلا من امتصاصه بالكامل. وفي هذه الحالة يستمر الضوء في الانتشار بعيدا عن السطح. وتختلف طريقة الانعكاس باختلاف طبيعة السطح وخشونته وتركيبه.
فالمرآة المصقولة تعيد الضوء في اتجاه منظم يساعد على تكوين صورة واضحة. أما الحائط العادي فيبعثر الضوء في اتجاهات مختلفة بسبب خصائص سطحه. وهذا التبعثر هو ما يسمح لنا برؤية معظم الأشياء من زوايا مختلفة أثناء إضاءتها.
لكن الانعكاس لا يجعل الضوء يدوم إلى الأبد في الغرفة. فالأسطح العادية تمتص جزءا من الطاقة في كل تفاعل. ولذلك تنخفض شدة الضوء مع تتابع الانعكاسات. وتصبح الانعكاسات أقل قدرة على إضاءة المكان حتى يختفي الضوء المرئي تقريبا.
النفاذ وهو عبور الضوء خلال مادة
عندما يسقط الضوء على الزجاج الشفاف يمكن أن ينفذ عبره بدلا من أن يمتص بالكامل. ويحدث ذلك لأن المادة تسمح بانتقال الضوء عبرها ضمن نطاقات معينة من الأطوال الموجية. وقد يتغير اتجاه الضوء وسرعته داخل المادة بسبب الانكسار.
إذا كانت نافذة الغرفة تسمح بمرور الضوء إلى الخارج فقد تغادر بعض الفوتونات المكان بعد إطفاء المصباح. لكن هذه ليست الطريقة الوحيدة التي يختفي بها الضوء. فحتى في غرفة بلا نوافذ يمكن للجدران والأثاث والأسقف امتصاص الطاقة الضوئية.
هل يمكن للفوتون أن يتحول مرة أخرى إلى فوتون آخر
نعم. توجد مواد تستطيع امتصاص الضوء ثم إصدار ضوء جديد نتيجة تفاعلات داخلية. وقد تختلف خصائص الضوء المنبعث عن الضوء الذي امتصته المادة. ففي ظاهرة التألق قد تمتص المادة فوتونا ثم تصدر فوتونا آخر بعد فترة قصيرة جدا.
وقد تتضمن العملية فقد جزء من الطاقة الممتصة في صورة حرارة قبل انبعاث الضوء الجديد. ولهذا يمكن لبعض المواد أن تضيء بلون مختلف عن لون الضوء الذي تعرضت له.
لكن من المهم عدم الخلط بين هذه الظاهرة وبين بقاء الفوتون القديم كما هو. فعند امتصاصه لا يستمر بالضرورة في الوجود كفوتون حر داخل المادة. وقد تنتج المادة فوتونا جديدا إذا سمحت خصائصها الفيزيائية بذلك.
معلومة مهمة. الامتصاص والانعكاس والنفاذ والانبعاث ليست أسماء مختلفة لعملية واحدة. وهي مسارات مختلفة لتفاعل الضوء مع المادة. وقد تحدث أكثر من عملية في السطح نفسه بحسب نوع الضوء وخصائص المادة.
لماذا تصبح الغرفة مظلمة رغم أن الضوء لا يحتاج إلى الهواء كي ينتقل
قد يخطر ببالك أن الضوء يحتاج إلى مكان يذهب إليه بعد إطفاء المصباح. وربما تتخيل أنه يطفو في الهواء لبعض الوقت مثل الدخان. لكن هذا التصور لا يصف سلوك الضوء بدقة.
الضوء موجة كهرومغناطيسية ويمكن وصفه أيضا من منظور الكم على هيئة فوتونات. وهو لا يحتاج إلى الهواء كي ينتقل. لذلك يمكنه عبور الفراغ الموجود بين النجوم والوصول من الشمس إلى الأرض. أما الدخان والغازات فهي مواد تتكون من جسيمات وتتحرك من مكان إلى آخر ضمن ظروف مختلفة.
بعد إطفاء المصباح لا يبقى الضوء منتشرا في الهواء لمجرد أن الهواء موجود. فالفوتونات التي لا تزال في مسارها تواصل الانتقال إلى أن يحدث تفاعل مناسب معها أو تعبر حدود المكان. كما أن الهواء في الظروف العادية ليس المصدر الأساسي لاختفاء معظم الضوء داخل الغرفة. فالتفاعلات مع الأسطح والأشياء المحيطة تؤدي دورا مهما في ذلك.
هل يخرج الضوء من الأبواب والنوافذ فقط
لا. قد يخرج جزء من الضوء عبر النوافذ أو الأبواب أو الفتحات. لكن كثيراً من الضوء يصل إلى أسطح الغرفة ويمتص هناك. وحتى إذا أغلقت جميع النوافذ فإن الطاقة الضوئية لن تبقى محبوسة في صورة الضوء المرئي إلى الأبد.
تخيل غرفة جدرانها مطلية بلون غير لامع. يعكس الجدار جزءا من الضوء ويمتص جزءا آخر. ويصل الضوء المنعكس إلى السقف أو الأرضية أو الأثاث. وعند كل تفاعل جديد توجد فرصة لامتصاص مزيد من الطاقة. وتستمر العملية حتى يتبقى قدر ضئيل جدا من الضوء أو يتم امتصاصه بالكامل ضمن المسار الذي يتخذه.
أما لو تخيلنا غرفة مثالية محاطة بمرايا لا تمتص أي طاقة على الإطلاق فقد تستمر الفوتونات في الانعكاس داخلها في نموذج فيزيائي مثالي. إلا أن هذه الحالة لا تمثل غرفة حقيقية. فالمواد الواقعية لا تحقق انعكاسا مثاليا لكل الأطوال الموجية ولكل الزوايا.
كم يستغرق الضوء حتى يختفي بعد إطفاء المصباح
هنا تكمن المفاجأة. إن الزمن اللازم لعبور الضوء غرفة عادية قصير إلى حد يصعب تخيله. تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299792458 مترا في الثانية. وتكون سرعته في الهواء قريبة جدا من هذه القيمة في الظروف اليومية.
لو افترضنا أن المسافة بين المصباح والجدار المقابل تبلغ ثلاثة أمتار فإن الضوء يقطع هذه المسافة في نحو عشرة نانوثوان. والنانوثانية الواحدة تساوي جزءا من مليار جزء من الثانية.
هذه المدة تتعلق برحلة واحدة تقطع فيها الفوتونات ثلاثة أمتار تقريبا. أما الضوء الذي ينعكس على أكثر من سطح فيحتاج إلى مسار أطول. ومع ذلك تبقى المسافات داخل المنزل صغيرة مقارنة بسرعة الضوء الهائلة.
مثال حسابي مبسط
يمكن تقدير زمن انتقال الضوء بالعلاقة الفيزيائية المعروفة التي تقسم المسافة على السرعة. وإذا كانت المسافة ثلاثة أمتار وكانت السرعة تقارب 300 مليون متر في الثانية فإن زمن الانتقال يكون كما يأتي.
الزمن التقريبي. ثلاثة أمتار مقسومة على 300 مليون متر في الثانية تساوي نحو 0.00000001 ثانية. أي عشرة نانوثوان تقريبا.
لكن ينبغي ألا نفهم هذا المثال على أن كل فوتونات الغرفة تختفي بالضرورة بعد عشرة نانوثوان بالضبط. فبعضها يسلك مسارات أطول بسبب الانعكاسات. كما تختلف مدة بقاء الضوء داخل المكان باختلاف هندسته وانعكاسية الأسطح ودرجة امتصاصها.
في الغرف الواقعية يتراجع الضوء عادة بسرعة كبيرة للغاية. ويشرح أستاذ الفيزياء كريستوفر بيرد من جامعة ويست تكساس إيه آند إم أن ضوء المصباح يتحول إلى حرارة وأشكال أخرى من الطاقة داخل الغرفة خلال زمن بالغ القصر يصل في التقدير العام إلى نطاق الميكروثواني. والميكروثانية تساوي جزءا من مليون جزء من الثانية.
يمكن مراجعة هذا التفسير في شرح أستاذ الفيزياء لسؤال اختفاء الضوء بعد إطفاء المصباح.
لماذا لا نلاحظ هذا الزمن القصير
لأن حواسنا لا تعمل كأجهزة قياس للنانوثوان. فعندما تضغط المفتاح ترى الضوء ينطفئ وكأن الحدث جرى في اللحظة نفسها. وهذا وصف صحيح للتجربة اليومية لكنه لا يعني أن كل التفاعلات الفيزيائية تقع في زمن رياضي يساوي صفرا.
توجد مدة قصيرة لانتقال الضوء وتفاعله مع المواد واستجابة العين. لكنها أصغر بكثير من أن تميزها العين البشرية في الظروف العادية. لذلك يبدو انطفاء الغرفة فوريا تقريبا.
هل يختفي الضوء أم تتحول طاقته إلى حرارة
يستخدم الناس كلمة الاختفاء لوصف ما يرونه عندما تصبح الغرفة مظلمة. لكن الفيزياء تميز بين اختفاء الضوء من مجال الرؤية وبين انتقال الطاقة التي كان يحملها. فالفوتون الذي يمتصه جسم لا يواصل عادة رحلته بوصفه الضوء نفسه. وفي المقابل تنتقل طاقته إلى المادة وفق طبيعة التفاعل.
عندما تمتص مادة ضوءا مرئيا فقد تزداد طاقة بعض إلكتروناتها أو تحدث تغيرات في مستويات الطاقة داخل الذرات والجزيئات. وقد تتحول هذه الطاقة لاحقا إلى حركة داخلية عشوائية. وعندما تزداد الطاقة الداخلية للمادة في صورة مناسبة يمكن أن ترتفع درجة حرارتها.
كيف تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة حرارية
تتكون الأجسام من ذرات وجزيئات لا تبقى ساكنة تماما. فهي تمتلك أنماطا مختلفة من الحركة والاهتزاز والدوران بحسب حالة المادة ودرجة حرارتها. وعندما تنتقل الطاقة الضوئية إلى هذه الأنظمة قد يؤدي ذلك إلى زيادة الطاقة الداخلية للمادة.
بعد سلسلة من التفاعلات تتوزع الطاقة على عدد كبير من الجسيمات. وقد تظهر آثار ذلك في صورة ارتفاع طفيف في درجة الحرارة. وعادة ما يكون أثر ضوء مصباح منزلي على حرارة جدران الغرفة صغيرا جدا بحيث لا نشعر به مباشرة. لكن المبدأ نفسه واضح عندما يتعرض سطح داكن لأشعة الشمس مدة طويلة.
فطاقة الضوء ليست منفصلة عن عالم الحرارة. بل يمكن أن تكون مصدرا لها. وعندما تمتص المادة الضوء فإن جزءا من الطاقة قد يسهم في تدفئتها. ثم تفقد المادة الحرارة تدريجيا إلى الهواء المحيط أو عبر الإشعاع الحراري بحسب ظروفها.
توضح ناسا في شرحها لميزانية طاقة الأرض أن امتصاص الإشعاع يمكن أن يزيد الطاقة الداخلية للمادة ودرجة حرارتها. كما تشرح أن الأجسام الدافئة تشع طاقة حرارية في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ويمكن قراءة التفاصيل في مرجع ناسا حول ميزانية الطاقة والامتصاص والإشعاع الحراري.
هل تتحول كل طاقة الضوء إلى حرارة مباشرة
ليس بالضرورة. فالنتيجة تعتمد على نوع المادة وطاقة الفوتون وما تسمح به التفاعلات المتاحة داخل المادة. وقد يؤدي الامتصاص إلى تفاعل كيميائي أو إلى تغير في الحالة الإلكترونية أو إلى انبعاث ضوء آخر.
في بعض العمليات يستفاد من الطاقة الضوئية في إحداث تغير كيميائي. ومن الأمثلة الواضحة عملية البناء الضوئي التي تستخدم فيها النباتات الطاقة الضوئية ضمن سلسلة من التفاعلات التي تساعد على بناء مركبات عضوية. ولا يصح اختزال هذه العملية إلى مجرد تسخين الورقة.
وقد تستعمل أجهزة خاصة الطاقة الضوئية لإطلاق إلكترونات أو لقياس الضوء بدقة أو لتحويله إلى إشارة كهربائية. وهذا يوضح أن الضوء مصدر للطاقة ويمكن أن يؤدي وظائف مختلفة بحسب طبيعة النظام الذي يستقبله.
هل ضوء المصباح يسخن الغرفة بعد إطفائه
يمكن أن تسهم الطاقة التي امتصتها الجدران والأثاث في حرارة هذه المواد. لكن مقدار الارتفاع الناتج عن مصباح منزلي عادي يكون في الغالب ضئيلا وموزعا على مساحة من المواد المحيطة. كما أن درجة حرارة الغرفة تتأثر بحرارة المصباح نفسه والأجهزة الأخرى والتهوية والمساحة ومدة التشغيل.
لذلك لا ينبغي الخلط بين القول إن الطاقة الضوئية الممتصة تصبح في النهاية جزءا من الطاقة الداخلية للمواد وبين الادعاء بأن كل غرفة سترتفع حرارتها بمقدار محسوس بعد إطفاء المصباح. الأمر الأول مبدأ فيزيائي عام. أما الثاني فيحتاج إلى معرفة ظروف الغرفة ومصدر الضوء وكمية الطاقة الممتصة.
لماذا نرى بعض الأشياء مضيئة حتى بعد إطفاء الضوء
إذا كنت قد رأيت مصباحا يترك أثرا بصريا في عينيك بعد انطفائه فقد يبدو لك أن الضوء ظل موجودا داخل الغرفة. لكن هناك أكثر من تفسير محتمل لهذه التجربة. وبعضها يتعلق بالمصباح نفسه. وبعضها يتعلق بخصائص المواد. وبعضها الآخر يتعلق بكيفية معالجة العين والدماغ للمعلومات البصرية.
الصورة اللاحقة في العين
عند النظر إلى مصدر شديد السطوع قد ترى أثرا بصريا يستمر بعد أن تدير عينيك أو تطفئ المصباح. وتعرف هذه الظاهرة بالصورة اللاحقة. وقد تظهر كبقعة مضيئة أو كبقعة ذات لون مختلف عن المصدر الأصلي.
ترتبط هذه الظاهرة باستجابة الجهاز البصري للضوء وبالتغيرات المؤقتة في حساسية الخلايا المستقبلة للضوء وآليات معالجة الإشارة البصرية. ولهذا قد يستمر الإحساس بالصورة حتى عندما لا يصل ضوء من المصدر الأصلي إلى العين.
بمعنى آخر لا يلزم من رؤيتك أثرا ضوئيا أن تكون فوتونات المصباح القديم لا تزال تعبر الغرفة. فقد تكون التجربة ناتجة عن استمرار الاستجابة العصبية والبصرية بعد انتهاء المنبه.
يعرض قسم الفيزياء بجامعة ميريلاند تجربة تعليمية توضح استمرار الصورة البصرية بعد الوميض الضوئي. كما يناقش باحثون من جامعة ويسكونسن ماديسون أسباب ظهور الآثار البصرية عند النظر إلى أضواء شديدة السطوع أو متحركة.
تنبيه. تجنب النظر مباشرة إلى الشمس أو إلى مصادر شديدة السطوع بغرض اختبار الصورة اللاحقة. فالتحديق في مصدر قوي قد يؤذي العين. ويمكن فهم الظاهرة بملاحظة صور لاحقة عابرة ناتجة عن مصادر عادية دون تعمد تعريض العين للضوء المؤذي.
التوهج اللاحق في بعض المواد
هناك مواد تستطيع أن تمتص الطاقة الضوئية ثم تطلق جزءا منها على هيئة ضوء بعد توقف المصدر. ويظهر هذا السلوك في بعض المواد الفسفورية المستخدمة في المنتجات التي تتوهج في الظلام.
تمتص المادة الطاقة خلال تعرضها للضوء. ثم تخزن جزءا منها في حالات طاقية مناسبة قبل أن تعود تدريجيا إلى حالات أقل طاقة وتصدر ضوءا. ولهذا قد يستمر التوهج مدة ملحوظة نسبيا بعد إبعاد مصدر الإضاءة.
لكن الضوء المنبعث لاحقا لا يعني أن فوتونات المصباح الأصلية ظلت محبوسة داخل المادة. بل تمثل الظاهرة انبعاثا جديدا للطاقة الضوئية من المادة بعد أن امتصت الطاقة في وقت سابق.
لماذا يتوهج بعض المصابيح لحظة بعد إطفائها
قد لا ينطفئ كل مصباح بالطريقة نفسها. فالفتيلة الساخنة في المصباح التقليدي تستمر في إصدار إشعاع حراري أثناء تبردها. وقد تصدر بعض المصابيح الفلورية توهجا لاحقا بسبب خصائص المواد الفسفورية فيها. كما يمكن أن تؤثر الدوائر الإلكترونية في بعض مصابيح LED في مدة الانطفاء أو في حدوث وميض قصير.
ويعتمد استمرار التوهج على تصميم المصباح ونوع مكوناته وظروف تشغيله. لذلك لا يمكن إعطاء مدة موحدة لجميع المصابيح. والأهم أن هذا السلوك يختلف عن مصير الضوء الذي كان ينتشر في الغرفة قبل قطع التيار.
يوضح شرح وزارة الطاقة الأمريكية حول سلوك مصادر الإضاءة أن خصائص الانطفاء والاستجابة الزمنية تختلف بين التقنيات والمكونات الإلكترونية المستخدمة في تشغيل المصابيح.
كيف تختلف رحلة الضوء من سطح إلى آخر
لا يمكن الحكم على امتصاص الضوء من لون الجسم وحده في جميع الحالات. فالمادة وخصائصها الطيفية ودرجة نعومة السطح وشدة الضوء كلها عوامل مؤثرة. ومع ذلك فإن مقارنة الحالات الأساسية تساعد على تصور ما يحدث داخل الغرفة بعد إطفاء المصباح.
| نوع التفاعل | ما يحدث للضوء | النتيجة المحتملة |
|---|---|---|
| الامتصاص | تنتقل طاقة الفوتون إلى المادة. | قد تتحول الطاقة إلى حرارة أو تدخل في تفاعل آخر. |
| الانعكاس | يتغير اتجاه الضوء بعد تفاعله مع السطح. | يواصل الضوء الانتشار حتى يتفاعل مرة أخرى أو يغادر المكان. |
| النفاذ | يعبر الضوء خلال مادة تسمح بمروره. | قد يصل إلى مكان آخر أو يخرج من الغرفة عبر النافذة. |
| التبعثر | يتوزع الضوء في اتجاهات متعددة. | يساعد على إضاءة الأسطح من زوايا مختلفة قبل امتصاص الطاقة. |
| التألق | تمتص المادة الطاقة ثم تصدر ضوءا جديدا. | قد يظهر ضوء بلون أو خصائص مختلفة عن الضوء الممتص. |
| التوهج الفسفوري | تطلق المادة طاقة مخزنة تدريجيا على هيئة ضوء. | قد يستمر التوهج بعد إبعاد مصدر الإضاءة. |
هذه العمليات ليست متعارضة دائما. فقد يمتص سطح معين جزءا من الضوء ويعكس جزءا آخر. وقد ينفذ الضوء عبر جزء من المادة بينما يمتص جزء آخر بسبب اختلاف الأطوال الموجية.
على سبيل المثال يمكن لقطعة زجاج ملونة أن تسمح بمرور بعض ألوان الضوء وتمتص ألوانا أخرى. أما المرآة فقد تعكس معظم الضوء المرئي الساقط عليها لكنها لا تعكس جميع الأطوال الموجية بالكفاءة نفسها. ولذلك فإن طريقة تفاعل المادة مع الضوء هي التي تحدد مقدار الضوء الذي يستمر في مساره.
هل يمكن أن يستمر الضوء إلى الأبد داخل مكان مغلق
هذا السؤال يقود إلى تجربة فكرية مهمة. تخيل صندوقا محاطا بمرايا مثالية تماما. لن تمتص هذه المرايا أي طاقة ولن تسمح بخروج الضوء. إذا وضعنا فوتونات داخل هذا النموذج المثالي فلن يكون هناك سطح يمتصها ولن يكون هناك منفذ يسمح لها بالمغادرة. وبذلك يمكنها الاستمرار في الانعكاس داخل النموذج ما دامت الظروف المثالية قائمة.
لكن هذا مجرد تصور فيزيائي مثالي. فالمواد الواقعية لا تعكس كل الضوء دون فقد. كما أن تصنيع مرآة مثالية لكل الأطوال الموجية والزوايا والظروف ليس أمرا متاحا في الحياة اليومية. وحتى التجاويف البصرية المستخدمة في المختبرات والليزر تتأثر بخسائر الامتصاص والتبعثر وتسرب الضوء.
ماذا لو كانت الغرفة شديدة الانعكاس
يمكن أن يبقى الضوء داخل تجويف شديد الانعكاس زمنا أطول مقارنة بغرفة عادية. ويرتبط ذلك بنسبة الضوء المنعكس في كل اصطدام وبالمسافات بين الأسطح وشكل التجويف. فإذا فقد الضوء نسبة صغيرة من طاقته في كل تفاعل فقد يستمر وجوده داخل التجويف مدة أطول قبل أن يتلاشى.
لكن طول المدة لا يعني أن الضوء سيظل بالضرورة مرئيا للإنسان. فالرؤية تعتمد على شدة الضوء الذي يصل إلى العين وعلى حساسية الجهاز البصري. وقد تنخفض الشدة إلى مستوى غير قابل للملاحظة حتى لو استمرت كمية صغيرة من الطاقة الضوئية داخل نظام ما.
في الغرف المنزلية العادية تكون الجدران والسقف والأرضية والأثاث مصنوعة من مواد غير مثالية الانعكاس. ولذلك لا نحتاج إلى انتظار زمن طويل حتى تصبح الغرفة مظلمة بعد توقف المصدر.
هل تختفي الطاقة نفسها عندما يختفي الضوء
الجواب يحتاج إلى تمييز مهم. لا تعني المحافظة على الطاقة أن كل فوتون يبقى موجودا إلى الأبد في صورته الأصلية. فالفوتونات تتفاعل مع المادة ويمكن أن تمتصها المادة أو تطلق فوتونات أخرى في عمليات مختلفة. أما الطاقة فتخضع لقوانين الحفظ عندما نأخذ النظام الفيزيائي الكامل في الحسبان.
إذا امتص الجدار ضوءا فقد تزداد طاقته الداخلية. وإذا حدث تفاعل كيميائي فقد تدخل الطاقة في تغير كيميائي. وإذا خرج الضوء من النافذة فإنه يحمل طاقته بعيدا عن الغرفة. وإذا أعادت المادة إصدار ضوء فإن الطاقة تتابع انتقالها بصورة أخرى.
لهذا لا يصح القول إن الضوء تحول إلى لا شيء. الأدق أن نقول إن الفوتونات التي كانت تنقل الضوء المرئي توقفت عن الوجود بهذه الصورة بعد امتصاصها أو تفاعلاتها. أما الطاقة التي حملتها فتظل جزءا من الحساب الفيزيائي للعملية وتنتقل أو تتحول وفق قوانين الطبيعة.
إطفاء المصباح يغير حالة مصدر الطاقة ولا يمحو أثر الضوء الذي انطلق منه. فحين تمتص الجدران والأشياء الضوء تنتقل الطاقة إلى المادة أو تحدث تفاعلات أخرى. وعندما ترى الظلام فهذا يعني أن الضوء المرئي الذي يصل إلى عينيك انخفض إلى مستوى غير كاف للرؤية المعتادة.
ومن المهم أيضا عدم الخلط بين الضوء المرئي وبين الإشعاع الحراري. فالجسم الذي امتص الطاقة قد يصدر لاحقا إشعاعا حراريا. ويقع جزء كبير من هذا الإشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء التي لا تراها العين البشرية. لذلك قد تظل المادة دافئة حتى عندما لا يصدر عنها ضوء مرئي ملحوظ.
وهذه الظاهرة ليست حكرا على المصابيح. فالشمس تسخن سطح الأرض عندما يمتص الإشعاع الشمسي. ثم يشع سطح الأرض الطاقة الحرارية في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ويمكن قراءة شرح مبسط لهذه العلاقة في مرجع ناسا حول ميزانية الإشعاع الأرضية.
هل كل الألوان تختفي بالطريقة نفسها
يعتمد ذلك على الأطوال الموجية التي يستطيع كل سطح امتصاصها أو عكسها أو تمريرها. فالضوء المرئي يضم أطوالا موجية مختلفة ندركها على هيئة ألوان. وتتفاعل المواد مع هذه الأطوال الموجية بطرق متنوعة.
قد يعكس جسم أخضر قدرا أكبر من الضوء الذي ندركه بوصفه أخضر مقارنة بأجزاء أخرى من الطيف المرئي. وقد يمتص أجزاء أخرى من الضوء الساقط عليه. ولهذا نراه أخضر عندما يكون مضاء بضوء يحتوي على الأطوال الموجية المناسبة.
عندما نطفئ المصباح ينخفض الضوء الساقط على هذا الجسم. فلا يعود يعكس إلى العين قدرا كافيا من الضوء المرئي. وهذا لا يعني أن اللون الأخضر نفسه انتقل إلى مكان آخر. بل يعني أن الضوء الذي كان يكشف لون الجسم لم يعد متوافرا بالقدر السابق.
وإذا احتوى المصدر على ضوء متعدد الألوان فقد تنعكس الألوان بنسب مختلفة بحسب الأسطح. لكن عند انقطاع المصدر لا يستمر الجسم في إنتاج اللون من تلقاء نفسه إلا إذا كان لديه مصدر آخر للانبعاث مثل التألق أو التوهج أو التفاعل الكيميائي.
سؤال للتفكير. هل تبدو قطعة القماش الحمراء حمراء في غرفة مظلمة تماما. في الظروف العادية لن تستطيع رؤية لونها بوضوح لأن اللون الذي تدركه يعتمد على الضوء الذي يصل إلى عينيك منها. وعندما يغيب الضوء الكافي لا يعود لون الجسم وحده كافيا لإنتاج رؤية واضحة.
كيف تفهم الظاهرة بتجربة منزلية بسيطة
يمكنك فهم الفكرة من خلال ملاحظة الفرق بين الامتصاص والانعكاس في أوقات مختلفة من اليوم. لا تحتاج إلى أدوات مختبرية أو إلى النظر مباشرة إلى مصدر قوي. كل ما تحتاج إليه هو غرفة عادية وبعض الأسطح مختلفة الألوان ومصباح منزلي سليم.
الخطوة الأولى. لاحظ الأشياء أثناء الإضاءة
انظر إلى الجدار والطاولة وقطعة قماش داكنة وورقة بيضاء. ستلاحظ أن الأشياء لا تبدو مضيئة لأنها تنتج الضوء بذاتها بالضرورة. بل يصل الضوء من المصباح إليها ثم ينعكس جزء منه نحو عينيك.
الخطوة الثانية. أطفئ المصباح ولاحظ التغير
عندما تطفئ المصباح يتوقف المصدر عن تغذية الغرفة بالضوء الجديد. وتقل شدة الضوء المنعكس من الأسطح بسرعة حتى لا تعود قادرا على تمييز التفاصيل المعتادة. وتوضح هذه الخطوة أن رؤية الأجسام تعتمد على وصول ضوء كاف إلى العين.
الخطوة الثالثة. لاحظ الفرق بين الضوء الضعيف والظلام
قد تبقى بعض الأشياء مرئية إذا كان هناك ضوء خافت يأتي من خارج الغرفة. وقد تزداد قدرتك على تمييز الأشياء مع مرور الوقت لأن العين تتكيف تدريجيا مع انخفاض الإضاءة. لكن هذا التكيف لا يعني أن الغرفة تعيد إنتاج الضوء الذي انبعث من المصباح القديم.
توضح التجربة الفرق بين ثلاثة أمور. توقف المصدر عن الإضاءة. وتفاعل الضوء مع الأسطح. واستجابة العين للضوء المتاح. وهذه العمليات مترابطة لكنها ليست حدثا واحدا.
سلامة التجربة. استخدم مصباحا منزليا عاديا وتجنب مصابيح الليزر أو مصادر الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء الشديد. ولا تفكك المصباح أو مكوناته الكهربائية. ففهم الظاهرة لا يحتاج إلى مخاطر أو معدات خاصة.
مفاهيم خاطئة شائعة عن الضوء بعد إطفاء المصباح
الاعتقاد الأول أن الضوء يتبخر في الهواء
الضوء لا يتبخر بالطريقة التي يتبخر بها سائل. فهو إشعاع كهرومغناطيسي ينتقل عبر الفضاء أو يتفاعل مع المادة. وعندما تصبح الغرفة مظلمة يكون السبب أن المصدر توقف عن إصدار الضوء وأن الفوتونات السابقة امتصت أو غادرت المكان أو تفاعلت بطرق أخرى.
الاعتقاد الثاني أن الضوء يختفي بمجرد الضغط على المفتاح
المفتاح لا يوقف الفوتونات التي انطلقت بالفعل في منتصف رحلتها. لكنه يوقف أو يخفض انبعاث المصدر وفق نوع المصباح. وتحتاج الفوتونات المتبقية إلى زمن قصير للوصول إلى أسطح أو الخروج من المكان. لكن هذا الزمن ضئيل للغاية في الظروف اليومية.
الاعتقاد الثالث أن كل الضوء يتحول مباشرة إلى حرارة
الحرارة نتيجة شائعة ومهمة لامتصاص الضوء لكنها ليست المسار الوحيد. فقد ينفذ الضوء عبر مادة أو ينعكس عنها أو يثير إلكترونات أو يساهم في تفاعل كيميائي. ويتوقف مصير الطاقة على طبيعة المادة والتفاعل.
الاعتقاد الرابع أن الصورة التي نراها بعد إطفاء الضوء تثبت بقاء الفوتونات
الصورة اللاحقة قد تنتج من استجابة الجهاز البصري بعد انتهاء التعرض. وهي لا تعني أن الفوتونات نفسها لا تزال داخل المجال البصري. ويجب التفريق بينها وبين المواد التي تصدر ضوءا جديدا بعد امتصاص الطاقة.
الاعتقاد الخامس أن الغرفة المغلقة تحتفظ بالضوء القديم
الإغلاق لا يجعل الجدران مثالية. فالضوء يتفاعل مع الأسطح الواقعية التي تمتص جزءا من الطاقة في كل مرة. ولذلك لا يستمر الضوء المرئي داخل غرفة منزلية عادية لمجرد أن النافذة مغلقة.
الاعتقاد السادس أن الضوء لا يمكن أن يتحول إلى ضوء آخر
يمكن لبعض المواد امتصاص الطاقة الضوئية ثم إصدار فوتونات جديدة. وقد يحدث ذلك في التألق أو الفسفورية أو غيرهما من التفاعلات. لكن الفوتونات المنبعثة لاحقا ليست بالضرورة الفوتونات نفسها التي صدرت من المصباح أول مرة.
أسئلة شائعة حول أين يذهب الضوء بعد إطفائه
هل يذهب الضوء إلى الفضاء بعد إطفاء المصباح
قد يغادر جزء من الضوء الغرفة عبر النوافذ أو الفتحات. لكن معظم الضوء في غرفة عادية يتفاعل مع الأسطح المحيطة ويمتص جزء كبير من طاقته في المواد. لذلك لا يصح القول إن كل الضوء يخرج إلى الفضاء أو إلى خارج المنزل.
هل يبقى الضوء في الهواء بعد إطفاء المصباح
تستمر الفوتونات التي لم تتفاعل بعد في الانتقال عبر الهواء. لكنها لا تبقى عالقة فيه لمجرد أن الهواء موجود. وفي غرفة منزلية عادية تمتص الأسطح الضوء بسرعة كبيرة مقارنة بالزمن الذي تستطيع العين تمييزه.
هل يتحول الضوء إلى حرارة
غالبا ما تتحول الطاقة التي تمتصها المواد إلى طاقة داخلية قد تظهر في صورة حرارة. لكن بعض الطاقة يمكن أن تدخل في تفاعلات كيميائية أو تنتج انبعاثا ضوئيا جديدا أو تترك المادة عبر مسارات أخرى. لذلك يعتمد الناتج على المادة وطبيعة التفاعل.
هل يمكن أن يظل الضوء محبوسا في غرفة مغلقة
يمكن في نموذج افتراضي مثالي أن تستمر الفوتونات في الانعكاس داخل تجويف لا يمتص الضوء ولا يسمح بخروجه. أما الغرفة الواقعية فلا تحتوي على أسطح مثالية. ولهذا يمتص الضوء تدريجيا حتى يختفي الضوء المرئي تقريبا.
لماذا أرى وميضا بعد إطفاء المصباح
قد يكون السبب صورة لاحقة تنتج عن استجابة العين أو الدماغ للضوء السابق. وقد يكون هناك توهج فعلي من مادة مضيئة أو من المصباح نفسه. ويعتمد التفسير الصحيح على مدة الأثر وطبيعة المصدر والظروف التي يظهر فيها.
هل يستطيع الإنسان رؤية الأشعة تحت الحمراء التي تصدرها الأجسام الدافئة
لا تستطيع العين البشرية رؤية الأشعة تحت الحمراء الحرارية مباشرة. ومع ذلك يمكن لأجهزة خاصة كشف هذا الإشعاع وعرض فروق درجات الحرارة على هيئة صور. لذلك قد يستمر جسم دافئ في إصدار إشعاع حراري حتى بعد أن يختفي عنه الضوء المرئي.
هل سرعة الضوء هي سبب اختفائه السريع
تساعد سرعة الضوء الكبيرة على وصول الفوتونات إلى الأسطح في زمن بالغ القصر. لكن السرعة وحدها ليست السبب الكامل. فالامتصاص والانعكاس والنفاذ وخصائص الأسطح هي التي تحدد ما يحدث للفوتونات بعد وصولها إلى المادة.
هل اختفاء الضوء يعني أن الطاقة ضاعت
لا. اختفاء الضوء من مجال الرؤية لا يعني اختفاء الطاقة من الحساب الفيزيائي. فقد تمتصها المادة أو تتحول إلى طاقة داخلية أو تدخل في تفاعل آخر. وقد يحمل الضوء الذي يغادر المكان طاقته معه. وتبقى المحافظة على الطاقة مبدأ أساسيا عند دراسة النظام كاملا.
لماذا تبدو الغرفة مظلمة على الفور رغم أن العملية تستغرق زمنا
لأن الزمن اللازم لانتقال الضوء وتفاعله مع الأسطح قصير للغاية مقارنة بزمن استجابة الإنسان وقدرته على ملاحظة الفروق الزمنية. لذلك تدرك العين انطفاء المصباح والظلام الناتج عنه على أنهما يحدثان في اللحظة نفسها تقريبا.
الخلاصة العلمية لرحلة الضوء بعد إطفاء المصباح
عندما تطفئ المصباح لا تنطلق الفوتونات القديمة في رحلة غامضة ولا تتبخر داخل الهواء. إن ما يحدث هو أن المصدر يتوقف عن إصدار ضوء جديد. ثم تواصل الفوتونات الموجودة بالفعل انتقالها بسرعة كبيرة حتى تصل إلى الأسطح أو تتفاعل مع المادة أو تغادر الغرفة عبر منافذها.
تمتص المواد جزءا من الضوء وتحول طاقته غالبا إلى طاقة داخلية ترتبط بالحرارة. وينعكس جزء آخر أو ينفذ خلال المواد الشفافة. وقد تصدر بعض المواد ضوءا جديدا بعد امتصاص الطاقة. أما الأثر الذي تراه بعد إطفاء المصباح فقد يكون ناتجا عن استجابة العين أو عن توهج حقيقي من مادة أو مصدر إضاءة.
ولهذا فإن التفسير الأدق ليس أن الضوء اختفى من الوجود. بل إن الضوء المرئي الذي كان يصل إلى عينيك انتهى نتيجة توقف المصدر وتفاعل الفوتونات مع البيئة المحيطة. أما الطاقة التي حملها الضوء فتنتقل أو تتحول وفق القوانين الفيزيائية.
في المرة المقبلة التي تطفئ فيها مصباح غرفتك تذكر أن الظلام ليس مكانا ذهب إليه الضوء. إنه ببساطة الحالة التي لا يصل فيها إلى عينيك مقدار كاف من الضوء لرؤية الأشياء كما كنت تراها قبل لحظات.
المصادر العلمية للاستزادة
تعتمد التفسيرات الواردة في هذا المقال على المبادئ الأساسية لتفاعل الضوء مع المادة وسرعة انتقال الإشعاع والامتصاص والتحول إلى طاقة حرارية. ويمكن الرجوع إلى المصادر التالية لمزيد من التفاصيل العلمية.
- ناسا. التفاعل بين الضوء والمادة. يشرح الامتصاص والانعكاس والنفاذ والانبعاث.
- ناسا. سلوك الضوء. يتناول الامتصاص وانعكاس الطاقة وتبعاتها الحرارية.
- ناسا. التحليل الطيفي والضوء والمادة. يشرح مفهوم الفوتون وعلاقة طاقته بطول موجته.
- جامعة ويست تكساس إيه آند إم. لماذا تظلم الغرفة عند إطفاء المصباح. شرح فيزيائي مباشر للظاهرة.
- The Physics Classroom. امتصاص الضوء وانعكاسه ونفاذه. درس تعليمي حول كيفية تفاعل الضوء مع المواد.
- وزارة الطاقة الأمريكية. أساسيات الوميض واستجابة مصادر الإضاءة. يناقش الفروق بين تقنيات الإضاءة واستجابتها الزمنية.
- جامعة ميريلاند. استمرار الصورة البصرية بعد الوميض. تجربة تعليمية توضح ظاهرة الصورة اللاحقة.
جميع حقوق النشر محفوظة لدى موقع بصمة غموض الاسرار.