ماذا تعرف عن فيزياء الألوان - ساينسوفيليا

 

فيزياء الألوان

بقلم: ريم عيسى
مراجعة علمية: مجدي عياد

 إذا كنت من هواة العلوم ففترة منتصف الليل من أفضل الاوقات التي تدوي فيها التساؤلات عن الكون وتأخذك دوامة من الأسئلة.

من ضمن التساؤلات التي وردت في ذهني مؤخراً لماذا نرى الألوان كما هي , معظم الأشجار باللون الأخضر والتفاح باللون الأحمر! ما سر ظهور تلك الألوان ماذا يحدث داخل المادة لكي تظهر تلك الألوان وهل السر وراء ذلك تفسير فيزيائي؟

هذا ما سوف نتحدث عنه في الأسطر القادمة.....

في المراحل التعليمية السابقة كان ُيفسر رؤية الألوان بأن اللون الذي نراه ناتج عن امتصاص جميع ألوان الضوء ماعدا اللون الظاهر لنا، فاللون الأحمر ناتج عن امتصاص جميع ألوان الضوء وعكس اللون الأحمر، في هذا المقال سوف نخوض بشكل اعمق في تفسير كيفية حدوث ذلك داخل المواد المختلفة.

اكتشاف الألوان

قبل تفسير ظاهرة الألوان دعونا نذكر بعض المبادئ الأساسية لفهم تلك النظرية والحديث عن الضوء. 

الضوء المرئي هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية وهو نطاق ذات أطوال موجية معينة يمكن للعين المجردة التفاعل معه ومن ثم رؤيتها ويوجد الضوء المرئي في نطاق أكبر وأشمل يسمى بالطيف الكهرومغناطيسي حيث توجد موجات أخري بأطوال موجية وترددات مختلفة لا يمكن للعين المجردة رؤيتها 

مثل الأشعة فوق البنفسجية U.V والأشعة تحت الحمراء Infrared وغيرها من الموجات المختلفة (موجات الراديو والمايكرويف).

 اذا قمت بتحليل الضوء باستخدام منشور زجاجي مثلا فسوف تجد أن الضوء المرئي يتكون من مجموعة موجات ذات ترددات مختلفة وهي:

Color	Wavelength	Frequency	Photon energy
Violet	380–450 nm	670–790 THz	2.75–3.26 eV
Blue	450–485 nm	620–670 THz	2.56–2.75 eV
Cyan	485–500 nm	600–620 THz	2.48–2.56 eV
Green	500–565 nm	530–600 THz	2.19–2.48 eV
Yellow	565–590 nm	510–530 THz	2.10–2.19 eV
Orange	590–625 nm	480–510 THz	1.98–2.10 eV
Red	625–740 nm	405–480 THz	1.68–1.98 eV

 حيث إن الضوء الأحمر صاحب أكبر طول موجي (610nm-700nm) والضوء البنفسجي صاحب أقل طول موجي 
(410nm-450nm).

والطول الموجي مرتبط بالطاقة عن طريق المعادلة التالية: 

E=h.ν, or E=h.

حيث أن :

• E هي طاقة الموجة،  
• h ثابت بلانك، 
  
• λ الطول الموجي، 
  
• ν تردد الموجة، 
  
• c سرعة الضوء.

فبالتالي الضوء الأحمر صاحب أقل طاقة في جميع ألوان الضوء المرئي.

 ماهية اللون

يتكون الكون من مواد مختلفة في الخواص الكيميائية والفيزيائية، حيث تتكون المواد من ذرات أو مركبات لها مستويات طاقة الكترونية مميزه وهو يعتبر كبصمة الإصبع لكل مادة. فلذلك تقوم كل ذرة وكل مركب بامتصاص أو اصدار طاقات معينة أو تردرات موجية بعينها دون غيرها عندما يتعرض للاشعاع الكهرومغناطيسي المتعدد الترددات.

تستجيب أعين الكائنات الحية لنطاق محدد من الاشعاع الكهرومغناطيسي ويقوم المخ بترجمة الطاقات المختلفة لكل موجة تستقبلها العين وينقلها العصب البصري الي ألوان مختلفة وهذه واحدة من أليات تأقلم وظائف المخ مع البيئة المحيطة , أي اننا يمكننا القول بأن الالوان هي شئ مرتبط بإستجابة وادراك بعض الكائنات الحية وبدونها فقد معناه.

تصنيف المواد حسب رؤيتنا البصرية :-

أولا : المواد الشفافة

وهي مواد يقع نطاق امتصاصها أو اشعاعاها خارج نطاق الضوء المرئي , اي انها تمتص ترددات اعلي أو أقل من نطاق الضوء المرئي , لذلك عند سقوط اشعاع كهرومغناطيسي عليها يمر الضوء المرئي من خلالها دون حدوث تفاعل , وعلي سبيل الدقة فان تعريف الشفافية لا بد أن يرتبط بإستجابة كائن حي محدد أو حساس الضوء ( sensor )فقد تكون مادة معينة شفافة بالنسبة لكائن حي وغير شفافه بالنسبة لكائن اخر.

ثانيا: المواد الغير شفافة

وهي مواد لا تسمح بنفاذ الضوء خلالها بل تتفاعل معه ومنها ما يظهر بالابيض أو الاسود أو أي لون اخر أو علي الاقل تكون شفافة بشكل جزأي.

1. مواد تعكس جزء من الضوء (الأشياء الملونة)

وهي المواد التي مستوي الطاقة الخارجي لها غير مكتمل فتمتص طاقات معينة لكي تُثار وتنتقل لمستويات طاقة أعلي وتتنقل بين الذرات.

فتمتص بعض من الموجات الضوئية وتعكس باقي الموجات فمثلاُ سقط ضوء مرئي على قميص باللون الأحمر فذلك معناه أن باقي الألوان امتصت وانعكس اللون الأحمر لكن إذا سقط على نفس القميص ضوء أزرق يظهر باللون الأسود!

لأن الضوء الأزرق الساقط ليس به موجات الضوء الأحمر المميزة للقميص فلن يوجد موجة بنفس الطول الموجي لكي تنعكس فيظهر باللون الأسود لأنه امتص الضوء الأزرق الساقط بالكامل ولم يعكس شيء.

2. مواد تمتص الضوء بالكامل (الأشياء السوداء)

وهي مواد عند سقوط الضوء المرئي عليها تتفاعل مع الإلكترونات في المدار الخارجي فيكونوا بحاجة لامتصاص جميع طاقات الأطوال الموجية لكي تُثار (الضوء الساقط له نفس الطاقة أو أكبر من طاقة ربط الإلكترون) فتظهر المواد باللون الأسود.

وهذا يفسر سبب الشعور بالحرارة في فصل الصيف عند ارتداء الملابس السوداء، فتقوم المادة المصنوع منها الملابس بامتصاص أشعة الضوء بالكامل فتُثار الإلكترونات وتنتقل بين الذرات حيث يقوم الإلكترون بتحويل الطاقة الممتصة إلى طاقة حرارية.

3. مواد تعكس الضوء بالكامل (الأشياء البيضاء)

وهي مواد لا تحتاج لاكتساب طاقة فعند سقوط الضوء عليها لا يحدث تفاعل بين الالكترون والضوء الساقط فتقوم بعكس الضوء بالكامل لذلك تظهر باللون الأبيض

ثالثًا : مواد شفافة جزئياً

في المواد الشفافة جزئياً جزء من الضوء الساقط فقط يمر داخل المادة دون معاناه وجزأ اخر يتشتت في اتجاهات بزوايا مختلفة عكس المواد الشفافة التي يمر فيها في اتجاه مستقيم. لذلك لا يمكننا الرؤية بوضوح خلال تلك المواد فالأشياء خلف تلك المواد تظهر بشكل مشوش جزئياً، الجدير بالذكر أن بعض المواد الشفافة جزئياً تمتص الأشعة فوق البنفسجية فعند وضع يدك خلفها في يوم مشمس تكتسب بعض السمرة.

 ماذا يحدث للون إذا زادت شدة الضوء؟

زيادة شدة الضوء تعني زيادة عدد الفوتونات وليس زيادة طاقة الموجات فكل موجة سيظل طولها الموجي وترددها وطاقتها ثابتة وبالتالي لها نفس اللون.

فشدة الضوء تعني وضوح أكثر أو أقل للون، في الليل تكون الإضاءة خافتة فتكون الفوتونات قليلة فيُثار عدد قليل من الإلكترونات فتُصبح الألوان باهتة لكن في ضوء الشمس تكون الألوان زاهية لوجود عدد كافي من الفوتونات لإثارة جميع الإلكترونات فيظهر اللون بشكل أوضح.

فالفيزياء هي الجواب على كل سؤال يؤرقك لكن في ساينسوفيليا سنجيب عنه بشكل علمي مبسط.