بصريات

يصف عِلْم البَصَرياتِ أو علم المَناظِرِ^[1] سلوك الطيف المرئي، تحت الأحمر، فوق البنفسجي، بشكل مجمل معظم الأمواج الكهرمغناطيسية والظواهر المشابهة مثل الأشعة السينية، الأمواج الميكروية، الأمواج الراديوية وغيرها من أنواع الأمواج والإشعاع الكهرومغناطيسي. لذا تُعْتَبَر البصريات أحياناً فرعاً من الكهرومغناطيسية. تعتمد بعض الظواهر البصرية على ميكانيكا الكم لكن الغالبية العظمى من الظواهر البصرية يمكن شرحها وتفسيرها بناء على الوصف الكهرطيسي للضوء الذي تحدده بدقة قوانين ماكسويل.

بشكل كبير تعتبر البصريات حقل دراسي مستقل عن بقية فروع واختصاصات الفيزياء بحيث يملك كياناً مستقلاً وجمعيات علمية خاصة ومؤتمرات خاصة، تدعى النواحي العلمية البحتة من البصريات فيزياء بصرية اما النواحي التطبيقية فتدعى هندسة بصرية.

تاريخياً يعتبر العالم العربي ابن الهيثم (965-1039) مؤسس علم بصريات بكتابه الفريد المناظر، وهو الذي قام بتوصيف آلية الإبصار العين كجسم مستقبل للضوء فحسب، مخالفاً نظرية بطليموس الذي اقترح أن العين تصدر الضوء أيضاً.

أهم تطبيقات علم البصريات اليوم في المجال التكنولوجيا هي الألياف البصرية لنقل البيانات وأشعة الليزر.

تاريخ

عدسة النمرود

بدأت البصريات مع تطور العدسات من قبل قدماء المصريين وبلاد ما بين النهرين. وكانت أولى العدسات مصنوعه من الكريستال المصقول، وغالبا الكوارتز،كما تم في وقت مبكر من التاريخ (700 ق.م) عمل عدسات مثل عدسة النمرود في بلاد آشور قديماً، كما كان الرومان القدماء والإغريق يصنعون عدسات بدائية عن طريق ملئ الزجاجات بالماء. تلت هذه التطورات، تطوير نظريات الضوء والرؤية من الفلسفة اليونانية والهندية، ثم تطورت البصريات الهندسية عند اليونان والرومان.

نظرية ابن سهل

خلال العصور الوسطى، كانت الأفكار اليونانية حول مأخوذه من العالم الإسلامي. وكان أول المسلمين هو يعقوب بن إسحاق الكندي والذي كتب في موضوع الأفكار الأرسطية والبصريات الإقليدية، والعالم المسلم الفارسي إبن سهل كتب أطروحة حول المرايا والعدسات وضع واكتشف ابن سهل أول قانون انكسار، وقد استخدم القانون لاستخلاص أشكال العدسات التي تركز الضوء من غير انحراف.

وفي أوائل القرن الحادي عشر كتب ابن الهيثم كتب في البصريات كتاب المناظر والذي بحث في الانعكاس والانكسار، واقترح نظاماً جديداً لشرح الرؤية والضوء اعتماداً على الملاحظة والتجربة، ورفض نظرية الانبعاث، ووضع بدلاً من ذلك فكرة أن الضوء المنعكس في كل الاتجاهات في خطوط مستقيمة من جميع نقاط الجسم تظهر ويتم مشاهدتها ومن ثم تدخل العين، على الرغم من انه لم يتمكن من شرح آلية صحيحة لكيفية التقاط العين للأشعة. تم تجاهل إلى حد كبير عمل ابن الهيثم في العالم العربي ولكن تم ترجمتها بشكل مجهول إلى اللاتينية حوالي 1200 وتلخيص المزيد ووسعت من قبل الراهب البولندي ويتلو.

غلاف أول نسخه من بصريات نيوتن

في منتصف القرن السابع عشر كتب الفيلسوف رينيه ديكارت بعض النظريات البصرية، والتي أوضحت مجموعة متنوعة من الظواهر البصرية بما في ذلك الانعكاس والانكسار وهذا يختلف تماماً عن نظرية الانبعاث اليونانية القديمة. وفي (أواخر العقد 1660 وأوائل العقد 1670) وسع نيوتن أفكار ديكارت في نظرية جسيمية الضوء الشهيرة والتي تظهر أن الضوء الأبيض مزيج مركب من الألوان المختلفة والتي يمكن فصلها بالمنشور.

البصريات الكلاسيكية

تنقسم البصريات الكلاسيكية إلى فرعين رئيسيين: البصريات الهندسية والبصريات الفيزيائية.

البصريات الهندسية

انعكاس وانكسار أشعة الضوء

البصريات الهندسية، أو أشعة البصريات، ويصف انتشار الضوء من حيث «الأشعة» التي تتجه في خطوط مستقيمة، ومسارات تخضع لقوانين الانعكاس والانكسار. تم اكتشاف هذه القوانين تجريبيا بقدر ما يعود إلى عام 984، واستخدمت من ذلك الحين وحتى اليوم في تصميم أدوات ومكونات بصرية. ويمكن تلخيصها على النحو التالي:

عندما يصطدم شعاع من الضوء بين مادتين شفافتين، ينقسم إلى انعكاس وشعاع منكسر.

قانون الأنعكاس يقول أن انعكاس الأشعة يكمن في زاوية السقوط، وأن زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط.

قانون الأنكسار يقول أن انكسار الأشعة يكمن في زاوية السقوط، وجيب زاوية الانكسار مقسوما على جيب الزاوية الإصابة هو ثابت.

\frac{\sin θ_{1}}{\sin θ_{2}} = n

حيث n هو ثابت لأي مادتين ولون معين من الضوء. كما هو معروف في معامل الانكسار.

ويمكن اشتقاق قوانين الأنعكاس والأنكسار من مبدأ فيرما الذي نص على أن تتخذ مسار بين نقطتين من قبل شعاع الضوء هو المسار الذي يمكن اجتيازه في أقل وقت.

الضوء المرئي

يمكن تعريف هذا المدى من طيف الموجات الكهرومغناطيسية بأنه ذلك الطيف الذي يمكن أن يؤثر في العين فتحس الرؤية ويبدأ المدى باللون البنفسجي وينتهى ياللون الأحمر ونظراً لأن حساسية العين تختلف باختلاف طول موجه الأشعة الضوئية المستقبلة فهي قادرة على التمييز بين الألوان المختلفة وتكون حساسية العين أكبر ما يمكن عند الطول الموجي الذي يقع بين الأخضر والأصفر وتقاس أطوال الموجات الضوئية بوحدات صغيرة جداً مثل الميكرومتر والنانومتر والأنجستروم.

مواضيع البصريات التقليدية

رسوم متحركة توضح مفهوم تشتت الضوء في المنشور

مواضيع البصريات الحديثة

حقول البصريات الأخرى

انظر أيضاً

جمعيات

جمعية البصريات الأمريكية

المراجع

^ اسمه في التراث العربي «علم المناظر»نسخة محفوظة 04 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.

بصريات في المشاريع الشقيقة:

[1] اسمه في التراث العربي «علم المناظر»نسخة محفوظة 04 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.

[1]