1. الضوء والإشعاع

الفوتونات (4 \ 4)

كيف لنا القدرة على رؤية اللون؟ وهناك ثلاثة أنواع من مستقبلات الضوء تدعى الأقماع توجد على الشبكية في العين البشرية التي تمكننا من رؤية اللون خلال النهار.

هناك ما يسمى الخلايا المخروطية الزرقاء بالإنجليزية S-cones (أو خلايا الطول الموجي القصير) تميز الضوء الأزرق بأعلى حساسية عند 420 نانومتر. و الخلايا المخروطية الخضراء بالإنجليزية M-cones (أو خلايا الطول الموجي المتوسط) تميز الضوء الأخضر بأعلى حساسية عند 535 نانومتر. و الخلايا المخروطية الحمراء بالإنجليزية L-cones (أو خلايا الطول الموجي الطويل) و هي المسؤولة عن رؤية اللون الأحمر على الرغم من أن حساسيتها القصوى تقع في مكان ما بالمنطقة الصفراء عند حوالي 560 نانومتر.

إستجابة خلايا العين المخروطية S و M و L التي تعتبر حساسة للألوان الأزرق و الأخضر و الأحمر مرسومة بالنسبة للطول الموجي لضوء محفز. تم تطبيع المنحنيات لتقابل القيمة 1 كقيمة إستجابة قصوى للطول الموجي. في واقع الأمر إن الخلايا المخروطية الزرقاء أقل حساسية من الخلايا المخروطية الخضراء و الحمراء. هذه المنحنيات نمطية حيث أن الإستجابة القصوى عند الأطوال الموجية تتفاوت بين القياسات الفردية.

في نموذج الفوتون يوزع الضوء على مختلف الخلايا المخروطية بالإعتماد على طاقة الفوتونات. من خلال تفاعل كيميائي، تنتج الفوتونات الممتصة من قبل الخلايا المخروطية إشارات كهربائية والتي ترسل عن طريق العصب البصري إلى الدماغ. يستقبل الدماغ الإشارات و يفسرها وفقا لنوع الخلية المخروطية، و بالتالي تنتج معنى اللون الذي نتصوره.

وهكذا، فإن عين الإنسان لا ترى، و بالتالي لا يمكنها أن تفسر الأطوال الموجية للضوء كألوان. فالأنواع الثلاثة من الخلايا المخروطية تسمح فقط بعمل ثلاث قنوات لون و التي تغطي مناطق واسعة نسبيا في منطقة الطيف المرئي. الإشارات من كل أطياف اللون يتم تجميعها في هذه القنوات. و هذا يجعل الألوان الفسيولوجية التي تراها العين مختلفة عن ألوان الطيف المادية كما يتضح من الرسم أعلاه. على سبيل المثال، لا تستطيع العين البشرية تصور اللون المادي ‘الأصفر’ مباشرةوالذي يعبترأحادي اللون و له طول موجة 560 نانومتر، ولكن يجب أن تنتجه من خلال الجمع بين الإشارات التي بعثت من قبل الخلايا المخروطية الخضراء و الحمراء.

الرؤية في الظلام ↓ ↑

إن المستقبلات الأخرى على شبكية العين، و تسمى الخلايا النبوتية، تمكننا من أن نرى في ضوء معتم. وهي أكثر حساسية حوالي 100 مرة من الخلايا المخروطية و التي تثبت فائدة الرؤية في الليل. ومع ذلك فإنه لا يوجد سوى نوع واحد من الخلايا النبوتية، و أعلى حساسية له للضوء تقع عند 510 نانومتر. و بالتالي فإن الخلايا النبوتية لا تمكننا من رؤية الألوان.

The spectral luminosity functions of day vision (photopic) with cones and night vision (scotopic) with rods are shown in the graph below.

Luminosity functions of day and night vision, normalised to a value of 1 at their peak response wavelength.

الآن، كيف يمكننا تعريف الطاقة و الكثافة؟ في نموذج الفوتون، طاقة الفوتون هي:

مع ثابت Planck و تردد الضوء h و f. كنا قد رأينا أن طاقة الفوتون ضرورية للتفاعلات الكيميائية عند وقوعها، على سبيل المثال عندما تدرك الخلايا المخروطية في العين الألوان، و كذلك عند إطلاق إلكترونات من سطح المعدن والتي نشير إليها على أنها ظاهرة كهروضوئية. إن الطول الموجي للضوء ليس ذو صلة، كما أنه ليس ضمن معادلة طاقة الفوتون.

ما يحدث عندما ينتقل الضوء من خلال الهواء إلى مادة شفافة أخرى مثل الزجاج أو الماء؟ ينكسر الضوء و ينعكس جزئيا. أما لونه فلا يتغير في المواد أخرى. كما أن طاقة الفوتونات لا تتغير أيضا. وبذلك فإن لون الضوء مرتبط بطاقة فوتوناته!

كنتيجة تم الحصول عليها في هذا الفصل عن الموجات الكهرومغناطيسية، كنا قد علمنا بوجود علاقة بين سرعة الضوء و التردد و طول الموجة كالتالي

في النموذج الموجي، إن طاقة الفوتون - كما هو مبين في المعادلة المذكورة أعلاه - مرتبطة بتردد الضوء f. تبقى طاقة الفوتونات ثابتة في مختلف المواد الشفافة، و بالتالي فإن هذا ينطبق أيضا على التردد. حيث أن سرعة الضوء c في المواد الشفافة أقل من سرعة الضوء في الفراغ c_o، و يتبعه أن:

حيث أن λ هي الطول الموجي في المادة الشفافة و λ_o هي الطول الموجي في الفراغ. إن الطول الموجي للضوء لا يبقى ثابت عندما ينتقل الضوء إلى وسط شفاف بل أنه ينخفض بنفس درجة إنخفاض سرعة الضوء.

ومن هنا فإنه ليس من الدقة تحديد الألوان بإستخدام الطول الموجي للضوء! و بدلا من ذلك سيكون من الصواب إستخدام طاقات الفوتون أو الترددات! و مع ذلك فإننا نستخدم دائما في لغة الحياة اليومية الطول الموجي.

ضمن نموذج الموجة حصلنا على النتيجة نفسها في الملحق رقم 4 بعد حسابات أكثر تعقيدا.