نشاط عملي يوّضح طريقة صنع مقياس الطيف

2011 الضوء واللون

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مقياس الطيف طريقة صنع مقياس الطيف الفيزياء

الأهداف:

1- إثبات أن الضوء ينتقل على شكل موجات.

2- استخدام جهاز قياس الطيف لصنع الطيف.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– علبة أحذية من الكرتون

– مقص

– شريط لاصق

– ورق أشغال

– شبك ناعم

– عدسة

– مصباح جيب

– أقلام تلوين

– ورق أبيض

– صلصال اللعب

 

خطوات العمل:

1– اصنع فتحة بواسطة المقص على شكل مربع بطول ضلع بوصتين (5 سم) في طرفي علبة الأحذية.

الصق قطعتين من ورق الأشغال فوق إحدى الفتحتين، بحيث تلامس هاتان القطعتان بعضيهما تقريباً مع ترك شق عمودي يسمح لشعاع من الضوء فقط بالدخول إلى العلبة.

2- قص ثلاث قطع من شبك النافذة بقياس الفتحة وضع هذه القطع فوق بعضها بشكل غير متطابق بحيث تسد فتحات بعضها البعض جزئياً ثم ضعها جميعها على فتحة العلبة وانظر من خلالها نحو الضوء. قم بتدويرها إلى أن ترى الألوان، ثم الصقها في المكان.

3- ضع الغطاء على العلبة. أصبح لديك الآن مقياس للطيف. سلط ضوءاً على الفتحة وامسك بالعدسة أمام الشبك. ضع الورقة البيضاء على الطاولة – ينبغي أن يظهر الطيف عليها.

4- بإمكانك تثبيت العدسة في مكانها بواسطة قطعة من صلصال اللعب، بينما تقوم بنسخ الطيف على الورقة البيضاء بأقلام التلوين.

 

حاول أن تنتج طيفاً من مصادر ضوئية أخرى، مثل المصباح الملون أو مصباح الشارع أو شاشة الحاسوب المحددة على لون معين.

وكي تحلل ضوء النجوم انظر من خلال شبك النافذة وأنت تمسك بالعلبة باتجاه مجموعة من النجوم الساطعة.

لا تنظر أبداً عبر جهاز قياس الطيف إلى الشمس بهذه الطريقة إذ إن مثل هذا الأمر سيلحق الأذى بعينيك.

 

هناك طرق أخرى تستطيع من خلالها أن تحصل على معلومات حول عملية حيود الضوء من دون استخدام مقياس الطيف أو أداة محززة الحيود، كما يمكنك أيضاً أن ترى تأثير الحيود من خلال قلمي رصاص ومصباح جيب.

استخدم النوع الذي يمكن فك قسمه العلوي لكشف لمبة المصباح. ضع المصباح على الطاولة بعد فك الجزء العلوي وكشف اللمبة.

اربط القلمين معاً بواسطة خيط أو حلقة مطاطية ولكن ضع قطعة من الشريط اللاصق أو الكرتون بين القلمين بحيث تصنع شقاً صغيراً بينهما.

 

أمسك القلمين أمام ضوء مصباح الجيب وانظر من خلال الشق. سترى خطاً من الضوء في زوايا قائمة مع الشق.

اضغط على القلمين معاً وسترى أن الضوء سيخفت. وقبل أن يختفي الضوء كلياً سترى بقعاً ضوئية ساطعة وقاتمة تظهر على الخط بمحاذاة لمبة مصباح الجيب.

إن هذه الأشكال سببها حيود الضوء أثناء مروره عبر الشق أما الحزم الضوئية القاتمة فهي ذات أهداب حمراء وزرقاء، وسببها انفصال اللون الأبيض إلى ألوان أخرى.

 

ما العمل إن لم يظهر الطيف؟

في مثل هذه الحالة حاول أن تدير الشبك ربع دورة. وقد يساعدك أيضاً أن تقوم بإلصاق غطاء علبة الأحذية من أطرافها كي تتجنب أي تسرب للضوء إلى داخل العلبة.

وإذا لم تحصل على الطيف رغم هذه المحاولات قم بزيادة عرض الشق قليلاً أو استخدام ضوء بسطوع أشد، كما أن إسدال الستائر وإطفاء الأنوار قد يساعدك على حل المشكلة.

 

تحليل النشاط:

ماذا يمكن أن نتعلم من ألوان الطيف التي تظهر على مقياس الطيف؟ هل تصدّق أن الفلكيين يستطيعون تحديد الذرّات التي تحويها النجوم وهي على مسافة مليارات السنين الضوئية عنا من خلال مقياس الطيف؟

ليس هذا وحسب، بل إنهم يستطيعون تحديد سرعة أي نجم يتحرك من خلال لون الضوء الصادر عن ذلك النجم.

ينبعث الضوء بواسطة الذرّات – تلك الجسيمات الدقيقة التي تتكوّن منها جميع أشكال المادة. وكي نفهم كيف تقوم الذرّات بإنتاج الضوء ينبغي أن يكون لدينا إلمام ببنية الذرّة. لكل ذرّة مركز (نواة) ومحيط.

 

ويكون محيط الذرّة في أغلب الأحيان خالياً، لكنه يحوي أيضاً جسيمات دقيقة تسمى الإلكترونات التي تدور حول النواة بصورة مستمرة.

وعندما يصطدم الضوء بالذرّة، "تُستثار" الإلكترونات وتمتص الطاقة من الضوء وتبتعد عن نواة الذرّة، ثم تعود إلى موقعها السابق وتحرر طاقة على شكل ضوء، (أو أي أشعة كهرومغناطيسية أخرى).

يتوقف لون الضوء الذي تطلقه الذرّة (عند عودتها إلى وضع الاستقرار) على المسافة التي استثيرت إليه، فإذا استثير الإلكترون إلى مسافة بعيدة عن النواة، فإن الذرّة تطلق ضوءاً ذا طاقة عالية.

 

ويكون لهذا اللون طول موجي قصير، وهذا يعني أن اللون يكون قريباً من الطرف الأزرق من الطيف.

أما إذا كان مستوى استثارة الإلكترون على مسافة قصيرة، فإن الذرّة (عند عودتها) عندئذٍ تطلق ضوءاً منخفض الطاقة، ويكون ذا موجة طويلة ويقع قريباً من الطرف الأحمر من الطيف.

ولأن أنواعاً مختلفة من الذرّة تحتوي على ترتيب مختلف للإلكترونات فإن كلاً منها ينتج أشكالاً خاصة بها، تميّز نطاق ألوانها عند تحريرها للضوء.

 

وعلى سبيل المثال، تطلق ذرّات الصوديوم ضوءاً أصفر. وباستطاعتك اكتشاف ذلك بنفسك.

استخدم مقياس الطيف كي تكوّن طيفاً من مصابيح الصوديوم المستعملة في إنارة الشوارع (الضوء الأصفر أو البرتقالي)، فبدلاً من أن ينتج طيفاً كاملاً من الألوان، ستلاحظ أن مقياس الطيف ينتج خطاً رفيعاً أصفر اللون.

إن الذرّات لها خاصية امتصاص ألوان محددة أيضاً، وعندما يدرس الفلكيون ضوء النجوم بواسطة مقياس الطيف فإنهم يجدون خطوطاً سوداء في أماكن من الطيف يتوقعون أن يروا فيها ألواناً.

 

وسبب هذه الخطوط السوداء هو الذرّات الموجودة في الغلاف الجوي للنجم الذي يقوم بامتصاص ضوءٍ ذي ألوان محددة، ما يؤدي إلى حجب تلك الألوان عن الوصول إلى الأرض.

ويستدل الفلكيون من موقع الخطوط السوداء إلى أنواع الذرّات الموجودة في النجوم بصورة دقيقة لا يقتصر الضوء المنبعث من النجوم على تزويدنا بمعلومات حول نوع الذرّات التي تحتويها هذه النجوم وحسب، وإنما يمكن أن نتعرف من خلاله على حركة تلك النجوم.

إن الموجات الضوئية المنبعثة من النجوم يمكن أن تتمدد أو تتقلص إذا كان النجم يتحرك بسرعة بالطريقة نفسها التي يتصرف فيها الصوت الصادر عن دراجة نارية، فعندما تمر الدراجة النارية مندفعة بسرعة، تصدر موجة صوتية منخفضة.

 

ويحدث هذا لأن الموجات الصوتية تُضغط معاً أثناء اقترابها منا، ثم تتمدد متفرقةً أثناء ابتعادها عنا.

تتميز الموجات الصوتية ذات الطول الموجي القصير بدرجة صوتية عالية، بينما تكون درجة الصوت في الموجات ذات الطول الموجي الطويل منخفضة.

ويُظهر ضوء النجوم تأثيراً مماثلاً لهذا، غير أنه يختلف من حيث اللون وليس درجة الصوت. ويطلق علماء الفلك على هذا الأثر مصطلح "الإزاحة الحمراء".

 

محزّزة الحُيود

بإمكانك استعمال محزّزة حُيود من النوع التجاري بدلاً من شبك النافذة إذا رغبت.

اطلب من أحد الكبار شراءها لك، علماً أن هذه الأداة تُباع في مراكز الأدوات العلمية أو المتاحف العلمية، وقد يقوم مدرس العلوم بإعارتك هذا الجهاز.

 

الإزاحة الحمراء

يتمدد الشكل الموجي للضوء المنبعث عن أحد النجوم التي تتحرك بعيداً عن كرتنا الأرضية.

فيبدو لنا الطول الموجي أكبر وضوءه أكثر حُمرةً، أو «انزاح إلى الأحمر» (تحوّل إلى الأحمر).

في عام 1929 لاحظ العالم الفلكي الأمريكي إدوين هابل (1889 – 1953) أن المجرات الأكثر بعداً كانت تنتج ضوءاً «مزاح طوله الموجي إلى الأحمر».

أظهر هذا الاكتشاف المهم أن الكون بأكمله لابدّ أنه يتمدد بسرعة استثنائية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]