فيديو السؤال: شرح رؤية حزمة الليزر الفيزياء

يوضح الشكل حزمة تنبعث من مصدر ضوء ليزر أخضر. الحزمة موضحة من منظور عمودي على طولها. أي من الآتي يفسر بصورة صحيحة سبب ظهور حزمة الضوء الأخضر على أنها تتكون من الكثير من الجسيمات النقطية؟ [أ] تنتج الحزمة موجة طولية. [ب] تنتج الحزمة نمط تداخل مكونًا من مناطق مضيئة ومناطق مظلمة. [ج] الجسيمات النقطية الظاهرة إلكترونات منفردة ناتجة عن تأين الهواء بواسطة حزمة الليزر. [د] ينتقل معظم الضوء المنبعث موازيًا للحزمة، وتتشتت فقط بعض الأشعة بصورة كافية لتنتقل عموديًّا على اتجاه الحزمة. [هـ] الجسيمات النقطية الظاهرة فوتونات منفردة في الحزمة، وشدة الحزمة قليلة للغاية؛ بحيث يكون هناك مسافات كبيرة بين الفوتونات المنفردة.

٠٦:١٩

‏نسخة الفيديو النصية

يوضح الشكل حزمة تنبعث من مصدر ضوء ليزر أخضر. الحزمة موضحة من منظور عمودي على طولها. أي من الآتي يفسر بصورة صحيحة سبب ظهور حزمة الضوء الأخضر على أنها تتكون من الكثير من الجسيمات النقطية؟ (أ) تنتج الحزمة موجة طولية. (ب) تنتج الحزمة نمط تداخل مكونًا من مناطق مضيئة ومناطق مظلمة. (ج) الجسيمات النقطية الظاهرة إلكترونات منفردة ناتجة عن تأين الهواء بواسطة حزمة الليزر. (د) ينتقل معظم الضوء المنبعث موازيًا للحزمة، وتتشتت فقط بعض الأشعة بصورة كافية لتنتقل عموديًّا على اتجاه الحزمة. (هـ) الجسيمات النقطية الظاهرة فوتونات منفردة في الحزمة، وشدة الحزمة قليلة للغاية؛ بحيث يكون هناك مسافات كبيرة بين الفوتونات المنفردة.

لدينا هنا خمسة خيارات للإجابة. ولكي نتمكن من رؤيتها جميعًا في الوقت نفسه، دعونا نفرغ بعض المساحة في الجزء العلوي من الشاشة ثم نكتب نسخًا مختصرة من الخيارات (أ) و(ب) و(ج). ينص الخيار (أ) في الأساس على أن الحزمة موجة طولية. وينص الخيار (ب) على أن حزمة الليزر تنتج نمط تداخل مكونًا من مناطق مضيئة ومناطق مظلمة. يمكن تلخيص الخيار (ج) بالقول إن المناطق المضيئة التي نراها في هذا الشكل إلكترونات منفردة ناتجة عن تأين الهواء بواسطة حزمة الليزر.

الآن وقد صرنا قادرين على رؤية جميع خيارات الإجابة، دعونا نفكر في الشكل المعطى. علمنا من معطيات المسألة أن لدينا مصدر ضوء ليزر أخضر يبعث حزمة تتحرك نحو اليمين. بعبارة أخرى، عندما ننظر إلى هذه الصورة، فإننا ننظر إليها عموديًّا على اتجاه الحزمة. هذا الجزء مهم. فعندما تنبعث الفوتونات بواسطة الليزر، لا يكون لها الطور نفسه فحسب، ولكنها تتحرك في الاتجاه نفسه أيضًا. هذا يعني أنه إذا كانت أعيننا موجودة هنا، وهي الطريقة التي سننظر بها إلى هذه الحزمة، ونظرنا إليها عموديًّا، فإن الفوتونات الموجودة في الحزمة ستمر أمام أعيننا دون أن تصل إليها. وإذا لم تصل الفوتونات المنبعثة من الحزمة إلى أعيننا، فإن الحزمة تكون غير مرئية بالنسبة لنا.

إذا كانت حزمة الليزر هذه تتحرك عبر الفراغ ونظرنا إليها عموديًّا، فلن نرى أي شيء. لكن في هذه الحالة، فإن الحزمة لا تتحرك عبر الفراغ. فهي تتحرك عبر الهواء. لذا، توجد جسيمات يمكن أن تصطدم بها الفوتونات المنبعثة من الحزمة، ثم تتشتت بعيدًا عنها.

لنفترض أن هذا الجسيم هو جسيم هواء موجود في مسار الحزمة. يمكن أن تتشتت الفوتونات المنبعثة من الحزمة في أي اتجاه تقريبًا بعيدًا عن هذا الجسيم. وهذه هي العملية التي تمكننا من رؤية كل هذه النقاط الخضراء الصغيرة. فهذه هي المواضع التي شتتت فيها الفوتونات جسيمات الهواء، وقد تشتتت في الاتجاه الصحيح تمامًا الذي يجعل تلك الفوتونات المشتتة تصل إلى أعيننا. وكلما زاد تشتت الفوتونات، زاد احتمال وصولها إلى أعيننا. ولكن في ظل كثافة الهواء هذه، ومع حدوث هذا القدر الكبير من التشتت، نلاحظ أنه لا يصل إلى أعيننا سوى بضع عشرات من الفوتونات. أما بقية الفوتونات فتتحرك في اتجاه الحزمة الأصلي أو تتشتت في اتجاه آخر لا تستطيع أعيننا رؤيته.

بالتفكير في خيارات الإجابة، بما أننا نعرف أن هذه النقاط الخضراء هي في الواقع فوتونات منبعثة من الحزمة الأصلية، فهذا يعني أنها ليست إلكترونات منفردة. إذن، سنستبعد الخيار (ج). يشير الخيار (ب) إلى أن الحزمة هي نمط تداخل. لكن لكي يحدث التداخل، يجب أن يكون هناك أكثر من حزمة. فلا يمكن أن تتداخل هذه الحزمة مع نفسها دون تقسيم وإعادة توصيل متعمدين لمسارها. إذن، سنستبعد الخيار (ب) أيضًا.

ينص الخيار (أ) على أن الحزمة موجة طولية. لكن بما أن هذه حزمة من أشعة الليزر، أي موجة كهرومغناطيسية، يمكننا تذكر أن الضوء لا ينتقل في صورة موجة طولية، بل موجة مستعرضة. إذن، سنستبعد الخيار (أ). بالنظر إلى الخيار (هـ)، نجد أن هذا الخيار ينص على أن الجسيمات النقطية التي نراها، أي هذه النقاط الخضراء الصغيرة، هي فوتونات منفردة في الحزمة. هذا صحيح، لكن هذا الخيار لا يوضح أن هذه الفوتونات مشتتة. بعبارة أخرى، يشير الخيار (هـ) إلى أن هذه الفوتونات المنفردة كلها لا تزال تتحرك نحو اليمين. لكن، إذا كان الأمر كذلك، فلن تصل هذه الفوتونات إلى أعيننا. ومن ثم، ستكون غير مرئية بالنسبة لنا.

من الممكن بشكل عام أن تكون حزم الليزر ذات شدة أقل أو أعلى. هذا يعتمد على وجود عدد أقل أو أكبر من الفوتونات داخل حيز معين من الحزمة. ويمكن أن تحتوي حزمة ليزر معينة على مثل هذا العدد القليل من الفوتونات. ومع ذلك، إذا نظرنا عموديًّا إلى هذه الحزمة التي تحتوي على عدد قليل من الفوتونات، كما هو الحال هنا، فلن نتمكن من رؤية أي من تلك الفوتونات. في هذه الحالة، يجب أن تنعكس الفوتونات عن شيء ما لكي تصل إلى أعيننا. لهذا سنستبعد الخيار (هـ) أيضًا.

إذن، الخيار (د) هو الخيار الصحيح. ينتقل معظم الضوء المنبعث من مصدر الليزر موازيًا للحزمة. وتتشتت فقط بعض الأشعة لتنتقل عموديًّا على اتجاه الحزمة وبهذا تستطيع العين رؤيتها.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.