البصريات هي فرع من فروع الفيزياء يتضمن دراسة الضوء وتفاعلاته مع المادة. وهو يشمل سلوك الضوء وخصائصه، بما في ذلك تفاعلاته مع المواد وبناء الأدوات التي تستخدمه أو تكتشفه. تعتبر البصريات أساسية للعديد من المجالات مثل علم الفلك والهندسة والتصوير الفوتوغرافي وعلوم الرؤية.
الضوء هو شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية. إنها تتصرف كموجة وكجسيم، وهو مفهوم يعرف باسم ازدواجية الموجة والجسيم. كموجة، يتميز الضوء بطوله الموجي ( \(\lambda\) ) وتردده ( \(f\) )، اللذين يرتبطان عكسيًا بسرعة الضوء ( \(c\) ) من خلال المعادلة \(c = \lambda \cdot f\) . كالجسيمات، يتكون الضوء من الفوتونات التي تحمل الطاقة.
الانعكاس هو العملية التي يرتد بها الضوء عن السطح. ينص قانون الانعكاس على أن زاوية السقوط ( \(\theta_i\) ) تساوي زاوية الانعكاس ( \(\theta_r\) ). يمكن التعبير عن ذلك كـ \(\theta_i = \theta_r\) .
الانكسار هو انحناء الضوء أثناء مروره من وسط إلى آخر بمعامل انكسار مختلف. يصف قانون سنيل هذه الظاهرة ويعطى بواسطة \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) ، حيث \(n_1\) و \(n_2\) هما معاملات الانكسار للوسائط و \(\theta_1\) و \(\theta_2\) هما زاويتا السقوط والانكسار، على التوالي.
العدسات والمرايا هي أجهزة بصرية تعالج الضوء من خلال الانعكاس والانكسار لتكوين الصور. العدسات هي أجسام شفافة ذات أسطح منحنية تكسر الضوء. اعتمادًا على شكلها، يمكنها أن تتقارب (تركيز أشعة الضوء) أو تتباعد (تنشر أشعة الضوء). الطول البؤري ( \(f\) ) للعدسة هو مقياس لمدى قوة تقارب الضوء أو تباعده ويتم حسابه باستخدام صيغة صانع العدسات \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) ، حيث \(n\) هو معامل الانكسار لمادة العدسة، و \(R_1\) و \(R_2\) هي نصف قطر انحناء أسطح العدسة.
المرايا ، من ناحية أخرى، هي أسطح عاكسة. يمكن أن تكون مسطحة (المرايا المستوية)، أو منحنية (المرايا الكروية). يمكن أيضًا أن تكون المرايا المنحنية إما متقاربة (مرايا مقعرة) أو متباعدة (مرايا محدبة). يتم تحديد البعد البؤري لمرآة كروية بواسطة \(f = \frac{R}{2}\) ، حيث \(R\) هو نصف قطر انحناء المرآة.
الحيود هو انحناء الضوء حول زوايا عائق أو فتحة. إنه يوضح الطبيعة الموجية للضوء ويكون أكثر وضوحًا عندما يكون حجم العائق أو الفتحة مشابهًا للطول الموجي للضوء. يمكن حساب نمط الحيود باستخدام الصيغة \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) ، حيث \(m\) هو ترتيب الحد الأقصى، \(\lambda\) هو الطول الموجي، و \(d\) هو عرض الشق.
التداخل هو ظاهرة تتراكب فيها موجتان أو أكثر لتشكل موجة ناتجة ذات سعة أكبر أو أقل أو بنفس السعة. يحدث التداخل البناء عندما تكون الموجات في الطور، مما يؤدي إلى الحد الأقصى في السعة، بينما يحدث التداخل الهدام عندما تكون الموجات خارج الطور، مما يؤدي إلى الحد الأدنى. يمكن وصف نمط التداخل من شقين بواسطة \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) ، حيث \(\Delta y\) هي المسافة بين الأطراف المضيئة، \(L\) هي المسافة إلى الشاشة، و \(d\) هي المسافة بين الشقين.
يشمل الطيف الكهرومغناطيسي جميع أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي. الضوء المرئي هو مجرد جزء صغير من الطيف ويحيط به ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) من جانب والأشعة تحت الحمراء (IR) من الجانب الآخر. ويتراوح الطيف من أشعة جاما ذات الأطوال الموجية القصيرة جدًا إلى موجات الراديو ذات الأطوال الموجية الطويلة جدًا. لكل نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي استخداماته، بدءًا من التصوير الطبي (الأشعة السينية) وحتى الاتصالات اللاسلكية (موجات الراديو).
للبصريات العديد من التطبيقات في مختلف المجالات. في الطب، تتيح الأدوات البصرية مثل المجاهر والمناظير إجراء فحص تفصيلي للأنسجة. في الاتصالات، تستخدم الألياف الضوئية مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي لنقل المعلومات على شكل نبضات ضوئية عبر مسافات طويلة. في الحياة اليومية، تساعدنا الكاميرات والنظارات والعدسات اللاصقة على التقاط الصور وتصحيح الرؤية ورؤية العالم بشكل أكثر وضوحًا.
وفي الختام، فإن مجال البصريات يلعب دورا حاسما في فهم سلوك الضوء وتفاعله مع المادة. فهو يدمج مفاهيم الفيزياء الأساسية مع التطبيقات العملية، مما يؤثر بشكل كبير على التكنولوجيا والعلوم وحياتنا اليومية.
