الحيود ومحزز الحيود – الفصل الخامس – فيزياء

📘 الحيود (Diffraction)

❓ ما هو الحيود؟

الحيود هو:
انحناء أو انحراف الموجات (مثل الضوء) عند مرورها من فتحة ضيقة أو حافة حاجز، بحيث تنتشر خلف الحاجز أو الفتحة وتكوّن نمطًا مميزًا من الأهداب المضيئة والمظلمة.

🧪 أدوات التجربة:

1. لوح زجاجي
2. دهان أسود غير شفاف
3. دبوس دقيق الرأس
4. مصدر ضوء أحادي اللون (مثل ليزر صغير أو مصباح زئبقي بمرشح)

🔧 خطوات العمل (الإجراء):

1. نغطي اللوح الزجاجي بطبقة رقيقة من الدهان الأسود.
2. نحدث ثقوبًا صغيرة في الدهان باستخدام رأس الدبوس.
3. نسلط الضوء الأحادي اللون على اللوح الزجاجي من جهة الثقوب.
4. نلاحظ على الشاشة أو السطح المقابل ظهور نمط مميز من الحيود:
   • منطقة وسطى مضيئة جدًا.
   • يحيط بها مناطق مضيئة ومظلمة بشكل متناوب.
   • تقل شدة الإضاءة كلما ابتعدنا عن المركز.

📊 التحليل والتفسير العلمي:

• الضوء عند مروره من خلال الفتحة (أو الثقب) ينحني وينتشر.
• الموجات التي تخرج من أجزاء الفتحة تتداخل مع بعضها.
• يحدث:
  • تداخل بناء: مناطق مضيئة.
  • تداخل هدام: مناطق مظلمة.

✅ الاستنتاج:

ظهور الأهداب المضيئة والمظلمة يرجع إلى حيود الضوء وتداخله عند مروره من فتحة ضيقة أو حاجز.

📝 ملاحظات إضافية:

• الحيود أكثر وضوحًا عندما تكون أبعاد الفتحة مقاربة للطول الموجي للضوء.
• يستخدم الحيود في:
  • تحليل الطيف الضوئي.
  • تصميم العدسات الدقيقة.
  • صناعة أدوات البصريات (مثل المطياف).
• من أمثلة الحيود الطبيعية:
  • ألوان الريش وأجنحة الفراشات.
  • نمط الضوء خلف شعرة أو حافة رفيعة.

🖊️ رسم توضيحي مقترح:

• شعاع ضوء يمر من ثقب صغير.
• موجات منحنية تنتشر خلف الثقب.
• نمط من الأهداب المضيئة والمظلمة على شاشة.

🎯 شروط ملاحظة الحيود بوضوح:

• أن يكون عرض الفتحة قريبًا من الطول الموجي للموجة.
• أن يكون الضوء أحادي اللون.

🌈 نتائج الحيود:

• تكوّن نمط من أهداب مضيئة ومظلمة.
• الهدب المركزي أكثر سطوعًا.
• التداخل ناتج عن اجتماع موجات من الفتحة نفسها (وليس من مصدرين مختلفين كما في تجربة يونغ).

🧪 تجربة توضيحية للحيود:

• تسليط ضوء ليزر على شق ضيق واحد.
• ملاحظة نمط التداخل على شاشة خلفه.
• ظهور هدب مركزي ساطع وأهداب جانبية أقل سطوعًا.

🧮 قانون الحيود من شق مفرد:

$$a \sin \theta = m \lambda$$

• $a$: عرض الشق
• $\theta$: زاوية الحيود
• $\lambda$: الطول الموجي
• $m$: رتبة الهدب المظلم (1، 2، 3، …)

📗 ثانيًا: محزّز الحيود (Diffraction Grating)

❓ ما هو محزّز الحيود؟

هو أداة بصرية تتكون من عدد كبير من الشقوق الدقيقة المتوازية والمتقاربة جدًا محفورة على سطح زجاجي أو معدني.
يُستخدم لتحليل الضوء عن طريق التداخل الناتج من حيود الضوء عبر الشقوق.

⚙️ فكرة العمل:

• عندما يسقط ضوء أحادي اللون على محزّز الحيود:
  • يحدث حيود عند كل شق.
  • تتداخل الموجات الخارجة من الشقوق.
  • تتكون أهداب مضيئة عند زوايا معينة.

🧮 قانون محزّز الحيود:

$$d \sin \theta = m \lambda$$

• $d$: المسافة بين الشقوق (تُحسب من عدد الشقوق في المتر).
• $\theta$: زاوية ظهور الهدب.
• $m$: رتبة الهدب (0، 1، 2، …).
• $\lambda$: الطول الموجي للضوء.

إذا كان المحزّز يحتوي على $N$ شق لكل متر، فإن:

$$d = \frac{1}{N}$$

🧬 مزايا محزّز الحيود:

• يعطي أهدابًا حادة ودقيقة.
• يُستخدم لتحليل الضوء ومعرفة طيفه.
• دقته أكبر من المنشور الزجاجي.

🎯 تطبيقات محزّز الحيود:

1. تحليل الأطياف الضوئية (في الفيزياء والفلك).
2. قياس الأطوال الموجية للضوء.
3. في الأجهزة الطيفية والمطياف.
4. في تحليل ضوء النجوم والمجرات لتحديد تركيبها الكيميائي.

🔄 الفرق بين الحيود ومحزّز الحيود:

✅ خلاصة:

• الحيود يؤكد الطبيعة الموجية للضوء.
• محزّز الحيود يُستخدم للاستفادة من هذه الظاهرة في تحليل الضوء بدقة عالية.