بواسطة سيخ خشبي، قطرة ماء ومؤشر ليزر سوف نبني مجهرًا يعرض الصور على الجدار.
يُتيح لنا المجهر رؤية الأشياء الصغيرة التي لا يمكن للعين البشرية رؤيتها. في هذه التجربة، سوف نبني نسخة منزلية مبسطة من المجهر الذي يقوم بعرضِ معروضاته.
تتطلب التجربة إشراف شخصٍ بالغ.
المعدات
سيخ خشبي
مرطبان يحتوي على مياه غير نظيفة (يمكنكم جمع المياه من حديقة مائية، أو يمكنكم تحضيرها بواسطة إلقاء الوحل والأوراق الجافة في الماء، والانتظار لأيام معدودة).
مؤشر ليزر بسيط - انتبهوا إلى عدم النظر إلى شعاع الليزر بشكلٍ مباشر أو توجيه الشعاع نحو أعين الأشخاص الآخرين أو الحيوانات!
مسار التجربة
يمكنكم مشاهدة مسار التجربة في الفيديو التالي:
الشرح
لقطرة الماء صورة تشبه الكرة (تقريبًا)، لذلك يمكن استخدامها كعدسة بصرية - أيّ أنها تستطيع تغيير اتجاه الأشعة الضوئية التي تصطدم بها وتقوم بتجميعها أو نشرها. عادةً ما تنجح في جمع وتركيز أشعة الضوء التي تصطدم بها في النقطة الأقرب من طرف القطرة. يعرض الرسم التوضيحي التالي مسار الأشعة الضوئية، أي إلى أين تتجه بعد اصطدامها بالعدسة الكروية (من درس منكم قليلًا عن علم البصريات في المدرسة، سوف يلاحظ أنّ العدسة ذات الصورة الكروية تقوم بكسر الضوء بشكلٍ مغاير قليلًا عن العدسات الدقيقة الاعتيادية).
عملية انكسار أشعة الضوء في العدسة الكروية (مثل قطرة الماء) | رسم: آفي صايغ
يمكنكم أن تشاهدوا في الرسم التوضيحي بأن الأشعة الضوئية المتوازية التي تصطدم بالعدسة الكروية تميل إلى "الانكسار" (أي إلى تغيير الاتجاه) في زاوية كبيرة نسبيًا. ما يجعلها تتجمع/تلتقي في منطقة قريبة جداً من طرف القطرة (على الجانب الآخر)، والانتشار في جميع الاتجاهات أيضًا بعد الاصطدام بالقطرة، في زوايا انتشار كبيرة جداً.
استخدمنا مؤشر الليزر بدلًا من المصباح العادي في التجربة - وهو العامل الثاني (بالإضافة إلى قطرة الماء) الذي سوف يُمكننا من بناء المجهر. قوة الضوء الإجمالية الخاصة بمؤشر الليزر ليست كبيرة جدًا، في الواقع إنها أضعف من قوة المصباح العادي. لكن ما يميز شعاع الليزر، وهو ما يتلاءم مع هذه التجربة، هو أن شعاع الليزر مُركَّزٌ جدًا - لا ينتشر في جميع الاتجاهات مثل الأشعة التي من مصدر الضوء الطبيعي.
لذلك فإننا نستطيع توجيه شعاع الليزر مباشرةً نحو القطرة، ونحو القطرة فقط، بحيث تكون وحدها مضاءة فقط وليس أي جسم آخر. من المهم جدًا أن تكون الشاشة الموجودة خلفها غير مضاءة بشعاع الليزر بصورة مباشرة. هكذا نستطيع فقط مشاهدة أشعة الضوء التي تصطدم بالقطرة وتنكسر منها على الشاشة.
إذا كانت قطرة الماء تحتوي على أيّ شيء يحجب مسار أشعة الضوء، مثل مخلوق مجهري أو حتى اتساخ صغير، فإنه في الواقع سوف يُعيق مرور بعض أشعة الضوء المنتشرة ويلقي ظلًا ضخمًا على الشاشة الموجودة أمام القطرة، ومن ثمّ يمكننا رؤيته، كما هو موضح في الرسم التالي:
إلقاء ظل مُكبّر بواسطة جسم يوجد داخل قطرة الماء المضاءة بشعاع الليزر | رسم: آفي سايغ
هذا هو فعليًا مبدأ عمل "المجهر" الذي قمنا ببنائه في هذه التجربة.
من الجدير بالذكر
في ظل ظروف انعدام الوزن، كما في محطة الفضاء الدولية، لا تسقط قطرات الماء إلى أي مكان بالتأكيد، من الممكن صنع كرات ضخمة مثالية للمياه، والتي تستخدم بمنزلة عدسة كروية، كما هو موضح في الفيديو التالي الذي نشرته وكالة الفضاء الأمريكية ناسا.
لاحظوا أنّ صورة رائد الفضاء دون بيتيت تظهر في الجانب الآخر من القطرة. هذا هو الحال أيضًا مع الكرة البلورية، ومَن سنحت له الفرصة بالنظر إليها مرة واحدة فمن المؤكد أنه قد لاحظ ذلك. السبب في ذلك هو مسار انكسار الأشعة، كما يظهر في الرسم التوضيحي أعلاه؛ حيث تلتقي الأشعة الضوئية بالقرب من الكرة تمامًا، في الاتجاهات المعاكسة (ينكسر شعاع الضوء القادم من الأعلى نحو الأسفل والعكس صحيح)، وهكذا فإننا نرى صورة معكوسة في العدسة الكروية في كل مكان ننظر إليه تقريبًا.
أودّ شكر إيلي شلاف من مركز شفارتس رايسمان على مساعدته في وضع شرحٍ للتجربة.