كيف تُحَوِّل، باستخدام العلم، السِّناج الأسود إلى فضة!

مفاهيم أساسية

الفيزياء

الضوء

الانعكاس

الرؤية

مقدمة

لعلك سمعت مقولة “ليس كل شيء كما يبدو”. قد يبدو لك شيءٌ ما عظيمًا من بعيد، ولكن عندما تنظر إليه عن قرب يتضح أنه ليس كما تصورت! في هذا النشاط ستجعل ملعقةً عليها طبقة سوداء من السناج تتحول إلى فضة ناصعة. ومع أنها ليست سوى خدعة بصرية، فلن تكتشف الأمر عندما تراها. جرب بنفسك!

معلومات أساسية

كيف نرى الأشياء؟ تعتمد الرؤية على الضوء؛ فمن دون الضوء لن يكون باستطاعتنا رؤية أي شيء. ينتقل الضوء على هيئة موجات تصل إلى أعيننا، التي ترسل إشاراتٍ إلى المخ، الذي يترجم هذه الإشارات بدوره إلى معلومات مثل اللون أو المكان أو مظهر الجسم الذي ننظر إليه. عندما تسقط موجات الضوء على جسم، فإنها تتفاعل معه بعدة طرق؛ فقد تنعكس هذه الموجات كما في حالة انعكاسها عن المرآة، وقد تُمْتَص، وهو ما يعني أن يحتجزها الجسم الذي تسقط عليه، وقد تنفذ وتمر من خلال الجسم، وقد تتشتت وتحيد في اتجاهات مختلفة. وفضلًا عن ذلك، يمكن أيضًا للضوء الذي يمر عبر جسم شفاف مثل الهواء، أو الماء أو الزجاج أن ينكسر، بمعنى أن موجات الضوء تنحني عندما تمر من مادة شفافة إلى أخرى. ولولا هذا الانحناء للضوء الذي يحدث بسبب انكساره ما كان في استطاعتنا استخدام العدسات أو النظارات المكبرة.

يعتمد تفاعُل الضوء مع الأجسام التي يسقط عليها في المقام الأول على خصائص مادة تلك الأجسام. فالأجسام التي تمتص معظم الضوء تبدو قاتمةً أو معتمة. وإذا سقط الضوء على سطح أملس للغاية، فإنه يمكن أن ينعكس ويرتد عن سطح هذه المادة. ومن الأمثلة على ذلك سطح المرآة الأملس، الذي يعكس الضوء بزاوية تساوي زاوية سقوط موجة الضوء الواردة. وهذا هو تفسير رؤيتنا لأنفسنا في المرآة؛ فالصورة المنعكسة عن السطح المستوي هي صورة مستنسخة. تعكس الأسطح الخشنة الضوء أيضًا، لكنها تعكسه في أكثر من اتجاه. تتشتت موجة الضوء الساقطة على السطح الخشن في كل الاتجاهات لأن السطح غير منتظم. في هذا النشاط ستشاهد بنفسك كيف يمكن لسطح مادةٍ ما أن يحدد طريقة تفاعُل الضوء مع هذه المادة. ستدهشك النتيجة؛ لأن الجسم ذاته يمكن لمظهره أن يختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الضوء!

أدوات التجربة

• شخص بالغ ليساعدك
• شمعة
• أعواد ثقاب (كبريت) أو قداحة (ولاعة)
• ملعقتان معدنيتان (بعد الحصول على إذن استخدامهما)
• كوب زجاجي
• مياه
• مناشف ورقية
• قلم ماركر بحبر أسود ثابت
• مزيل لطلاء الأظافر

الإعداد للتجربة

• املأ الكوب الزجاجي إلى منتصفه بالماء وضعه بجانب الشمعة.
• اطلِ السطح الخلفي لإحدى الملعقتين بالحبر الأسود الثابت.

خطوات التجربة

• خذ الملعقة المعدنية التي طليتها بقلم الحبر الأسود. هل يمكنك أن ترى اللون الأسود على سطح الملعقة الخلفي بوضوح؟
• اغمس هذه الملعقة المعدنية في كوب الماء وانظر إليها من جميع الزوايا. ألا يزال السطح الخلفي لهذه الملعقة أسودَ اللون تحت الماء؟ هل يتغير المظهر من زوايا رؤية مختلفة؟
• بعد ذلك أمسك الملعقة المعدنية الأخرى وانظر إليها بتمعن. كيف تبدو؟ هل تبدو لامعةً جدًّا؟
• اطلب من شخص بالغ معاون لك أن يشعل الشمعة وراقب الشمعة مشتعلة. كيف يبدو اللهب؟ هل ترى أي سناج يتصاعد من الشعلة؟
• بعد ذلك، ثبِّت السطح الخلفي للملعقة المعدنية فوق الشعلة الصفراء. هل يتغير مظهر الملعقة؟ إذا كان الجواب بنعم، فكيف يتغير؟ هل يمكنك تفسير ما حدث؟
• بعد أن يغطي السناج السطح الخلفي للملعقة، دعها تبرد مدةَ دقيقة. راقب سطح الملعقة. هل يبدو سطحُها الأسودُ خشنًا أم أملسَ؟
• بعد أن تبرد الملعقة اغمسها ببطء في كوب الماء. ثم انظر إليها من زوايا مختلفة. كيف يبدو السطح الخلفي للملعقة؟ هل يمكنك أن ترى السطح الذي يغطيه السناج تحت الماء؟ هل يتغير مظهره مع اختلاف زوايا الرؤية؟
• أخيرًا، أخرج الملعقة من الماء ببطء وانظر إليها مرةً أخرى. هل تبدو الملعقة مختلفة؟ هل ما زال السناج أسودَ اللون؟ هل يبدو رطبًا؟
• نشاط إضافيّ: اختبر إن كان النشاط ناجحًا مع أجسام أخرى غير الملعقة. تأكد، في كل الأحوال، من اختيار أجسام مقاومة للحرارة وأن تحصل على الإذن باختبارها في التجربة. جرب أن تغطي طبقًا مقاومًا للحرارة أو قشرةَ بيض بالسناج. هل يمكنك أن تصنع الخدعة نفسها باستخدام أجسام مختلفة؟

الملحوظات والنتائج

تبدو الملعقة المعدنية شديدة اللمعان لأن سطحها أملس للغاية، ولذلك فإنها تحاكي المرآة وتعكس الضوء بشكل جيد جدًّا. وإذا طليتها بطلاء أسود، فإنها تبدو سوداء. وهذا لا يتغير عندما تضع الملعقة بعد طلائها في الماء؛ إذ ستظل تبدو سوداء من جميع الزوايا.

عندما وضعت الملعقة المعدنية في اللهب، يجب أن تكون قد لاحظت أن لونها قد تحول بعد بُرهة إلى الأسود. وهذا لأن الشمعة عندما تحترق ينبعث من شمعها السناج الذي يتكون من الكربون والهيدروجين. تحتوي المنطقة الصفراء من اللهب على جزيئات كربون دقيقة تترسب على السطح المعدني. تحت المجهر تستطيع أن ترى السناج على سطح الملعقة يبدو خشنًا ومملوءًا بالنتوءات والحفر، على نحو أشبه بمنطقة جبلية. يبدو السطح أسود، لأنه نظرًا لخشونته، أي ضوء ينعكس عن أحد الجزيئات سيصطدم بجزيء آخر ويُمْتَص.

لكن ما إن وضعت الملعقة السوداء في الماء، من المؤكد أنك لاحظت أن سطحها الذي كان أسود آنفًا بدا فجأة لامعًا وفضي اللون. ما تفسير ذلك؟ الجواب أنه بسبب الخشونة السطحية للسناج، تلتصق فقاعات الهواء الدقيقة بسطح السناج عندما تغمس الملعقة في الماء. ذلك يعني أنه ثَمَّ طبقة رقيقة جدًّا من فقاعات الهواء تعلو هذا السناج. وتشكل هذه الطبقة الهوائية سطحًا أملسَ للغاية فوق سطح السناج الخشن. وعندما يصطدم الضوء بالحد الفاصل بين المياه وطبقة الهواء، لا يعود يُمْتَص وإنما ينعكس على نفس النحو الذي ينعكس فيه عن المرآة، ومن ثَم يبدو السطح براقًا. هذه الظاهرة تسمى أيضًا “الانعكاس الكلي الداخلي”، ولا يمكن أن تحدث إلا عند الحد الفاصل بين مادتين مختلفتين يمر خلالهما الضوء، وهاتان المادتان في هذه الحالة هما الماء والهواء. وعندما تُخرِج الملعقة من الماء فإنها تبدو سوداء تارةً أخرى لأن السطح الخشن المغطى بالسناج يعود مجددًا لامتصاص الضوء. وفي حالة الملعقة المطلية بالحبر الأسود، ليس هناك حد مائي-هوائي فاصل تحت ماء الكوب لأن فقاعات الهواء لا تلتصق بالطلاء الأسود. ولهذا السبب لا ترى هذه الظاهرة عند استخدام الملعقة المطلية بالحبر الأسود.

التنظيف

أزل السناج عن الملعقة باستخدام منشفة ورقية. استخدم مزيل طلاء الأظافر لإزالة الطلاء الأسود من الملعقة الأخرى. تأكد من إخماد لهب الشمعة ونَظِّف موضع إجراء هذا النشاط.