شکست نور

مشاهدات تجربی و آزمایشات نوری نشان می دهد که وقتی نور از یک محیط بر محیطی متفاوت از اولی می تابد مسیر اولی خودش را دنبال نمی کند. چرا؟

اگر در کنار استخر آب بایستید قامت خود را در آب کج می بینید.

اگریک نی را وارد یک لیوان آب بکنید و از بیرون به داخل لیوان نگاه کنید نی را خم شده حس می کنید.

درختان کنار رودخانه در داخل آب تصویر کجی دارند.

غواص های داخل آب باید از شکسته شدن مسیر نور در بین محیط ها با خبر باشند و الا ایستگاه اولیه خود را پیدا نمی کنند.

چرا شکست اتفاق می افتد؟

انتشار نور در محیط ها به کمیت های فیزیکی آن محیط ها وابسته است. وقتی نور از محیطی با گذر دهی الکتریکی (e₁) و تراوایی مغناطیسی (m₁) به محیطی با گذر دهی الکتریکی (e₂ ) و تراوایی مغناطیسی (m₂) گذر می کند با کمیت های فیزیکی محیطی جدیدی روبه رو می شود. و سرعت غیر یکسانی در این دو محیط دارد.

از طرفی تغییرات سرعت هم با کیمت های محیط (e,m) در ارتباط هست، هم با کمیت اصلی محیط ضریب شکست (n). پس ضریب شکست که از کمیت های مهم نوری به حساب می آید از محیطی به محیط دیگر تعییر می کند بنابراین سرعت و مسیر پرتو نیز تغییر خواهد کرد.

محاسبه الکترومغناطیسی ضریب شکست

در حالت کلی، از دید طیف الکترو مغناطیس، ضریب شکست عبارتست از نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در آن محیط.

بنابراین دراین رابطه (n=C/ V ) ضریب شکست(n) و با حاصل ضرب تراویایی نسبی مغناطیسی (km) و ضریب دی الکتریک (k)محیط مادی نسبت عکس مجذوری دارد.

اکثر محیط های نوری شفاف هستند. برای محیط های شفاف نوری، خاصیت مغناطیسی چندان مطرح نیست. در این صورت ضریب شکست با جذر ضریب دی الکتریک داده می شود.

چون میزان قطبش محیط های مادی متفاوت است و ضریب دی الکتریک با قطبش درارتباط است بنابراین ضریب شکست محیط ها از خواص الکتریکی، بیشتر تأثیر می پذیرد. در اکثر گازها این مقدار ثابت است در اجسام غیر قطبی نیز جواب ها دقیق هستند امّا در موادی با مولکول های قطبی مثلا آب و الکل و... این بستگی رادیکالی عوض می شود که علت  آن بالا بودن قطبش پذیری این اجسام است.

شکست در سطوح تخت

شکست نور در شیشه (تیغه نازک) را بررسی می‌کنیم:

وقتی نور به شیشه می‌تابد چون طرفین آن هوا (یا محیطی) با جنس یکسان است. مثلا طرفین تیغه شیشه‌ای هوا باشد در سطح اول مقداری منحرف می‌شود، این شکست اولیه یک جابجایی داخلی را برای این نور سبب می‌شود و در سطح دوم دوباره یک شکست دیگری پیدا کرده و امتداد اولیه خود را می‌یابد. پدیده شکست در مرز مشترک محیط ها از قانون اسنل تبعیت می‌کند.

n1 sin (i) = n₂ sin (r)

شکست در سطوح کروی

این شکست، در سیستم های نوری با اجزای نوری هم چون آینه‌ها ، عدسی ها ، منشورها و ... قوانین اسنل مربوط به شکست و انعکاس مسیر پرتو را می‌دهد. زمانی که، سطح کروی ما دیوپترهای کروی (سطح شکست کروی) باشند که دو محیط با جنس های مختلف نوری را از هم جدا می‌کند.

مثلاً چنان چه از یک ستاره‌ در بینهایت، نور به یک دیوپتر کروی بتابد، هم در بی نهایت است و هم پرتوهای تابش موازی هم می‌آیند و موازی محور اصلی دیوپتر به قسمت های مختلف آن می‌خورند و بعد از شکست در دیوپتر خود یا امتدادهایشان از کانون دیوپتر عبور می‌کنند، که محل تقاطع نقطه منفردی است و نیز شکست دو مرحله‌ای منشورها که طیف سالم و دقیق نور سفید را ایجاد می‌کنند.

شکست دو مرحله‌ای

در تیغه‌های متوازی السطوح و کلا شیشه‌های(دیوپترهای) با ضخامت معین شکست در سطح اول و شکست در سطح دوم داریم. برای تیغه متوازی السطوح همانند شیشه نازک ساده فقط یک جابجایی داخلی برای پرتو اتفاق می‌افتد، امّا برای منشورها و غیره، علاوه بر جابجایی داخلی امتداد پرتو نیز عوض می شود. دیو پتر های ضخیم نیز همین حالت را دارند.

منشورها در ساختمان طیف سنج های نوری، مسافت یاب منشوری، دستگاه های رادیولوژی جهت جابجایی داخلی، موجبر نوری و تداخل سنج ها کاربرد دارند. هم چنین در برخی سیستم های اندازه گیری سرعت نور، این پدیده به عنوان مکانیزم دستگاه عمل می‌کند.

مرکز یادگیری سایت تبیان

تجمیع: فاطمه گودرزی