شکست نور

اگر دستمان را زیر آب ببریم مطمئناً در تصویر آن نسبت به بخشی که در آب نیست انحراف می‌بینیم. اگر در استخر آب، کف استخر را مشاهده کنیم، احساس می‌کنیم عمق آب کمتر از آن چیزی است که گفته شده است. همه‌ی این‌ها یک پدیده‌ی فیزیکی به نام شکست نور را بیان می‌کنند که در این بخش به بیان این پدیده می‌پردازیم.

شکست نور یک پدیده اپتیکی است که در آن نور رسیده از یک منبع نورانی (مانند لامپ، خورشید و ستارگان) به خاطر تغییر سرعتی که برای آن در دو محیط با ضریب شکست متفاوت رخ می‌دهد دچار تغییر مسیر می‌شود؛ لذا هنگامی که شخص به این نور نگاه می‌کند گویی که نور دچار شکست شده است. سرعت نور در محیط‌ های شفاف مختلف یکسان نیست، به طوری که بیشترین سرعت آن در خلاء (یا تقریباً هوا) بوده و برابر 300000 کیلومتر بر ثانیه است.

در محیط‌ های دیگر مثل آب، شیشه و ... سرعت نور کمتر از این مقدار است؛ لذا هنگامی که محیط حرکت نور از نظر غلظت تغییر می‌کند سرعت آن نیز تغییر می‌نماید و با افزایش غلظت سرعت کاهش پیدا می کند و بر عکس. به این ترتیب علت شکست نور تغییر سرعت آن هنگام وارد شدن به محیط شفاف دوم است. وقتی نور از محیط‌های شفاف مختلف عبور می‌كند، رفتار آن تغییر می‌كند. در این بخش می‌خواهیم رفتار نور در محیط‌ های شفاف مختلف را بررسی كنیم. هنگامی که نور به یک محیط شفاف وارد یا از آن خارج می‌شود ممکن است پرتوهای نور شکست یابند و اثرهای جالب و گاهی زیبا را پدید آورند.

مثلاً اگر به یک سکه در ته لیوانی پر از آب نگاه کنید سکه بالاتر از محل واقعی خود به نظر می‌رسد یا وقتی که یک قاشق را به طور مایل در لیوان آب فرو می‌برید آن را در محل ورود به آب شکسته می‌بینید. برعکس اگر جسم در هوا باشد و از محیط غلیظ به آن نگاه کنیم جسم دورتر به نظر می‌رسد. اگر به کف یک استخر نگاه کنید عمق آب کمتر از عمق واقعی به نظر می‌رسد، اگر در راستای نزدیک به خط قائم به کف استخر پر از آبی به عمق 5 متر نگاه کنید عمق آن تقریباً 4 متر به نظر می‌رسد.

قوانین شکست نور

پرتو تابش، پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط شفاف هر سه در یک صفحه واقعند. برای دو محیط شفاف معین نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری ثابت است. این مقدار ثابت را به n نشان می‌دهند و آن ‌را ضریب شکست می‌نامند. قوانین شکست را قوانین اسنل - دکارت می‌گویند. اگر سرعت نور را در هوا به V₁ و در محیط شفاف به V₂ نمایش دهیم با اندازه گیری‌هایی که در مورد سرعت نور به عمل آمده، معلوم شده است که:n = V₂/V₁ 

ضریب شکست مطلق و نسبی هر گاه یک دسته پرتو نور از خلأ وارد محیط شفافی شوند n = Sini/Sinp را ضریب شکست مطلق می‌نامند.

چنانچه نور از یک محیط شفاف (مثل آب) وارد محیط شفاف دیگری مثل (شیشه) شود، نسبت Sini/Sinp، ضریب شکست نسبی خواهد بود. اگر ضریب شکست مطلق محیط اول n₁ و ضریب شکست مطلق محیط دوم n₂ باشد، ضریب شکست نسبی این دو محیط عبارت خواهد بود از: n = n₂/n₁

وقتی که نوری با فرکانس معین از محیط شفافی به ضریب شکست n₁ وارد محیط شفاف دیگری به ضریب شکست n₂ می‌شود، بسامد آن تغییر نمی‌کند، در نتیجه تغییر سرعت نور در محیط دوم به نسبت n₁/n₂ باعث تغییر طول موج نور به نسبت n₁/n₂ می‌شود. در این صورت داریم:

شکست نور در تیغه‌ی شیشه‌ای

وقتی نور به شیشه می‌تابد چون طرفین آن هوا (یا محیطی) با جنس یکسان است؛ مثلاً طرفین تیغه شیشه‌ایی هوا باشد در سطح اول مقداری منحرف می‌شود، این شکست اولیه یک جا به ‌جایی 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 نور در اجسام کروی و منشور

در سیستم‌های نوری با اجزای نوری همچون آینه‌ها، عدسی‌ها، منشورها و ... قوانین اسنل مربوط به شکست و انعکاس مسیر پرتو را می‌دهد. اگر سطح کروی ما یک دیوپترهای کروی (سطح شکست کروی) باشد که دو محیط با جنس‌های مختلف نوری را از هم جدا می‌کند باشد.

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

کاربردهای شکست نور

با استفاده از پدیده‌ی شکست نور می‌توان نور سفید یا نورهای مخلوط از چندین طول موج را به امواج تشکیل دهنده آن تجزیه نمود. اساس این پدیده متفاوت بودن سرعت نور در محیط‌های شفاف بر حسب طول موج نور است، به این ترتیب که هرچه طول موج بیشتر باشد سرعت نور در آن محیط نیز بیشتر خواهد بود.

بنابراین نورهای مختلف با طول موج‌های مختلف مسیرهای متفاوتی را طی کرده و دچار شکست‌های متفاوتی می‌شوند. نتیجه این عمل جدا شدن امواج با طول موج‌های متفاوت از یکدیگر خواهد بود. این پدیده را می‌توان به ‌طور طبیعی در رنگین کمان مشاهده کرد. قطرات آب باران نور خورشید را به طول موج‌های مختلف تجزیه می‌کنند و رنگین کمان در آسمان مشاهده می‌شود.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: مرتضی عرفانیان

تنظیم: مریم فروزان کیا