پرتوی شکسته: سفری پرپیچوخم نور
نور در مرز دو دنیا: مقدمهای بر شکست
نور در یک محیط یکنواخت، مانند هوا یا آب خالص، بهصورت خط راست حرکت میکند. اما هنگامی که به مرز بین دو محیط شفاف مختلف میرسد، مانند مرز هوا و شیشه یا هوا و آب، بخشی از آن منعکس میشود و بخش دیگر وارد محیط دوم میشود. همین بخش واردشده است که ممکن است مسیرش کج شود یا به عبارت علمیتر، شکست پیدا کند. به این پرتوی تغییرمسیردادهشده در محیط جدید، پرتوی شکسته میگوییم. برای درک بهتر، یک نی را در لیوان آبی فرو ببرید؛ به نظر میرسد نی در مرز هوا و آب شکسته شده است. این یک نمایش کلاسیک از تشکیل پرتوی شکسته است.
یک نکتهٔ کلیدی این است که شکست نور به این دلیل رخ میدهد که سرعت نور در محیطهای مختلف، متفاوت است. نور در خلأ[3] سریعترین سرعت ممکن را دارد. وقتی نور از محیطی رقیق (مثل هوا) که سرعت نور در آن بیشتر است، وارد محیطی غلیظتر (مثل آب یا شیشه) میشود که سرعت نور در آن کمتر است، بهسوی خط عمود میشکند و مسیرش به حالت جمعتر (مایلتر به عمود) درمیآید. برعکس، اگر نور از محیط غلیظ به رقیق برود، از خط عمود دور میشود.
واژهنامهٔ شکست: پرتو تابش، عمود و شکست
برای توصیف دقیق پدیده شکست، باید با چند اصطلاح آشنا شویم. این مفاهیم را میتوان در یک جدول خلاصه کرد:
| نام پرتو/خط | تعریف | نماد در فرمول |
|---|---|---|
| پرتو تابش[5] | پرتو نوری که به سطح جدایی دو محیط میتابد. | $i$ (زاویه تابش) |
| پرتو شکست[1] | پرتو نوری که پس از عبور از مرز، در محیط دوم منتشر میشود (همان موضوع اصلی مقاله). | $r$ (زاویه شکست) |
| خط عمود | خطی فرضی که بر سطح جدایی دو محیط، در نقطهٔ برخورد پرتو تابش، عمود است. | --- |
| زاویه تابش | زاویه بین پرتو تابش و خط عمود. | $\theta_i$ یا $i$ |
| زاویه شکست | زاویه بین پرتو شکست و خط عمود. | $\theta_r$ یا $r$ |
قانون حاکم: قانون اسنل و فرمول آن
رابطهٔ دقیق بین زاویه تابش و زاویه شکست توسط دانشمندی به نام ویلهبرورد اسنل کشف شد و به قانون اسنل معروف است. این قانون میگوید برای دو محیط معین، نسبت سینوس[6] زاویه تابش به سینوس زاویه شکست، یک عدد ثابت است. این عدد ثابت، همان ضریب شکست نسبی محیط دوم نسبت به محیط اول است.
$ n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2) $
در این فرمول: $ n_1 $ ضریب شکست محیط اول، $ \theta_1 $ زاویه تابش، $ n_2 $ ضریب شکست محیط دوم و $ \theta_2 $ زاویه شکست است.
ضریب شکست ($ n $) یک عدد بدون واحد است که نشان میدهد سرعت نور در خلأ چند برابر سرعت نور در آن ماده است. به عنوان مثال، ضریب شکست آب حدود 1.33 و ضریب شکست شیشه معمولی حدود 1.5 است. یعنی نور در آب 1.33 بار و در شیشه 1.5 بار کندتر از خلأ حرکت میکند.
از نظریه تا واقعیت: کاربردهای پرتوی شکسته در زندگی
شاید فکر کنید شکست نور فقط یک پدیدهٔ آزمایشگاهی است، اما کاربردهای آن همهجا دیده میشود:
- عدسی عینک، دوربین و میکروسکوپ: عملکرد همهٔ این ابزارها بر اساس شکست نور توسط عدسیهای محدب[7] یا مقعر[8] است. پرتوهای نور با عبور از این عدسیها میشکنند و همگرا یا واگرا میشوند تا تصویری بزرگتر، کوچکتر یا واضحتر ایجاد کنند.
- تار نواری (رنگینکمان): رنگینکمان زیباترین نمایش طبیعی شکست نور است. وقتی نور خورشید به قطرات ریز آب در هوا میتابد، در هر قطره دوبار شکسته میخورد (هنگام ورود به قطره و خروج از آن) و تجزیه میشود. هر رنگ نور به میزان متفاوتی میشکند و در نتیجه آن نوارهای رنگارنگ زیبا پدید میآیند.
- میرا (سراب): در روزهای گرم، گاهی بر روی جادههای آسفالت یا در بیابان، تصویری از برکهٔ آب دیده میشود که وجود ندارد. این سراب نتیجهٔ شکست نور است. هوای نزدیک زمین بسیار داغ و رقیقتر از لایههای بالایی است. نور با عبور از این لایههای هوا با ضریب شکست متفاوت، به تدریج میشکند تا جایی که مسیرش خمیده شده و به چشم ما میرسد و تصویر کجشدهٔ آسمان را مانند یک برکه روی زمین میبینیم.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. دو حالت استثنا وجود دارد: ۱) اگر نور دقیقاً عمود بر سطح بتابد (زاویه تابش صفر)، بدون شکست وارد محیط دوم میشود. ۲) اگر نور از محیط غلیظ به رقیق برود و زاویه تابش از یک زاویهٔ بحرانی[9] بیشتر شود، بهجای شکست، بازتابش کلی[10] رخ میدهد و پرتوی شکستهای تشکیل نمیشود.
پاسخ: کاملاً نادرست است. سرعت نور در آب کمتر از سرعت نور در هوا یا خلأ است. ضریب شکست آب (1.33) بزرگتر از ضریب شکست هوا (~1) است و این نشاندهندهٔ سرعت کمتر نور در آب است. شکست نی در لیوان آب دقیقاً به همین دلیل است.
پاسخ: بله! این پدیدهای است به نام پاشندگی[11]. نور سفید ترکیبی از رنگهای مختلف است. هر رنگ (طول موج) ضریب شکست کمی متفاوتی در یک ماده دارد. معمولاً نور بنفش بیشترین و نور قرمز کمترین شکست را تجربه میکند. همین امر باعث میشود وقتی نور سفید از یک منشور[12] عبور میکند، به رنگهای تشکیلدهندهاش تجزیه شود و طیف رنگینکمان را بسازد.
پاورقی
[1] پرتوی شکسته (Refracted Ray). [2] قانون اسنل (Snell's Law). [3] خلأ (Vacuum). [4] ضریب شکست (Refractive Index). [5] پرتو تابش (Incident Ray). [6] سینوس (Sine). [7] عدسی محدب (Convex Lens). [8] عدسی مقعر (Concave Lens). [9] زاویه بحرانی (Critical Angle). [10] بازتابش کلی (Total Internal Reflection). [11] پاشندگی (Dispersion). [12] منشور (Prism).
