شکست نور: سفر پر پیچ و خم پرتوهای نور
نور، سرعت و یک تغییر مسیر غافلگیرکننده
نور در خلأ با بیشترین سرعت ممکن، یعنی 299,792,458 متر بر ثانیه حرکت میکند. اما وقتی وارد محیطهای مادی مانند آب، شیشه یا حتی هوا میشود، سرعت آن کاهش مییابد. این کاهش سرعت، دلیل اصلی شکست نور است. فرض کنید یک ردیف از سربازان به صورت خطی در حال حرکت روی آسفالت صاف هستند و ناگهان به یک منطقه شنزار میرسند. سربازی که زودتر به شنزار برسد، سرعتش کم میشود، در حالی که سربازان دیگر هنوز روی آسفالت با سرعت بالا در حرکتند. این تفاوت سرعت باعث میشود کل صف به تدریج تغییر جهت دهد. دقیقاً همین اتفاق برای جبهه موج نور رخ میدهد.
فرمول: $ n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2) $
که در آن $ n_1 $ و $ n_2 $ ضرایب شکست محیط اول و دوم، و $ \theta_1 $ و $ \theta_2 $ به ترتیب زاویه تابش و زاویه شکست هستند.
ضریب شکست: شناسنامه نوری مواد
هر ماده شفاف، یک ضریب شکست مطلق۴ دارد که معمولاً با حرف $ n $ نشان داده میشود. این ضریب، نسبتی از سرعت نور در خلأ به سرعت نور در آن ماده است: $ n = \frac{c}{v} $. هرچه این عدد بزرگتر باشد، نور در آن ماده کندتر حرکت میکند و در نتیجه شکست بیشتری را تجربه خواهد کرد. هوا ضریب شکستی نزدیک به 1 دارد، آب حدود 1.33 و شیشه معمولی حدود 1.5 است. الماس با ضریب شکست حدود 2.42، باعث شکست شدید نور و درخشش خیرهکننده آن میشود.
| ماده | ضریب شکست تقریبی (n) | توضیح |
|---|---|---|
| خلأ | 1.00 | نور بیشترین سرعت خود را دارد. |
| هوا | ~1.0003 | بسیار نزدیک به خلأ، شکست بسیار جزئی. |
| آب | 1.33 | علت شکسته دیده شدن اشیا در آب. |
| شیشه معمولی | 1.52 | ماده اصلی ساخت عدسیها و منشور. |
| الماس | 2.42 | باعث شکست و پخش شدید نور و درخشش فوقالعاده. |
از قلم شکسته تا چشم پزشکی: شکست نور در عمل
شکست نور فقط یک مفهوم کتابی نیست؛ ما هر روزه آثار آن را میبینیم و از ابزارهای مبتنی بر آن استفاده میکنیم. یک قلم را در لیوان آب نیمه پر قرار دهید. به نظر میرسد قلم از سطح آب به بعد، شکسته یا جابهجا شده است. این اتفاق به این دلیل رخ میدهد که نور بازتابیده از قسمت زیر آب قلم، هنگام خروج از آب به هوا (از محیط غلیظ به رقیق) میشکند و مسیرش تغییر میکند. چشمان ما پرتوهای نور را در مسیر مستقیم فرض میکنند، بنابراین تصویر قلم را در مکانی بالاتر از موقعیت واقعیاش میبینیم. ماهیگیران نیز باید این پدیده را در نظر بگیرند. چون نور از ماهی در آب به هوا میشکند، ماهی در موقعیتی عمیقتر از آنچه دیده میشود، قرار دارد.
اما مهمترین کاربرد شکست نور در ساخت عدسیها۵ است. عدسیها قطعاتی از شیشه یا پلاستیک شفاف با سطوح منحنی هستند که با شکست دادن نور، آن را متمرکز یا پراکنده میکنند. عدسی همگرا (کوژ) پرتوهای موازی نور را در یک نقطه به نام کانون جمع میکند. کاربرد آن در ذرهبین برای بزرگنمایی، در دوربین عکاسی برای تشکیل تصویر و در عینک افراد دوربین است. در مقابل، عدسی واگرا (کاو) پرتوهای موازی نور را از هم دور میکند و در عینک افراد نزدیکبین به کار میرود.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. اگر نور به صورت عمود (زاویه تابش 0°) به سطح مشترک دو محیط بتابد، بدون تغییر جهت وارد محیط دوم میشود، هرچند سرعت آن تغییر میکند. در این حالت، شکستی رخ نمیدهد.
پاسخ: در بازتاب، نور از سطح یک محیط بازمیگردد و وارد محیط دوم نمیشود (مانند تصویر در آینه). در شکست، نور وارد محیط دوم میشود و مسیرش درون آن محیط تغییر میکند. پراش نیز خم شدن نور هنگام عبور از کنار لبههای تیز یا از روزنههای بسیار کوچک است و مربوط به ماهیت موجی نور میباشد.
پاسخ: خیر. شکست فقط مسیر نور را تغییر میدهد. اما یک اثر جانبی جالب دارد: چون سرعت نورهای با رنگهای مختلف (طولموجهای مختلف) در یک ماده کمی با هم تفاوت دارد، میزان شکست آنها هم کمی متفاوت است. این پدیده که پاشندگی۸ نام دارد، باعث میشود نور سفید پس از عبور از یک منشور به رنگهای رنگینکمان تجزیه شود. پس شکست به تنهایی رنگ را عوض نمیکند، اما میتواند باعث جدایی رنگها شود.
پاورقی
۱ شکست نور (Refraction)
۲ ضریب شکست (Refractive Index)
۳ قانون اسنل (Snell's Law)
۴ ضریب شکست مطلق (Absolute Refractive Index)
۵ عدسی (Lens)
۶ بازتاب (Reflection)
۷ پراش (Diffraction)
۸ پاشندگی (Dispersion)
