شکست نور: یک بازی نور در مرز دو محیط
نور چگونه و چرا میشکند؟
نور در یک محیط یکنواخت، مانند هوا، به خط راست حرکت میکند. اما وقتی به مرز یک محیط دیگر، مانند آب، برخورد کند، سرعتش تغییر میکند. این تغییر سرعت، باعث تغییر مسیر نور میشود که به آن «شکست نور» میگوییم. یک مقایسه ساده: فکر کنید چرخ یک ماشین اسباببازی وقتی از قسمت آسفالت به قسمت شنریز میرسد، یک طرف آن اول وارد شن میشود و سرعتش کم میشود، در نتیجه مسیر ماشین به سمت شن منحرف میشود. نور هم تقریباً همین کار را میکند!
اجزای شکست: پرتو تابش، پرتو شکست و خطعمود
برای صحبت دقیقتر درباره شکست، باید چند اصطلاح را بشناسیم. وقتی پرتو نور به سطح جداکننده دو محیط میتابد، به آن پرتو تابش4 میگویند. پس از شکست، پرتویی که در محیط دوم حرکت میکند، پرتو شکست5 نام دارد. همچنین یک خط فرضی به نام خطعمود6 بر سطح جدایی دو محیط در نقطه تابش رسم میکنیم. زاویه بین پرتو تابش و خطعمود را زاویهٔ تابش7 و زاویه بین پرتو شکست و خطعمود را زاویهٔ شکست8 مینامند.
قانون شکست نور (قانون اسنل)
دانشمندی به نام ویلهلم اسنل رابطه ریاضی بین زوایای تابش و شکست را کشف کرد. این قانون میگوید برای دو محیط مشخص، نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست، عددی ثابت است. این عدد ثابت را ضریب شکست9 محیط دوم نسبت به محیط اول مینامند و آن را با نماد $n$ نشان میدهند.
$\frac{\sin(i)}{\sin(r)} = n$
در این فرمول، $i$ زاویه تابش، $r$ زاویه شکست و $n$ ضریب شکست است.
این ضریب نشان میدهد نور در محیط دوم نسبت به محیط اول چقدر کندتر حرکت میکند. جدول زیر ضریب شکست برخی مواد آشنا را نشان میدهد (نسبت به هوا یا خلأ).
| محیط (ماده) | ضریب شکست تقریبی (n) | مثال قابل مشاهده |
|---|---|---|
| هوا | ≈ 1.0003 | محیط معمولی اطراف ما |
| آب | ≈ 1.33 | نی شکسته در لیوان |
| شیشه (معمولی) | ≈ 1.5 | عدسی عینک یا پنجره |
| الماس | ≈ 2.42 | درخشش خاص الماس |
به سوی خطعمود یا دور از آن؟
نور همیشه یک قانون ساده را هنگام شکست دنبال میکند:
- اگر نور از محیط کمچگال (مانند هوا) به محیط پرچگالتر (مانند آب یا شیشه) برود، به سمت خطعمود میشکند. یعنی زاویه شکست از زاویه تابش کوچکتر میشود. مثال: تابش نور از هوا به آب.
- اگر نور از محیط پرچگال به محیط کمچگال برود، از خطعمود دور میشود. یعنی زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر میشود. مثال: تابش نور از آب به هوا.
پرچگالتر در اینجا معمولاً به معنای محیطی با ضریب شکست بزرگتر است که نور در آن کندتر حرکت میکند.
شکست نور در خدمت ما: از عینک تا رنگینکمان
شاید فکر کنید شکست نور فقط یک پدیده درسی است، اما کاربردهای آن همهجا هستند:
- عدسیها: عینک، ذرهبین، دوربین عکاسی و میکروسکوپ همه از عدسیهایی ساخته شدهاند که با شکست دادن نور، تصاویر را بزرگنمایی یا کوچکنمایی میکنند. عدسی محدب نور را جمع و عدسی مقعر آن را پخش میکند.
- تیراندازی به ماهی در آب: به دلیل شکست نور، ماهی درون آب کمی بالاتر از جای واقعی خود دیده میشود. یک شکارچی ماهی باید کمی پایینتر از جایی که ماهی را میبیند، نیزه خود را پرتاب کند!
- رنگینکمان: یکی از زیباترین جلوههای شکست نور است. قطرات باران مانند منشورهای کوچکی عمل میکنند و نور خورشید را میشکنند و به رنگهای مختلف تجزیه میکنند.
- ساختار فیبر نوری: در کابلهای فیبر نوری که اینترنت پرسرعت را به خانهها میآورند، نور با شکستهای پیاپی درون یک رشته شیشهای نازک محبوس میشود و مسیرهای طولانی را طی میکند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر، نور در هر بار عبور مایل از مرز دو محیط شفاف متفاوت، دچار شکست میشود. مثلاً در یک عدسی، نور ابتدا هنگام ورود از هوا به شیشه به سمت خطعمود میشکند و سپس هنگام خروج از شیشه به هوا، از خطعمود دور میشود. همین دو شکست متوالی است که مسیر نور را در عدسی تغییر میدهد.
پاسخ: خیر، این دو کاملاً متفاوت هستند. در انعکاس، نور از سطح یک محیط برمیگردد و به همان محیط اول بازمیگردد (مانند تصویر در آینه). اما در شکست، نور از مرز عبور کرده و وارد محیط دوم میشود، اما مسیرش کج میشود. در هر دو پدیده ممکن است همزمان اتفاق بیفتند؛ مثلاً بخشی از نور از سطح آب بازتاب و بخش دیگر به داخل آب شکست مییابد.
پاسخ: خیر. اگر پرتو نور به صورت عمود بر سطح جداکننده دو محیط بتابد (زاویه تابش صفر باشد)، با وجود تغییر سرعت، جهت آن تغییر نمیکند و بدون شکست به حرکت خود در محیط دوم ادامه میدهد. فقط در تابش مایل است که شکست رخ میدهد.
پاورقی
- شکست نور (Light Refraction): تغییر مسیر موج نور (یا هر موج دیگر) هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر با چگالی متفاوت.
- قانون اسنل (Snell's Law): قانون ریاضی حاکم بر رابطه بین زاویه تابش و شکست نور.
- خلا (Vacuum): فضای تهی از ماده. نور در خلا با حداکثر سرعت ممکن (حدود 300,000 کیلومتر بر ثانیه) حرکت میکند.
- پرتو تابش (Incident Ray): پرتو نوری که به سطح میتابد.
- پرتو شکست (Refracted Ray): پرتو نوری که پس از عبور از مرز، در محیط جدید حرکت میکند.
- خطعمود (Normal Line): خط فرضی عمود بر سطح در نقطه برخورد پرتو تابش.
- زاویهٔ تابش (Angle of Incidence): زاویه بین پرتو تابش و خطعمود.
- زاویهٔ شکست (Angle of Refraction): زاویه بین پرتو شکست و خطعمود.
- ضریب شکست (Refractive Index): عددی که نشاندهنده میزان کاهش سرعت نور در یک ماده نسبت به خلأ است. با نماد $n$ نمایش داده میشود.
