محیطهای رقیق و غلیظ؛ دنیایی که نور در آن سرعتش تغییر میکند
تفاوت اصلی محیط رقیق و غلیظ در چیست؟
تصور کنید دو دونده داریم: یکی روی چمن نرم و دیگری روی آسفالت سفت میدود. مسلماً دونده روی آسفالت راحتتر و سریعتر حرکت میکند. برای نور هم شرایطی شبیه به این وجود دارد. محیط رقیق، مانند آسفالت برای دونده، محیطی است که نور میتواند با سرعت بیشتری در آن حرکت کند. برعکس، محیط غلیظ، مانند چمن نرم، محیطی است که سرعت نور در آن کاهش مییابد.
این «رقیق» یا «غلیظ» بودن، ربطی به غلظتی که ما در مایعات میشناسیم (مثل شیر غلیظ) ندارد. بلکه به چگالی و تراکم ماده5 اشاره دارد. به طور کلی، نور در خلأ6 (جایی که هیچ مادهای وجود ندارد) بیشترین سرعت خود را دارد که معادل 300,000 کیلومتر بر ثانیه است. وقتی نور وارد مادهای مثل هوا، آب یا شیشه میشود، سرعت آن کم میشود.
| نام محیط | وضعیت (رقیق/غلیظ) | سرعت تقریبی نور (کیلومتر بر ثانیه) | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| خلأ | رقیقترین | 300,000 | فضای بیرونی زمین |
| هوا | رقیق (نسبت به آب و شیشه) | 299,999 (تقریباً برابر خلأ) | هوایی که تنفس میکنیم |
| آب | غلیظ (نسبت به هوا) | 225,000 | استخر شنا، دریا |
| شیشه | غلیظتر (نسبت به آب) | حدود 200,000 | پنجره، لیوان، عدسی عینک |
وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر میرود چه اتفاقی میافتد؟ (شکست نور)
این تغییر سرعت، یک نتیجهٔ دیدنی و بسیار مهم دارد: شکست نور. وقتی نور به صورت مایل از یک محیط رقیق وارد یک محیط غلیظ میشود، سرعتش ناگهان کم میشود. این کاهش سرعت باعث میشود مسیر نور تغییر کند (میشکند).
مثال عملی ۱: یک مداد را داخل لیوان پر از آب قرار دهید. به نظر میرسد مداد در مرز آب و هوا شکسته شده است! این اتفاق به این دلیل میافتد که نور منعکس شده از مداد، هنگام خروج از آب (محیط غلیظ) به هوا (محیط رقیق)، سرعتش افزایش یافته و میشکند و به چشمان شما میرسد. مغز شما تصور میکند نور در یک خط مستقیم آمده، بنابراین محل مداد را جور دیگری میبیند.
مثال عملی ۲: وقتی در یک روز گرم به آسفالت جاده نگاه میکنید، گاهی برق آب روی جاده را میبینید. این یک سراب7 است. لایههای هوا در نزدیکی زمین بسیار داغ و رقیقتر از لایههای بالایی هستند. نور با برخورد به این لایههای هوای با چگالی متفاوت، مرتباً میشکند و مسیری خمیده پیدا میکند. در نتیجه، تصویر آسمان یا ابرهای دور، روی زمین دیده میشود و ما تصور میکنیم برق آب است.
- n ضریب شکست محیط است.
- c سرعت نور در خلأ (حدود 300,000 km/s) است.
- v سرعت نور در آن محیط خاص است.
کاربردهای شگفتانگیز در زندگی و فناوری
شاید باور نکنید، اما درک همین مفهوم ساده، پایهٔ ساخت بسیاری از وسایل اطراف ماست:
عینک و لنز عدسی عینک یا دوربین موبایل شما از شیشه یا پلاستیک ساخته شدهاند. طراحان با محاسبهٔ دقیق ضریب شکست مواد و شکل دادن به عدسیها، میتوانند مسیر نور را خم کنند تا تصاویر را بزرگنمایی کنند، کوچک کنند یا برای افراد کمبینا واضح سازند.
فیبر نوری اینترنت پرسرعت امروزی تا حد زیادی مدیون فیبرهای نوری است. نور در داخل این فیبرهای شیشهای باریک، به دلیل تفاوت ضریب شکست بین هسته و پوشش، مرتباً دچار «بازتاب کلی8» میشود و مثل یک توپ درون یک لولهٔ پرپیچوخم میپرد و اطلاعات را با سرعت باورنکردنی انتقال میدهد.
رنگینکمان این پدیدهٔ زیبای طبیعت نیز نتیجهٔ شکست نور است. وقتی نور خورشید (که نور سفید است) به قطرات باران در هوا برخورد میکند، وارد قطرات (محیط غلیظ) شده و میشکند. از آنجا که رنگهای مختلف نور، اندکی متفاوت میشکنند، از هم جدا شده و طیف رنگینکمان را میسازند.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر، لزوماً نه. «غلیظ بودن نوری» با «چگالی جرمی» متفاوت است. اگرچه معمولاً ارتباطی بین آنها وجود دارد، اما همیشه یکی نیست. برخی پلاستیکهای خاص ممکن است ضریب شکست بالایی داشته باشند (از نظر نوری غلیظ باشند) اما وزن کمتری نسبت به شیشه داشته باشند. نکتهٔ اصلی، چگونگی برهمکنش اتمهای ماده با نور است، نه فقط جرم آن.
پاسخ: اگر نور به صورت عمود بر سطح جداکننده بتابد، هرچند سرعتش تغییر میکند، اما مسیرش نمیشکند و مستقیم وارد محیط جدید میشود. شکست زمانی اتفاق میافتد که نور با زاویه (به صورت مایل) به سطح برخورد کند.
پاسخ: قرنیه و عدسی چشم ما برای تمرکز نور در هوا طراحی شدهاند. وقتی چشم در تماس مستقیم با آب قرار میگیرد (محیط غلیظ)، نور قبل از رسیدن به قرنیه، کمتر میشکند زیرا اختلاف ضریب شکست بین آب و قرنیه کم است. در نتیجه، عدسی چشم نمیتواند نور را به درستی روی شبکیه متمرکز کند و تصویر تار میشود. عینک غواصی یک لایه هوا (محیط رقیق آشنا برای چشم) را بین چشم و آب حفظ میکند تا نور مانند حالت عادی شکسته شود.
پاورقی
1 محیط رقیق (Optically Rarer Medium)
2 محیط غلیظ (Optically Denser Medium)
3 شکست نور (Refraction of Light)
4 ضریب شکست (Refractive Index)
5 ماده (Matter)
6 خلأ (Vacuum)
7 سراب (Mirage)
8 بازتاب کلی (Total Internal Reflection)
