نور فرودی و نور شکست: سفر نور از یک محیط به محیط دیگر
نور فرودی چیست و چه ویژگیهایی دارد؟
به نوری که به سطح مشترک5 بین دو محیط میتابد، نور فرودی میگویند. تصور کنید شما یک چراغ قوه دارید و پرتو نور آن را به سطح آب یک استخر میتابانید. آن پرتوی نور که از چراغ قوه خارج شده و به سطح آب میرسد، دقیقاً همان نور فرودی است. این نور قبل از برخورد، در یک محیط (مثلاً هوا) در حال حرکت است.
برای توصیف دقیقتر این نور، دو مفهوم مهم داریم:
- پرتو نور: ما نور را به صورت خطهای راستی نشان میدهیم که جهت حرکت آن را مشخص میکند. به این خطها پرتو نور میگویند.
- زاویهٔ تابش: زاویهای است که پرتو نور فرودی با خط عمود6 بر سطح مشترک میسازد. خط عمود، خطی فرضی است که بر سطح، کاملاً راست (۹۰ درجه) است. هرچه این زاویه بزرگتر باشد، نور با حالت مایلتری به سطح میتابد.
وقتی نور به مرز دو محیط میرسد، چه میشود؟
نور فرودی پس از برخورد به سطح جداکننده (مثلاً سطح آب)، سه سرنوشت کلی دارد که میتوان آنها را در یک جدول ساده طبقهبندی کرد:
| سرنوشت نور | توضیح | مثال ساده |
|---|---|---|
| بازتاب1 | بخشی از نور از سطح جداکننده برمیگردد و به محیط اول بازمیگردد. | بازتاب نور خورشید از سطح دریاچه. |
| شکست2 | بخشی از نور از سطح عبور میکند اما مسیرش در محیط جدید تغییر میکند. | شکسته به نظر رسیدن مداد داخل لیوان آب. |
| جذب7 | بخشی از نور توسط محیط دوم جذب شده و به انرژی دیگری (معمولاً گرما) تبدیل میشود. | گرم شدن آب در یک ظرف شیشهای زیر نور خورشید. |
در این مقاله، تمرکز اصلی ما بر روی سرنوشت دوم، یعنی شکست نور است. نوری که شکسته میشود و وارد محیط جدید میگردد را نور شکست مینامیم.
چرا مسیر نور شکسته تغییر میکند؟ (مفهوم چگالی نوری)
علت اصلی تغییر مسیر نور، تفاوت در سرعت نور در محیطهای مختلف است. نور در خلأ8 سریعترین سرعت ممکن را دارد. وقتی وارد یک محیط متراکمتر مثل آب یا شیشه میشود، سرعتش کاهش مییابد. این کاهش سرعت است که باعث خمیدگی پرتو نور میشود. به این ترتیب میتوان گفت:
- اگر نور از محیط کمچگالتر (مثل هوا) به محیط پرچگالتر (مثل آب) برود، به طرف خط عمود میشکند. یعنی زاویهاش کوچکتر میشود.
- اگر نور از محیط پرچگالتر (مثل آب) به محیط کمچگالتر (مثل هوا) برود، از خط عمود دور میشکند. یعنی زاویهاش بزرگتر میشود.
این رابطه به صورت یک قانون مهم در فیزیک بیان میشود. برای توصیف چگالی نوری محیطها از کمیتی به نام ضریب شکست9 استفاده میکنیم که با نماد $ n $ نشان داده میشود. هرچه ضریب شکست یک محیط بزرگتر باشد، نور در آن کندتر حرکت میکند.
رابطه بین زاویه تابش و زاویه شکست با این فرمول بیان میشود: $ n_1 \times \sin(\theta_1) = n_2 \times \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. سینوس یک نسبت مثلثاتی است که در مقطع هشتم با آن آشنا خواهید شد.
شکست نور در عمل: از شیشه عینک تا اعماق استخر
شکست نور یک پدیدهٔ انتزاعی در کتابهای درسی نیست، بلکه هر روزه آن را تجربه میکنیم. در این بخش به چند مثال ملموس نگاه دقیقتری میاندازیم.
مثال ۱: ماهی درون آب، کجاست؟ وقتی ماهی را در آب میبینیم، محل واقعی آن با محل ظاهریاش فرق دارد. چون نور پس از خارج شدن از آب (محیط پرچگال) و وارد شدن به هوا (محیط کمچگال) از خط عمود دور میشود. در نتیجه، پرتوهای نور برای رسیدن به چشم ما، طوری به نظر میرسند که گویا از نقطهای بالاتر از محل واقعی ماهی آمدهاند. به همین دلیل، ماهیگیران برای شکار ماهی، نیزه را کمی پایینتر از جایی که ماهی دیده میشود، نشانهگیری میکنند.
مثال ۲: عدسی عینک یا ذرهبین چگونه کار میکند؟ عدسیها از شیشه یا پلاستیک شفاف ساخته شدهاند و سطح منحنی دارند. وقتی نور از هوا به شیشه میتابد، در سطح اول شکسته میشود، سپس درون شیشه حرکت کرده و دوباره هنگام خروج از شیشه به هوا، شکسته میشود. شکل منحنی عدسی به گونهای است که این شکستهای پیاپی باعث میشود پرتوهای نور در یک نقطه (کانون10) جمع شوند یا از هم دور شوند. عینکهای طبی، دوربینهای موبایل و پروژکتورها همگی بر اساس همین اصل کار میکنند.
مثال ۳: رنگینکمان، شاهکار شکست نور نور سفید خورشید در واقع ترکیبی از همهٔ رنگهاست. وقتی این نور به قطرات باران در آسمان میتابد، درون هر قطره شکسته میشود، سپس بازتاب داخلی11 پیدا میکند و دوباره هنگام خروج شکسته میشود. نکتهٔ جالب اینجاست که ضریب شکست آب برای رنگهای مختلف نور، کمی متفاوت است. در نتیجه هر رنگ با زاویهای کمی متفاوت شکسته میشود و از هم جدا میگردد. این جداسازی رنگهاست که کمان زیبای رنگینکمان را میسازد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- محیط حرکت: نور بازتابیده به محیط اول (همان محیط نور فرودی) بازمیگردد. اما نور شکست وارد محیط دوم (ماده جدید) میشود.
- قانون حاکم: برای بازتاب، زاویه بازتاب همیشه با زاویه تابش برابر است. اما برای شکست، زاویه شکست با زاویه تابش برابر نیست و بستگی به ضریب شکست دو محیط دارد.
پاورقی
1 بازتاب (Reflection): برگشت نور از سطح یک جسم.
2 شکست (Refraction): تغییر مسیر نور هنگام عبور از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگر.
3 شکست نور (Light Refraction).
4 نور فرودی (Incident Light).
5 سطح مشترک (Interface): مرز جداکننده دو محیط مختلف.
6 خط عمود (Normal Line): خط فرضی عمود بر سطح در نقطه تابش.
7 جذب (Absorption).
8 خلأ (Vacuum): فضای عاری از هرگونه ماده.
9 ضریب شکست (Refractive Index): عددی که نشاندهنده میزان کاهش سرعت نور در یک محیط نسبت به خلأ است.
10 کانون (Focus): نقطهای که پرتوهای نور پس از عبور از عدسی در آن جمع میشوند.
11 بازتاب داخلی (Internal Reflection).
12 زاویه بحرانی (Critical Angle).
13 فیبر نوری (Optical Fiber).
