زاویه تابش و شکست: نوری که مسیرش را عوض میکند
خط عمود فرضی: نقطهٔ شروع اندازهگیری
برای آن که بتوانیم دربارهٔ جهت نور صحبت کنیم، نیاز به یک مرجع داریم. این مرجع یک خط فرضی به نام «خط عمود» یا «نرمال»3 است. تصور کنید پرتو نور به سطح آب یک استخر برخورد میکند. دقیقاً در نقطهای که نور به آب میرسد، خطی فرضی را که کاملاً بر سطح آب عمود است (یعنی با آن زاویه ۹۰ درجه میسازد) رسم میکنیم. تمام زوایایی که دربارهاشان صحبت خواهیم کرد، نسبت به این خط اندازهگیری میشوند.
زاویه تابش ($θ_i$): زاویهای که پرتو نور ورودی با خط عمود میسازد.
زاویه شکست ($θ_r$): زاویهای که پرتو نور شکسته شده (بعد از عبور از مرز) با خط عمود میسازد.
چرا نور مسیرش را عوض میکند؟ نقش سرعت و چگالی نوری
علت اصلی شکست نور، تغییر سرعت آن هنگام رفتن از یک محیط به محیط دیگر است. نور در خلأ سریعترین سرعت ممکن را دارد. وقتی وارد مادهای مثل آب یا شیشه میشود، کمی کندتر حرکت میکند. این تغییر سرعت باعث میشود جهت حرکت نور نیز تغییر کند، درست مثل وقتی که چرخ یک دوچرخه از آسفالت به خاک میرسد و مسیرش منحرف میشود.
برای توصیف این که یک ماده چقدر سرعت نور را کم میکند، از مفهوم «ضریب شکست» ($n$) استفاده میکنیم. ضریب شکست بزرگتر به معنای کاهش سرعت بیشتر نور است. به زبان ساده، محیطی با ضریب شکست بالاتر، از نظر نوری «چگالتر» است.
| محیط (ماده) | ضریب شکست تقریبی (n) | تأثیر بر نور |
|---|---|---|
| هوا | ۱.۰۰ | کمترین کندکنندگی |
| آب | ۱.۳۳ | نور را کمی کند و خم میکند |
| شیشه (معمولی) | ۱.۵ | نور را بیشتر کند و خم میکند |
| الماس | ۲.۴ | بیشترین کندکنندگی و درخشش خاص |
قانون طلایی شکست: قانون اسنل
رابطه دقیق بین زاویه تابش، زاویه شکست و ضریب شکست دو محیط را یک دانشمند به نام اسنل کشف کرد. قانون اسنل میگوید:
در این رابطه:
$n_1$ و $\theta_1$: ضریب شکست و زاویه تابش در محیط اول.
$n_2$ و $\theta_2$: ضریب شکست و زاویه شکست در محیط دوم.
این فرمول یک قانون اساسی است که با آن میتوان پیشبینی کرد نور پس از عبور از مرز دو محیط، دقیقاً در چه جهتی حرکت خواهد کرد.
به سوی خط عمود یا دور از آن؟ یک قانون سرانگشتی
با استفاده از قانون اسنل و مفهوم ضریب شکست، میتوانیم یک قاعده ساده و کاربردی برای جهت شکست نور به خاطر بسپاریم:
- اگر نور از محیط کمچگال (مثل هوا) به محیط پرچگال (مثل آب) برود: سرعت نور کاهش مییابد. در این حالت پرتو شکست به سمت خط عمود نزدیکتر میشود (یعنی زاویه شکست از زاویه تابش کوچکتر میشود).
- اگر نور از محیط پرچگال (مثل آب) به محیط کمچگال (مثل هوا) برود: سرعت نور افزایش مییابد. در این حالت پرتو شکست از خط عمود دورتر میشود (یعنی زاویه شکست از زاویه تابش بزرگتر میشود).
شکست نور در خدمت ما: از عینک تا رنگینکمان
شکست نور پدیدهای انتزاعی نیست؛ بلکه اساس کار بسیاری از ابزارهای مفید و پدیدههای زیبای اطراف ماست.
عدسیها: شکل منحنی عدسی عینک، ذرهبین یا دوربین موبایل شما طوری طراحی شده که با شکست دادن نور، آن را متمرکز یا پراکنده کند. عدسی کوژ (همگرا) پرتوهای نور را به یک نقطه کانونی میرساند تا تصویر بزرگتری ببینیم. عدسی کاو (واگرا) برعکس عمل میکند و برای اصلاح برخی مشکلات بینایی در عینک استفاده میشود.
منشور و رنگینکمان: نور سفید خورشید در واقع ترکیبی از همه رنگها است. وقتی این نور وارد یک منشور شیشهای یا قطرات آب باران در آسمان میشود، رنگهای تشکیلدهنده آن به دلیل تفاوت اندک در ضریب شکست، به میزان متفاوتی شکسته میشوند. این باعث میشود رنگها از هم جدا شوند و طیف رنگینکمان زیبا را ببینیم.
توهمات نوری روزمره: وقتی یک نی را در لیوان آب میگذارید، به نظر میرسد در مرز آب و هوا شکسته شده است. این اتفاق چون نور بازتابیده از قسمت زیر آب، هنگام خروج از آب به هوا، از خط عمود دور میشود و مسیر متفاوتی به چشم ما میرسد. همین اتفاق برای ماهیهای داخل آکواریوم میافتد و ممکن است آنها را جایی غیر از مکان واقعیشان ببینیم.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. همانطور که یاد گرفتیم، این رابطه بستگی به تراکم دو محیط دارد. اگر نور از هوا به آب برود، بله، زاویه شکست کوچکتر است. اما اگر از آب به هوا برگردد، زاویه شکست بزرگتر خواهد بود.
پاسخ: در این حالت خاص، زاویه تابش صفر درجه است. طبق قانون اسنل، زاویه شکست نیز صفر درجه خواهد شد. یعنی نور بدون تغییر جهت و به صورت مستقیم وارد محیط دوم میشود، هرچند سرعتش تغییر میکند.
پاسخ: در این حالت ممکن است پدیده جالب دیگری به نام «بازتاب داخلی کلی» رخ دهد. وقتی زاویه تابش از یک حد مشخص (زاویه بحرانی) بیشتر شود، دیگر پرتو شکستی وجود ندارد و تمام نور مثل آینه، به داخل محیط اول (شیشه) بازتاب میکند. این اصل در ساخت فیبرهای نوری که دادهها را با نور منتقل میکنند، استفاده میشود.
پاورقی
۱. شکست نور (Light Refraction): پدیده تغییر مسیر موج نور هنگام عبور از یک محیط شفاف به محیطی دیگر به دلیل تغییر سرعت.
۲. قانون اسنل (Snell's Law): رابطه ریاضی بین زوایای تابش و شکست و ضرایب شکست دو محیط.
۳. خط نرمال (Normal Line): خط فرضی عمود بر سطح در نقطه برخورد پرتو نور.
۴. ضریب شکست (Refractive Index): عددی بدون بعد که نشاندهنده نسبت سرعت نور در خلأ به سرعت نور در یک محیط است و میزان کند شدن نور را بیان میکند.
۵. بازتاب داخلی کلی (Total Internal Reflection): پدیدهای که وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر به پایینتر میتابد و زاویه تابش از حد بحرانی بیشتر شود، رخ میدهد و در آن نور کاملاً به داخل محیط اول بازمیگردد.
