شکست نور در منشور: سفری رنگارنگ به دنیای نور
نور چگونه و چرا میشکند؟
پیش از پرداختن به منشور، باید بفهمیم شکست نور به طور کلی چیست. به یاد بیاورید وقتی یک مداد را داخل لیوان آب میگذارید، به نظر میرسد در محل برخورد با آب شکسته شده است. این یک خطای دید نیست، بلکه پدیدهای فیزیکی به نام شکست نور است.
علت اصلی شکست، تغییر سرعت نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر است. نور در خلأ یا هوا سریعتر حرکت میکند. وقتی وارد محیطی متراکمتر مانند آب یا شیشه میشود، سرعتش کاهش مییابد و این کاهش سرعت باعث تغییر مسیر یا «خم شدن» پرتو نور میشود. میزان این خمیدگی به دو چیز بستگی دارد:
- میزان تغییر سرعت (جنس ماده)
- زاویهای که نور با آن به سطح میتابد.
برای اندازهگیری این اثر از کمیتی به نام ضریب شکست ($ n $) استفاده میکنیم. ضریب شکست نشان میدهد سرعت نور در یک ماده چقدر کمتر از سرعت نور در خلأ است. هرچه این عدد بزرگتر باشد، ماده چگالتر نوری است و نور بیشتر کند میشود.
| محیط (ماده) | ضریب شکست تقریبی (n) | مثال عینی |
|---|---|---|
| هوا | 1.0003 (نزدیک به 1) | محیط معمولی زندگی |
| آب | 1.33 | مداد شکسته در لیوان آب |
| شیشه (معمولی) | 1.52 | پنجره و عدسی عینک |
| الماس | 2.42 | درخشش و بازی رنگها در جواهر |
نکته مهم: تمام زاویهها نسبت به خط عمود (خطچین فرضی بر سطح) اندازهگیری میشوند.
منشور چیست و نور در آن چه مسیری را طی میکند؟
منشور معمولاً یک قطعه شیشهای یا پلاستیکی شفاف به شکل مثلث است. برخلاف عدسی که سطحی خمیده دارد، منشور سطوح صاف دارد. هنگامی که یک پرتو نور سفید (مثل نور خورشید) به یکی از وجههای منشور میتابد، داستان جذابی آغاز میشود.
مسیر نور در منشور را میتوان در چهار گام خلاصه کرد:
- شکست هنگام ورود: نور از هوا (ضریب شکست پایین) وارد شیشه (ضریب شکست بالا) میشود. طبق قانون اسنل، سرعت نور کاهش یافته و پرتو به سمت خط عمود بر سطح خم میشود (نزدیکتر میشود).
- حرکت درون منشور: نور در داخل شیشه و در یک خط مستقیم حرکت میکند تا به وجه دیگر برخورد کند.
- شکست هنگام خروج: در این مرحله، نور از شیشه (چگال) قصد خروج به هوا (رقیق) را دارد. این بار سرعتش افزایش مییابد و پرتو از خط عمود دور میشود.
- تشکیل باریکه خروجی: نور از منشور خارج میشود، اما در مسیری موازی با مسیر اولیه خود نیست. به این تغییر کلی مسیر، انحراف نور میگویند.
اگر منشور و تابش نور به گونهای باشد که نور در داخل منشور به قاعده آن موازی شود، انحراف نور به حداقل مقدار خود میرسد که به آن انحراف حداقل میگویند.
جادوی رنگها: چرا نور سفید در منشور تجزیه میشود؟
تا اینجا فهمیدیم نور در منشور منحرف میشود. اما سوال جالبتر اینجاست: چرا به جای یک نور سفید منحرف شده، یک رنگینکمان زیبا میبینیم؟
نور سفید خورشید در واقع ترکیبی از همه رنگهاست. ایزاک نیوتن با آزمایش معروف خود با منشور این موضوع را ثابت کرد. او نشان داد نور سفید از رنگهای قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش (مخفف: قانبسنیز) تشکیل شده است.
دلیل تجزیه یا پاشندگی نور این است که ضریب شکست شیشه برای همه رنگها یکسان نیست. نور بنفش (با طول موج کوتاهتر) نسبت به نور قرمز (با طول موج بلندتر) بیشتر کند میشود. یعنی ضریب شکست شیشه برای نور بنفش کمی بزرگتر از ضریب شکست آن برای نور قرمز است.
طبق قانون اسنل، اگر ضریب شکست ($ n_2 $) بزرگتر باشد، نور بیشتر به سمت خط عمود میشکند (یعنی زاویه شکست کوچکتر میشود). بنابراین، هنگام ورود و خروج از منشور، نور بنفش بیش از نور قرمز خم میشود. این اختلاف اندک در خمیدگی، پس از خروج از منشور، به اندازهای میشود که رنگها کاملاً از هم جدا شده و طیف زیبایی را تشکیل میدهند.
ترتیب رنگها در طیف همیشه ثابت است: قرمز (که کمترین انحراف را دارد) در یک طرف و بنفش (که بیشترین انحراف را دارد) در طرف دیگر قرار میگیرد.
از آزمایشگاه نیوتن تا آسمان بارانی: کاربردهای پدیده شکست در منشور
شکست نور در منشور تنها یک آزمایش درسی نیست، بلکه در پدیدههای طبیعی و فناوریهای اطراف ما حضور پررنگی دارد.
- رنگینکمان: معروفترین مثال طبیعی است. هر قطره باران مانند یک منشور کروی کوچک عمل میکند. نور خورشید وارد قطره میشود، در پشت آن بازتاب داخلی پیدا میکند و هنگام خروج شکسته میشود. از آنجایی که ضریب شکست آب برای رنگهای مختلف متفاوت است، طیف رنگینکمان در آسمان پدیدار میشود.
- ابزارهای نوری: از منشورها در برخی تلسکوپها، دوربینهای دوچشمی و میکروسکوپها برای تغییر مسیر نور و چرخاندن تصویر استفاده میشود. همچنین منشورهای خاصی به نام منشورهای پاشنده در دستگاههای طیفسنج برای تحلیل دقیق نور ستارگان یا مواد شیمیایی به کار میروند.
- تزیین و هنر: آویزهای کریستالی، تراشهای شیشهای و برخی جواهرات به گونهای طراحی میشوند که با شکست و پاشندگی نور، بازی رنگهای درخشانی ایجاد کنند.
- هاله خورشیدی: گاهی در روزهای سرد، بلورهای ریز یخ در لایههای بالایی جو مانند میلیونها منشور کوچک عمل کرده و حلقهای رنگی دور خورشید ایجاد میکنند که به آن هاله خورشیدی میگویند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. یک حالت استثنا وجود دارد. اگر پرتو نور عمود بر سطح (یعنی با زاویه صفر درجه نسبت به خط عمود) بتابد، با وجود تغییر سرعت، جهت آن تغییر نمیکند و بدون خمیدگی وارد محیط دوم میشود. در این حالت شکست رخ داده اما انحراف یا خمیدگی مشاهده نمیشود.
دو دلیل اصلی دارد: اولاً سطوح پنجره موازی هستند. نور هنگام ورود به شیشه منحرف میشود، اما هنگام خروج از سطح موازی، انحرافش دقیقاً خنثی میشود و در مسیر موازی اولیه خود خارج میگردد. ثانیاً، برای دیدن واضح پاشندگی، نیاز به شیشه با ضخامت کافی و سطوح غیرموازی (مثل مثلث) داریم تا انحراف رنگها جمع شده و از هم جدا شوند.
بسیاری از دانشآموزان هنگام ترسیم، زاویه تابش و شکست را نسبت به خود سطح منشور اندازه میگیرند. در حالی که در قانون اسنل، این زاویهها باید حتماً نسبت به خط عمود (خطچین فرضی) بر سطح اندازهگیری شوند. رعایت این نکته برای ترسیم و حل مسئله صحیح، بسیار مهم است.
پاورقی
۱. ضریب شکست (Refractive Index): نسبت سرعت نور در خلأ به سرعت نور در یک محیط شفاف. این عدد نشاندهنده میزان کند شدن نور در آن ماده است.
۲. قانون اسنل (Snell’s Law): رابطه ریاضی بین زاویه تابش، زاویه شکست و ضرایب شکست دو محیط در پدیده شکست نور.
۳. پاشندگی نور (Dispersion of Light): پدیده تجزیه نور سفید به رنگهای تشکیلدهنده آن به دلیل وابستگی ضریب شکست به طول موج (رنگ) نور.
