پاشندگی نور: راز رنگینکمان پشت منشور
نور سفید، مهمانی از همه رنگها
چشمان ما نور سفید خورشید یا یک لامپ را یک رنگ واحد میبینند، اما واقعیت چیز دیگری است. نور سفید در حقیقت ترکیبی از تمام رنگهای طیف مرئی است. ایزاک نیوتن، دانشمند بزرگ، برای اولین بار با یک آزمایش ساده این حقیقت را به جهان نشان داد. او نور خورشید را از یک روزنه باریک عبور داد و آن را به یک منشور شیشهای مثلثی شکل تاباند. در طرف دیگر منشور، به جای یک نقطه نور سفید، نوار رنگارنگ و زیبایی از رنگها بر روی دیوار ظاهر شد. این طیف رنگینکمانی به ترتیب شامل این رنگهاست: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش.
چرا رنگها از هم جدا میشوند؟ نقش ضریب شکست
برای فهم دلیل پاشندگی، باید دو مفهوم مهم را بشناسیم: شکست نور و ضریب شکست[2].
شکست نور همان خمیدگی پرتو نور وقتی از یک ماده شفاف (مثل هوا) به ماده دیگری (مثل شیشه یا آب) وارد میشود است. مثال معروف آن، «شکسته به نظر رسیدن مداد داخل لیوان آب» است. میزان این خم شدگی به عددی به نام ضریب شکست (n) بستگی دارد. هرچه این عدد برای یک ماده بزرگتر باشد، نور در آن ماده کندتر حرکت میکند و بیشتر میشکند.
حالا نکته اصلی اینجاست: ضریب شکست یک ماده (مثل شیشه منشور) برای همه رنگهای نور یکسان نیست. نور بنفش که کوتاهترین طول موج[3] را دارد، بیشتر از نور قرمز که بلندترین طول موج را دارد، با اتمهای شیشه تعامل میکند. در نتیجه، شیشه برای نور بنفش ضریب شکست بزرگتری دارد و آن را بیشتر میشکند. نور قرمز با ضریب شکست کوچکتر، کمتر منحرف میشود. این تفاوت در میزان شکست، باعث میشود رنگها پس از عبور از منشور با زوایای مختلفی خارج شده و از هم جدا شوند.
| رنگ نور | طول موج تقریبی (نانومتر) | ضریب شکست در شیشه نمونه | میزان انحراف در منشور |
|---|---|---|---|
| بنفش | ~400 | 1.53 (بیشترین) | بیشترین |
| آبی - سبز | ~500 | 1.52 | متوسط |
| قرمز | ~700 | 1.51 (کمترین) | کمترین |
این رابطه را میتوان با یک فرمول ساده نشان داد. قانون اسنل[4] که شکست نور را توصیف میکند، میگوید: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$. در پاشندگی، چون $n_2$ (ضریب شکست شیشه) برای هر رنگ متفاوت است، $\theta_2$ (زاویه شکست) نیز برای هر رنگ فرق خواهد کرد.
پاشندگی فقط در منشور نیست! از رنگینکمان تا سیدی
پدیده پاشندگی مختص آزمایشگاه نیست و مثالهای ملموس و زیبایی در طبیعت و زندگی روزمره دارد:
رنگینکمان: معروفترین مثال طبیعی پاشندگی است. قطرات ریز آب باران در آسمان مانند میلیونها منشور کوچک عمل میکنند. آنها نور سفید خورشید را تجزیه کرده و طیف رنگارنگی را در آسمان ایجاد میکنند.
پشت جلد کتاب یا صفحه سیدی/دیویدی: سطح این صفحات دارای شیارهای بسیار ریز و منظمی است که نور سفید را بر اساس پدیدهای مشابه (پراش) به رنگهای مختلف تجزیه میکند. وقتی صفحه را کج میکنید، رنگهای درخشان و متفاوتی را میبینید.
عدسی دوربینها و عینکها: اگر از عدسیهای ارزانقیمت استفاده کنید، گاهی در لبههای تصویر، حاشیههای رنگی میبینید (مثلاً دور یک جسم سفید روی زمینه تاریک). این همان ابیراهی رنگی است که نوعی اثر ناخواسته پاشندگی در عدسیهاست. برای رفع آن، در عدسیهای باکیفیت از ترکیب چند عدسی از جنس شیشههای مختلف استفاده میشود.
الماس: درخشش خیرهکننده و رنگهای بازیافکن الماس تا حد زیادی به دلیل ضریب شکست بسیار بالا و پاشندگی قوی آن است که نور سفید را به طیف زیبایی از رنگها تجزیه میکند.
سوالات متداول درباره پاشندگی نور
بله، تقریباً هر ماده شفافی تا حدی خاصیت پاشندگی دارد. اما شکل منشور مثلثی به گونهای است که این جداسازی را به بهترین شکل و به صورت یک نوار پهن شده نشان میدهد. اگر نور سفید از یک تخته شیشه مستطیلی با سطح موازی عبور کند، رنگها در داخل شیشه کمی از هم جدا میشوند، اما چون سطح خروجی موازی سطح ورودی است، در پایان دوباره همراستا میشوند و شما یک نوار رنگی واضح نمیبینید.
چرا در رنگینکمان، رنگ قرمز همیشه در بالای کمان و بنفش در پایین آن است؟این دقیقاً به همان دلیل تفاوت در میزان شکست برمیگردد. در هر قطره آب، نور بنفش بیشتر از نور قرمز میشکند و درنتیجه برای رسیدن به چشم شما از مسیر متفاوت و زاویه کمتری نسبت به قرمز عبور میکند. وقتی به مجموعه قطرات نگاه میکنید، نور بنفش حاصل از قطراتی که در موقعیت پایینتری نسبت به قرمزها قرار دارند، به چشم شما میرسد و در نتیجه رنگ بنفش در حاشیه پایینی کمان دیده میشود.
آیا میتوان رنگهای تجزیه شده را دوباره به نور سفید تبدیل کرد؟بله! این بخش جالب ماجراست. نیوتن پس از تجزیه نور سفید با یک منشور، از یک عدسی محدب یا یک منشور دوم که وارونه نسبت به اولی قرار میگرفت استفاده کرد. وقتی طیف رنگینکمانی از عدسی یا منشور دوم عبور میکرد، همه رنگها دوباره با هم ترکیب شده و نور سفید را تشکیل میدادند. این ثابت میکند که پاشندگی یک فرآیند معکوسپذیر است.
پاورقی
[1]پاشندگی (Dispersion): پدیدهای که در آن نور سفید به رنگهای تشکیلدهنده آن تجزیه میشود. این اتفاق به دلیل وابستگی ضریب شکست محیط به طول موج (رنگ) نور رخ میدهد.
[2]ضریب شکست (Refractive Index): عددی که نشان میدهد سرعت نور در یک ماده مشخص، چند برابر کمتر از سرعت نور در خلأ است. هرچه این عدد بزرگتر باشد، نور در آن ماده کندتر حرکت کرده و بیشتر میشکند.
[3]طول موج (Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی یک موج. در نور مرئی، رنگ قرمز دارای بلندترین طول موج (~700 نانومتر) و رنگ بنفش دارای کوتاهترین طول موج (~400 نانومتر) است.
[4]قانون اسنل (Snell's Law): قانونی که رابطه بین زوایای تابش و شکست نور در مرز دو محیط و ضرایب شکست آنها را بیان میکند: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$.
