شکست نور ؛ قوانین و کاربردها
اگر دستمان را زیر آب ببریم مطمئناً در تصویر آن نسبت به بخشی که در آب نیست انحراف می بینیم. اگر در استخر آب، کف استخر را مشاهده کنیم، احساس می کنیم عمق آب کمتر از آن چیزی است که گفته شده است. همه اینها یک پدیده فیزیکی به نام شکست نور را بیان می کنند که در این بخش به بیان این پدیده می پردازیم.
شکست نور یک پدیده اپتیکی است که در آن نور رسیده از یک منبع نورانی (مانند لامپ، خورشید و ستارگان) به خاطر تغییر سرعتی که برای آن در دو محیط با ضریب شکست متفاوت رخ می دهد دچار تغییر مسیر می شود؛ لذا هنگامی که شخص به این نور نگاه می کند گویی که نور دچار شکست شده است. سرعت نور در محیط های شفاف مختلف یکسان نیست، به طوری که بیشترین سرعت آن در خلاء (یا تقریباً هوا) بوده و برابر 300000 کیلومتر بر ثانیه است.
در محیط های دیگر مثل آب، شیشه و ... سرعت نور کمتر از این مقدار است؛ لذا هنگامی که محیط حرکت نور از نظر غلظت تغییر می کند سرعت آن نیز تغییر می نماید و با افزایش غلظت سرعت کاهش پیدا می کند و بر عکس. به این ترتیب علت شکست نور تغییر سرعت آن هنگام وارد شدن به محیط شفاف دوم است. وقتی نور از محیط های شفاف مختلف عبور می كند، رفتار آن تغییر می كند. در این بخش می خواهیم رفتار نور در محیط های شفاف مختلف را بررسی كنیم. هنگامی که نور به یک محیط شفاف وارد یا از آن خارج می شود ممکن است پرتوهای نور شکست یابند و اثرهای جالب و گاهی زیبا را پدید آورند.
مثلاً اگر به یک سکه در ته لیوانی پر از آب نگاه کنید سکه بالاتر از محل واقعی خود به نظر می رسد یا وقتی که یک قاشق را به طور مایل در لیوان آب فرو می برید آن را در محل ورود به آب شکسته می بینید. برعکس اگر جسم در هوا باشد و از محیط غلیظ به آن نگاه کنیم جسم دورتر به نظر می رسد. اگر به کف یک استخر نگاه کنید عمق آب کمتر از عمق واقعی به نظر می رسد، اگر در راستای نزدیک به خط قائم به کف استخر پر از آبی به عمق 5 متر نگاه کنید عمق آن تقریباً 4 متر به نظر می رسد.
قوانین شکست نور
پرتو تابش، پرتو شکست و خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط شفاف هر سه در یک صفحه واقعند. برای دو محیط شفاف معین نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست مقداری ثابت است. این مقدار ثابت را به n نشان می دهند و آن را ضریب شکست می نامند. قوانین شکست را قوانین اسنل - دکارت می گویند. اگر سرعت نور را در هوا به V1 و در محیط شفاف به V2 نمایش دهیم با اندازه گیری هایی که در مورد سرعت نور به عمل آمده، معلوم شده است که:n = V2/V1
ضریب شکست مطلق و نسبی هر گاه یک دسته پرتو نور از خلأ وارد محیط شفافی شوند n = Sini/Sinp را ضریب شکست مطلق می نامند.
چنانچه نور از یک محیط شفاف (مثل آب) وارد محیط شفاف دیگری مثل (شیشه) شود، نسبت Sini/Sinp، ضریب شکست نسبی خواهد بود. اگر ضریب شکست مطلق محیط اول n1 و ضریب شکست مطلق محیط دوم n2 باشد، ضریب شکست نسبی این دو محیط عبارت خواهد بود از: n = n2/n1
وقتی که نوری با فرکانس معین از محیط شفافی به ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگری به ضریب شکست n2 می شود، بسامد آن تغییر نمی کند، در نتیجه تغییر سرعت نور در محیط دوم به نسبت n1/n2 باعث تغییر طول موج نور به نسبت n1/n2 می شود. در این صورت داریم:
شکست نور در تیغه شیشه ای
وقتی نور به شیشه می تابد چون طرفین آن هوا (یا محیطی) با جنس یکسان است؛ مثلاً طرفین تیغه شیشه ایی هوا باشد در سطح اول مقداری منحرف می شود، این شکست اولیه یک جا به جایی داخلی را برای این نور سبب می شود و در سطح دوم دوباره یک شکست دیگری پیدا کرده و امتداد اولیه خود را می یابد. پدیده شکست در مرز مشترک محیط ها از قانون اسنل تبعیت می کند.
n1 sin (i) = n2 sin (r)
شکست نور در اجسام کروی و منشور
در سیستم های نوری با اجزای نوری همچون آینه ها، عدسی ها، منشورها و ... قوانین اسنل مربوط به شکست و انعکاس مسیر پرتو را می دهد. اگر سطح کروی ما یک دیوپترهای کروی (سطح شکست کروی) باشد که دو محیط با جنس های مختلف نوری را از هم جدا می کند باشد.
مثلاً از یک ستاره ای در بینهایت نور به یک دیوپتر کروی بتابد، هم در بی نهایت است؛ و پرتوهای تابش موازی هم می آیند و موازی محور اصلی دیوپتر به قسمت های مختلف آن می خورند و بعد از شکست در دیوپتر خود یا امتدادهایشان از کانون دیوپتر عبور می کنند. محل تقاطع نقطه منفردی است و نیز شکست دو مرحله ای منشورها که طیف سالم و دقیق نور سفید را ایجاد می نمایند.
مطلب مرتبط: مسئله آزمایش شکست نــور
کاربردهای شکست نور
با استفاده از پدیده شکست نور می توان نور سفید یا نورهای مخلوط از چندین طول موج را به امواج تشکیل دهنده آن تجزیه نمود. اساس این پدیده متفاوت بودن سرعت نور در محیط های شفاف بر حسب طول موج نور است، به این ترتیب که هرچه طول موج بیشتر باشد سرعت نور در آن محیط نیز بیشتر خواهد بود.
بنابراین نورهای مختلف با طول موج های مختلف مسیرهای متفاوتی را طی کرده و دچار شکست های متفاوتی می شوند. نتیجه این عمل جدا شدن امواج با طول موج های متفاوت از یکدیگر خواهد بود. این پدیده را می توان به طور طبیعی در رنگین کمان مشاهده کرد. قطرات آب باران نور خورشید را به طول موج های مختلف تجزیه می کنند و رنگین کمان در آسمان مشاهده می شود.
