شکست نور – به زبان ساده

شکست نور را می‌توان به سادگی در زندگی روزمره مشاهده کرد. به عنوان مثال، یک کاسه را از آب پر کرده و مدادی را داخل آب قرار دهید به طوری که قسمتی از مداد در دست شما باشد. حال از بیرون به مداد داخل آب نگاه کنید، چیزی که می‌بینید این است که مداد شما در داخل آب خم و اندازه آن بزرگتر شده است. این پدیده همان چیزی است که در فیزیک به عنوان شکست نور شناخته می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس علت و شرایط شکست نور را بررسی می‌کنیم.

شکست نور و علت آن چیست؟

زمانی که نور از یک محیط با چگالی کمتر به محیطی با چگالی بیشتر یا بالعکس وارد می‌شود، پرتو نور نمی‌تواند سرعت خود را حفظ کند و این موضوع سبب می‌شود پرتو نور شکسته شود. در حقیقت، شکست نور به معنی خم شدن پرتو نور است. از این ویژگی نور در ساخت عینک، عدسی یا لنز و منشور استفاده می‌شود. پدیده رنگین کمان نیز به دلیل شکست نور اتفاق می‌افتد. این پدیده به قدری مهم است که عدم وجود آن منجر به ناتوانی ما در دیدن اجسام می‌شود، زیرا به علت شکست نور، پرتو نوری در شبکیه متمرکز شده و اجسام دیده می‌شوند.

میزان خم شدگی یا شکست نور به دو موضوع بستگی دارد:

• تغییرات سرعت: اگر جنس جسمی که نور به آن وارد می‌شود، سبب شود که میزان تغییرات سرعت نور بالا باشد، شکست یا خم‌شدگی نور بیشتر خواهد شد.
• زاویه برخورد نور با جسم: هر چه نور تحت زاویه بزرگتری وارد فضای دوم شود، زاویه خم شدگی یا شکست نور بزرگتر خواهد بود. از طرف دیگر، اگر نور تحت زاویه $$90^{\circ}$$ وارد فضای دوم شود، سرعت آن تغییر کرده، ولی در جهت پرتو تغییری ایجاد نمی‌شود.

زاویه برخورد و شکست در شکل (۲) نمایش داده شده‌اند. خط‌چین فرضی در شکل (۲) به عنوان خط نُرمال یا عمود شناخته می‌شود.

ضریب شکست برای اجسام مختلف متفاوت است. در جدول (۱)، ضریب شکست و سرعت نور در هوا، آب، شیشه و الماس آورده شده است. همان طور که از جدول (۱) مشخص است، سرعت نور در هریک از عناصر مختلف برابر با $$\frac{c}{n}$$ بوده که $$n$$ ضریب شکست محیط است.

اگر نور وارد محیطی با ضریب شکست بالاتر از محیط اولیه شود (مثلاً از هوا وارد شیشه شود)، سرعت نور کاهش می‌یابد و به خط نرمال نزدیکتر می‌شود. اگر نور وارد هر محیطی با ضریب شکست کوچکتر از محیط اولیه شود (مثلاً از آب وارد هوا شود)، سرعت نور افزایش پیدا کرده و از خط نرمال دورتر می‌شود. این موضوع در شکل (۳)، نمایش داده شده است.

فرمول و روابط شکست نور

بین ضریب شکست دو محیط و زاویه انحراف آن‌ها، که نور بین‌شان در حرکت است، رابطه‌ای وجود دارد که توسط قانون اسنل بیان می‌شود و داریم:

$$\large n_{1}\sin \theta_{1}=n_{2}\sin \theta_{2}$$

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

در شکل (۴)، $$\theta_{1}$$، $$\theta_{2}$$، $$n_{1}$$ و $$n_{2}$$ نمایش داده شده‌‌اند.

همچنین می‌توان نشان داد که اگر نور بعد از خروج از محیط دوم وارد محیط سومی همانند محیط اول شود، با همان زاویه‌ای که برخورد کرده خارج می‌شود، به گونه‌ای که تصور می‌شود در راستای حرکت پرتو هیچ تغییری رخ نداده است. این موضوع در شکل (۵) نمایش داده شده است.

مثال ۱: در عبور پرتو نوری از هوا به شیشه، اگر زاویه برخورد با خط افق $$30^{\circ}$$ بوده و ضرایب شکست در هوا و شیشه به ترتیب ۱٫۰۰ و ۱٫۵۲ باشند، زاویه شکست پرتو در محیط دوم با خط افق چه قدر است؟

حل: حل مسائل مربوط به شکست نور بسیار ساده است. تنها نکته این است که در سوال دقت کنید چه زاویه‌ای داده شده است. در رابطه اسنل، زاویه‌های پرتو نوری با خط نرمال در معادله قرار می‌گیرد، ولی در این مسئله زاویه با خط افق داده شده است. در نتیجه زاویه ورودی با خط نرمال برابر با $$90-30=60^{\circ}$$ است. با قرار دادن مقادیر مسئله در قانون اسنل، می‌توان نوشت:

$$\large 1\times\sin (60)=1.52\times\sin \theta_{2}$$

بدین ترتیب $$\theta_{2}=34.7\approx35^{\circ}$$ است. چون در مسئله زاویه با خط افق بردار خروجی خواسته شده، داریم:

$$\acute{\theta}_{2}=90-35=55^{\circ}$$

بازتاب و شکست نور

برای هر محیطی، در یک زاویه مشخص، نور به سمت داخل محیط ابتدایی بازمی‌گردد. در این حالت، پدیده بازتاب رخ می‌دهد. برای محاسبه زاویه حدی شکست در هر محیط از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$$\large n_{1}\sin(\theta_{crit}) = n_{2}$$

فیلم آموزش تشکیل تصویر در شکست نور (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

زیرا $$\theta_{2}$$ برابر با $$90^{\circ}$$ است و سینوس زاویه ۹۰ درجه، یک است.

بدین ترتیب زاویه حدی برای شکست در هر محیطی به دست می‌آید که در این صورت برای زوایای برخورد بزرگتر از زاویه حدی، بازتاب رخ می‌دهد.

مثال ۲: اگر ضریب شکست نور در هوا ۱٫۰۰۳ و ضریب شکست در آب ۱٫۳۳۳ باشد، زاویه حدی برای آب چه‌قدر است؟

حل: با استفاده از قانون اسنل داریم:

$$\large n_{1}\sin \theta_{1}=n_{2}\sin \theta_{2}$$

در حالت حدی $$\theta_{2}$$ برابر با $$90^{\circ}$$ است و قانون اسنل به شکل زیر درمی‌آید:

$$\large n_{1}\sin(\theta_{crit}) = n_{2}$$

در نتیجه داریم:

$$\large\sin(\theta_{crit}) = \frac{n_{2}}{n_{1}}$$

بدین ترتیب $$\theta_{crit} = 48.8^{\circ}$$ به دست می‌آید.

شکست نور در عدسی

یک تکه شیشه یا هر ماده شفاف دیگری که دارای حداقل یک سطح خمیده باشد، لنز یا عدسی است. از لنزها برای تغییر جهت پرتوهای نوری که از آن‌ها عبور می‌کنند (تمرکز یا پراکندگی اشعه)، استفاده می‌شود.

یک لنز «محدب»، «کوژ» یا «همگرا» (Biconvex) که در شکل (۷) نشان داده شده، در وسط ضخیم‌تر از لبه‌ها است.

از این گونه لنزها برای ذره‌بین استفاده می‌شود. پرتوهای موازی نور پس از عبور از این عدسی در یک نقطه که به عنوان نقطه کانونی شناخته می‌شود، متمرکز می‌شوند.

لنز «مقعر»، «کاو» یا «واگرا» (Biconcave) که در شکل (۸) نمایش داده شده، در وسط از لبه ها نازکتر است. پرتوهای نوری پس از عبور از این لنزها واگرا می‌شوند.

شکست نور در منشور

منشور و آزمایش معروف ایزاک نیوتن در فیزیک بسیار شناخته شده است. نیوتن در این آزمایش، از درخشش نور خورشید از طریق پنجره اتاق خود استفاده می‌کرد تا طیفی از رنگ‌ها را در طرف مقابل اتاق خود ایجاد کند.

این آزمایش نشان داد که نور سفید شامل تمام رنگ‌های رنگین‌کمان است. هفت رنگ با نام اختصاری "ROY G BIV" که به ترتیب معرف قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش هستند، بعد از شکست نور سفید مشاهده شدند.

همچنین نیوتن نشان داد كه هیچ یک از این رنگ‌ها قابلیت تبدیل شدن به رنگ‌های دیگر ایجاد شده از منشور را ندارند. او نشان داد که ترکیب دوباره این هفت‌ رنگ نور سفید را ایجاد می‌کند.

سوالی که مطرح می‌شود این است که چگونه نور سفید به هفت رنگ رنگین کمان تجزیه می‌شود و دلیل این اتفاق چیست؟ همان‌طور که می‌دانید نور یک موج الکترومغناطیسی است و نور قرمز طول موج بلندتری نسبت به نور بنفش دارد. در نتیجه ضریب شکست برای نور قرمز با بنفش کمی متفاوت است و سرعت پرتو بنفش کمی بیشتر از پرتو قرمز کم می‌شود. به این ترتیب زاویه شکست نور بنفش کمی از نور قرمز بیشتر خواهد بود. برای مثال، ضریب شکست نور قرمز در شیشه 1٫513 و ضریب شکست نور بنفش 1٫532 است. این اختلاف جزئی به اندازه‌ای است تا نور با طول موج کوتاهتر بیشتر خمش پیدا کند.