شکست نور چیست؟ – قوانین و علل شکست نور

شکست نور زمانی اتفاق می افتد که نور منحرف شده و  از محیطی به محیط دیگر با ضریب شکست و چگالی متفاوت وارد شود. علت این شکست این است که سرعت حرکت نور در محیط های مختلف که جنس و چگالی متفاوتی دارند، با یکدیگر متفاوت است. مثلا سرعت نور در هوا ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است ولی در شیشه و آب به ترتیب ۱۲۵ و ۲۲۵ هزار کیلومتر در ثانیه می باشد. در ساخت منشور، لنز و عدسی از ویژگی شکستهای نور استفاده می شود. یکی دیگر از نمونه های نور شکسته شده که می توانیم در طبیعت مشاهده کنیم، پدیده تشکیل رنگین کمان است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به موضوع شکست و ضریب شکست های نور، علت و کاربرد های آن می پردازیم.

فهرست مطالب :

۱- شکستن نور چیست؟

۲- فرمول ها و روابط شکست نورها

۳- شکست و بازتاب نور

۴- قوانین شکست نور و انواع ضریب شکست

۵- تعریف دیوپتر

۱-۵- جسم در محیط غلیظ باشد

۲-۵- جسم در محیط رقیق باشد

۶- شکستهای نور در منشور

۷ـ شکستهای نور در عدسی

۱- شکستن نور چیست؟

شکست نور در صورتی رخ می دهد که نور از محیط رقیقی به یک محیط غلیظ وارد شود، یا بالعکس. بنابراین آن را در این دو حالت بررسی می کنیم :

* در صورتی که نور از محیط رقیق به محیط غلیظ وارد شود، پرتو به خط فرضی که عمود بر سطح جدا کننده دو محیط است، نزدیک می شود.

* زمانی که نور از محیط غلیظ به محیط رقیق وارد شود، پرتو از خط عمود بر سطح جدا کننده دور می شود.

در صورتی که نور به سطح جدا کننده دو محیط به صورت عمود بتابد، بدون انحراف و شکستن وارد محیط دوم خواهد شد. زاویه برخورد نور با جسم و تغییرات سرعت آن دو عاملی هستند که میزان شکست نور به آن ها بستگی دارد. در صورتی که نور وارد جسمی شود که تغییرات سرعت را بیشتر می کند، شکست آن بیشتر خواهد بود. هر قدر زاویه ورود نور به محیط دوم بزرگتر باشد، شکست نور نیز بیشتر می شود. ضریب شکست نور در اجسام مختلف با یکدیگر متفاوت است و سرعت نور که با ضریب شکست ارتباط دارد، در محیط های مختلف از فرمول c\n  به دست می آید که c در این فرمول همان سرعت نور در خلا می باشد.

۲- فرمول ها و روابط شکست نورها :

قانون انسل فرمولی را ارائه می دهد که به وسیله آن می توانیم رابطه بین ضریب شکست دو محیط و زاویه انحراف آن ها را بررسی کنیم.

۳- شکست و بازتاب نور :

در تابیدن نور از محیطی به محیط دیگر زاویه مشخصی وجود دارد که اگر زاویه نور با خط عمود بیشتر از حد شود، بازتاب رخ می دهد، یعنی نور از محیط اول خارج نمی شود. این زاویه به نام زاویه حدی شکست معروف است.

۴- قوانین شکست نور و انواع ضریب شکست :

* محیط های شفاف، خط عمود بر سطح جدا کننده دو محیط، پرتو تابش و بازتاب همگی در یک صفحه قرار دارند.

* در مقایسه دو محیط شفاف مشخص، نسبت سینوس زاویه تابش به بازتاب مقدار ثابتی بوده و با علامت n نشان داده شده و ضریب شکست نام دارد. (همان قانون اسنل دکارت). ضریب شکست خلا را ضریب شکست مطلق می نامند و با حرف n نشان می دهند. در صورتی که نور از محیطی مثل هوا به آب وارد شود، ضریب شکست این محیط ها متفاوت خواهد بود. ضریب شکست نسبت این دو محیط با نسبت ضریب شکست دو محیط بیان می شود. n برابر خواهد بود با نسبت n محیط دوم به n محیط اول.

بسامد نور زمانی که از یک محیط شفاف با ضریب شکست و فرکانسی معین وارد محیط شفاف دوم با ضریب شکست  می شود، تغییر نکرده و ثابت باقی می ماند. از آنجایی که سرعت نور در محیط دوم به نسبت  تغییر می کند و بسامد ثابت است طول موج هم به همین نسبت تغییر می کند.

 ۵- تعریف دیوپتر:

مرکز جدا کننده دو محیط شفاف (مثل آب و شیشه) را دیوپتر می نامند. دیوپتر بین دو محیط می تواند به شکل کروی یا مسطح باشد.

۱-۵- جسم در محیط غلیظ باشد :

* تصویر تشکیل شده به فصل مشترک نزدیک می شود.

* در تابش عمودی فاصله جسم تا تصویر برابر است با :

حاصلضرب x در ۱ – ۱\n  است.

۲-۵- جسم در محیط رقیق باشد :

* تصویر تشکیل شده به دیوپتر نزدیک می شود.

* فاصله جسم تا تصویر در تابش عمودی برابر با x (n-1) است.

۶- شکستهای نور در منشور :

منشور جسمی با قائده مثلثی شکل و دو وجه است که وجوه آن با هم مساوی نیستند و از جنس ماده ای شفاف مثل شیشه است. معمولا محیط درون منشور را غلیظ تر از محیط بیرونی در نظر می گیریم به همین دلیل است که وقتی پرتو نوری به آن برخورد می کند، شکسته شده و از مسیر خود منحرف می شود. پرتو شکسته شده هنگام خروج از منشور نیز برای بار دوم شکسته می شود و پرتو شکست آن به قائده نزدیک می شود.

نکته :

اهمیت منشور در واقع زمانی مشخص شد که نیوتن از آن برای تجزیه نور خورشید به طیفی از رنگ ها استفاده کرد و ثابت شد که نور سفید شامل تمام نور های رنگین کمان، قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نارنجی و بنفش است. در واقع علت ایجاد این طیف رنگی متفاوت بودن ضریب شکست رنگ های مختلف است، مثلا در بین این رنگ ها قرمز بیشترین طول موج و نور بنفش کمترین طول موج دارد. این اختلاف طول موج و ضریب شکست که مقدار اندکی است موجب شده هر یک از این رنگ ها با زاویه متفاوتی شکست پیدا کرده و رنگین کمان را به وجود بیاورند (نور قرمز کمترین شکست و نور آبی بیشترین مقدار شکست را دارد).

۷ـ شکستهای نور در عدسی :

لنز یا عدسی جسمی است که حداقل یک یک سطحش خمیده بوده و از جنس ماده ای شفاف مثل شیشه است. برای متمرکز یا پراکنده کردن پرتو های نور و به طور کلی تغییر دادن جهت آن ها از لنز ها استفاده می کنیم. لنز ها می توانند (محدب)، (همگرا) یا (کوژ) و یا (مقعر)، (واگرا)، کاو باشند.

* عدسی محدب :

لنز یا عدسی های محدب لبه هایی دارند که از قسمت مرکزی عدسی نازک تر است این عدسی بسته به کاربردش در اشکال مختلفی ساخته می شود. این عدسی در ساخت تلسکوپ، دوربین های شکاری و فیلم برداری، میکروسکوپ و انواع پروژکتور ها کاربرد دارد. پرتو های موازی نور بعد از تابیدن به عدسی محدب از آن عبور کرده و در ناحیه کانونی عدسی متمرکز می شوند.

* عدسی مقعر :

ضخامت عدسی مقعر بر خلاف نوع محدب، در وسط بیشتر از لبه ها است این نوع عدسی با توجه به کاربرد هایش در اشکال مختلف ساخته می شود. پرتو های نور بعد از عبور از این عدسی، واگرا می شوند.