شکست نور چیست؟

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 وارد فضای دوم شود، سرعت آن تغییر کرده، ولی در جهت پرتو تغییری ایجاد نمی‌شود.

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:

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.

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.