شکست (امواج)

در فیزیک، شکست (به انگلیسی: Refraction)، تغییر در جهت یک موج عبور کننده از یک محیط به محیط دیگر یا یک محیط با تغییرات تدریجی است.[۱] شکست نور متداول‌ترین پدیده مشاهده شده در طبیعت است، اما امواج دیگر مانند امواج صوتی، امواج آب و امواج رادیویی نیز شکست را تجربه می‌کنند. میزان شکست یک موج با تغییر سرعت موج و جهت اولیه انتشار موج نسبت به جهت تغییر سرعت تعیین می‌شود.

شکست پرتوی از نور در یک بلوک پلاستیکی.

شکست نور یک پدیده نورشناسی است که در آن نور رسیده از یک منبع نورانی (مانند لامپ، خورشید و ستارگان) به خاطر تغییر سرعت در دو محیط با ضریب شکست متفاوت تغییر مسیر می‌دهد.[۲][۳] هنگامی که شخص به این نور نگاه می‌کند گویی که نور دچار شکست شده‌است.[۴] برای نور، شکست از قانون اسنل پیروی می‌کند، که می‌گوید: برای یک جفت محیط معین، نسبت سینوس‌های زاویه تابش θ1 و زاویه شکست θ2 برابر با نسبت سرعت فاز (v1 / v2) در دو محیط، یا معادل آن، با شاخص‌های شکست (n2 / n1) دو محیط است.[۵]

بخشی از قلم که در آب فرورفته به دلیل شکست نور در سطح آب به نظر خمیده می‌آید.

منشورهای نوری و عدسی مانند چشم انسان از شکست برای هدایت نور استفاده می‌کنند. شاخص شکست (refractive index) مواد با طول موج نور تغییر می‌کند،[۶] و به همین طریق زاویه شکست نیز تغییر می‌کند. این پدیده پراکنش نامیده می‌شود و باعث می‌شود منشورها و رنگین کمان‌ها نور سفید را به رنگ‌های طیفی تشکیل دهنده آن تجزیه کنند.[۷]

کاربردها

 
هرگاه موجی به محیطی رقیقتر وارد می‌شود جبهه موج فشرده می‌شود. اگر موج تغییر جهت دهد جبهه موج در یک مسیر پیوسته می‌ماند.

با استفاده از پدیده شکست نور می‌توان 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 محیط‌های 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[۸]؛ بنابراین نورهای مختلف با طول موج‌های مختلف مسیرهای متفاوتی را طی کرده و دچار شکست‌های متفاوتی می‌شوند.[۹] نتیجه این عمل جدا شدن امواج با طول موج‌های متفاوت از یکدیگر خواهد بود. این پدیده را می‌توان به‌طور طبیعی در رنگین کمان مشاهده کرد. قطرات آب باران نور خورشید را به طول موج‌های مختلف تجزیه می‌کنند و رنگین کمان در آسمان مشاهده می‌شود.

شکست نور

سرعت نور در محیط‌های شفاف مختلف یکسان نیست، بطوریکه بیشترین سرعت آن در خلأ (یا تقریباً هوا) بوده و برابر ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه (نزدیک ۳۰۰٫۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) است. در محیط‌های دیگر مثل آب و شیشه و غیره سرعت نور کمتر از این مقدار است؛ لذا هنگامی که محیط حرکت نور از نظر غلظت تغییر می‌کند سرعت آن نیز تغییر و با افزایش غلظت سرعت کاهش پیدا می‌کند و برعکس. به این ترتیب علت شکست نور تغییر سرعت آن هنگام وارد شدن به محیط شفاف دوم است. با ورود نور از محیط رقیق به غلیظ (هوا به آب)، با فرض کردن این‌که یک خط عمود بر روی مرز آب و هوا که یک طرف آن در آب و طرف دیگر در هوا هست، نور به خط عمود نزدیکتر می‌شود و برعکس از محیط غلیظ به رقیق باشد (شیشه به هوا) از خط عمود دور تر می‌شود؛ و اگر نور مستقیم بتابد شکستی رخ نمی‌دهد.[۸][۱۰]

رابطهٔ ضریب شکست با زاویهٔ پرتو نور

حاصل ضرب سینوس زاویهٔ مایل در ضریب شکست ان محیط مقداری ثابت است:

مقدار ثابت  

رابطهٔ ضریب شکست با سرعت نور

حاصل ضرب سرعت نور در ضریب شکست ان محیط مقداری ثابت است:

مقدار ثابت  

رابطهٔ ضریب شکست با طول موج نور

حاصل ضرب طول موج نور در ضریب شکست محیط مقداری ثابت است:

مقدار ثابت λ * n =

نگارخانه

منابع

  1. The Editors of Encyclopaedia Britannica. "Refraction". Encyclopaedia Britannica. Retrieved 2018-10-16.
  2. «هیجان با نور و لیزر - شکست نور (اپتیک هندسی)». www.sbu.ac.ir. بایگانی‌شده از اصلی در ۲ آوریل ۲۰۱۶. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲. بیش از یک پارامتر |پیوند بایگانی= و |archiveurl= داده‌شده است (کمک); بیش از یک پارامتر |تاریخ بایگانی= و |archivedate= داده‌شده است (کمک)
  3. «شکست نور». موسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی تبیان. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲.
  4. «علت شکست نور». موسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی تبیان (به Persian). دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲.
  5. Born and Wolf (1959). Principles of Optics. New York, NY: Pergamon Press INC. pp. 37.
  6. R. Paschotta, article on chromatic dispersion بایگانی‌شده در ۲۰۱۵-۰۶-۲۹ توسط Wayback Machine in the Encyclopedia of Laser Physics and Technology بایگانی‌شده در ۲۰۱۵-۰۸-۱۳ توسط Wayback Machine, accessed on 2014-09-08
  7. Carl R. Nave, page on Dispersion بایگانی‌شده در ۲۰۱۴-۰۹-۲۴ توسط Wayback Machine in HyperPhysics بایگانی‌شده در ۲۰۰۷-۱۰-۲۸ توسط Wayback Machine, Department of Physics and Astronomy, Georgia State University, accessed on 2014-09-08
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ «هیجان با نور و لیزر - آیا نور خمیده هم می‌شود؟ (بررسی شکست نور و تغییر مسیر آن در مایع با غلظت متغیر)». www.sbu.ac.ir. بایگانی‌شده از اصلی در ۲۳ مارس ۲۰۱۹. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲. بیش از یک پارامتر |پیوند بایگانی= و |archiveurl= داده‌شده است (کمک); بیش از یک پارامتر |تاریخ بایگانی= و |archivedate= داده‌شده است (کمک)
  9. «شکست نور». danesh.roshd.ir. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲.
  10. «شکست نور». elearning.roshd.ir. دریافت‌شده در ۲۰۱۹-۰۴-۱۲.