ما هو انكسار الضوء

ما المقصود بانكسار الضوء؟

انكسار الضوء (Refraction of Light) هو أحد الظواهر الهامّة التي يتمّ ملاحظتها في الحياة اليوميّة، فلو وُضع في الماء قلم بشكل مائل مثلًا سيبدو كأنه مكسورًا^[١]، ويحدث انكسار الضوء عند انتقال موجات الضوء بين وسطين مختلفين فتكون سرعتها في الأول عالية ثم تدخل الوسط الثاني الأقل سرعة، فيحدث لهذه الموجة انحراف عن المسار الذي كانت تسلكه، ويكون هذا الانحراف باتجاه الخط الوهمي العمودي الذي يفصل بين الوسطين،^[٢] وتمّ اكتشاف وصياغة قانون انكسار الضوء من قِبَل العالم الفيزيائي ويلبرورد سنيل في بدايات القرن السابع عشر، وسُمّي "بقانون سنيل" (Snell's Law).^[١]

انكسار الضوء هو ميلان في مسار الموجة عند انتقالها بين الأوساط المختلفة، ويحدث عند الخط الفاصل بينهما.

لماذا ينكسر الضوء؟

يرجع تفسير انكسار الضوء الفيزيائي إلى تغيُّر سرعة الموجات الضوئية وأطوالها عند انتقالها بين الأوساط، فمثلًا تقل سرعة الضوء عند انتقالها من الهواء إلى الزجاج بمُعدّل 75%، فعندما تدخل الموجات الوسط الثاني تحدث تغييرات في الطول الموجي، والاتجاه، كما تقل سرعاتها، وهذا التغيّر يحدث للموجات القريبة من السطح الفاصل بين الوسطين، ثمّ تتوالى الموجات الأخرى تِباعًا بنفس التغيير.^[٣]

سبب الانكسار في الضوء هو التغيّر في السرعة والطول الموجي للضوء بين الأوساط المختلفة.

معادلة قانون انكسار الضوء

ما هو قانون انكسار الضوء؟

أُطلق على قانون انكسار الضوء اسم معادلة سنيل نسبًة إلى العالم الذي قام باكتشافها، ويربط القانون بين معاملات الانكسار في الوسطين اللذين تتحرك بينهما الموجة، والزوايا التي يشكّلها الانكسار، كالآتي:^[٤]

(n₁ / n₂ = sin (α₂) / sin α₁

حيث إنَّ:

• n_1: هو معامل الانكسار للوسط الأول.
•  n_2: معامل الانكسار للوسط الثاني.
• α1: زاوية السقوط المتكوّنة بين الشعاع الساقط والخط الوهمي العمودي الفاصل بين الوسطين.
• α2: زاوية الانكسار المتكوّنة بين الشعاع المٌنكسر في الوسط الثاني والخط العمودي الفاصل بين الوسطين.

ملاحظة: معامل انكسار الضوء في الهواء يساوي (1) تقريبًا.^[٢]

قانون انكسار الضوء الرياضيّ هو: (n₁ / n₂ = sin (α₂) / sin (α_1.

أمثلة على قانون انكسار الضوء

كيف يمكن حل المسائل المتضمنة انكسار الضوء؟

لفهم قانون انكسار الضوء بشكل أفضل لا بدّ من تطبيقه على بعض الأمثلة.

مثال 1

إذا كان الضوء يسير في الهواء ثمّ انتقل إلى وسط يتكوّن من ألياف ضوئية معامل الانكسار فيها 1.44، وكانت زاوية السقوط عند الوسط الفاصل بين السطحين 30 درجة، فما هي زاوية الانكسار المتكوّنة؟ ^[٥]

الحل:

n₁ = 1

n₂ = 1.44

α₁ = 30^o

α₂ = ؟؟

وبتطبيق القانون : n₁/n₂ = sin α₂/sin α₁

1/1.44 = sin (α₂)/ sin(30)

وبحل المعادلة نجد أنّ المجهول α₂ = 20.1^o

نلاحظ أنَّّ الزاوية قلت؛ حيث كانت 30 درجة ثم أصبحت 20.1 درجة، مما يعني أن الضوء تحرّك باتجاه الخط الوهمي العمودي على السطح الفاصل بين الوسطين.

مثال 2

احسب معامل الانكسار لوسط ما إذا علمت أنّ زاوية السقوط كانت تساوي 45 درجة، وزاوية الانكسار 24 درجة، والشعاع انتقل من الهواء (معامل انكساره =1) إلى ذلك الوسط.^[٦]

الحل:

n1 = 1

n2 = ؟؟

α₁ = 45^o

α₂ = 24^o

باستخدام قانون سنيل:n₁/n₂ = sin α₂/sin α₁

n2  /1= sin (45)/sin(24)

وبحلّ المعادلة نجد أنّ معامل الانكسار للوسط الثاني n2 = 1.74

باستخدام قانون سنيل يمكننا معرفة مجهول واحد من بين معاملات الانكسار للوسطين اللذين مرّ الضوء من خلالهما، وزوايا السقوط والانكسار.

تطبيقات عملية على ظاهرة انكسار الضوء

لانكسار الضوء تطبيقات هامّة واستخدامات متنوعة، ونذكر تاليًا أبرزها:

• انكسار الضوء أثناء انتقاله عبر طبقات الغلاف الجوّيّ: ينكسر ضوء الشمس أثناء عبوره طبقاتالغلاف الجوّي، وتساهم هذه الظاهرة في انتشار أشعة الشمس في مختلف أنحاء الكرة الأرضية، ويحدث الانكسار نتيجة اختلاف الأوساط (طبقات الغلاف الجوّي)، وتُعتبر من التطبيقات الطبيعية على الظاهرة.^[٧]
• انكسار الضوء داخل العين: يكون الضوء في البداية في وسط الهواء ثم ينتقل إلى الوسط الثاني وهو القرنية، لذلك يحدُث الانكسار أولًا في القرنية، إذ ينكسر ما نسبته 80% داخلها، والنسبة المتبقية من الانكسار تحدث في العدسة الداخلية للعين.^[٨]
• انكسار الضوء في الكاميرا: تنتقل الأشعة من الهواء إلى أن تصل عدسة الكاميرا الزجاجيّة المُحدّبة، مما يؤدي إلى انكسار الضوء نتيجة تغيّر من كونه هواء فأصبح زجاجًا، حيث تصطدم أشعة الضوء الداخلة للكاميرا بمادة مصنوعة من نترات الفضّة.^[٩]
• انكسار الضوء في التلسكوب: تستخدم عدسات كبيرة في التلسكوبات لتجميع الأشعة فيحدث لها انكسار داخل التلسكوب، ثم تتجمع في نقطة واحدة لتكمل مسارها باتجاه عدسة أخرى صغيرة، وبذلك تجعل الأشياء البعيدة تبدو أقرب، وتم إطلاق اسم تلسكوبات الانكسار على التلسكوبات التي تعتمد على العدسات في عملها.^[١٠]
• انكسار الضوء في عدسات النظارات: يحتاج الأشخاص ممن لديهم ضعف حاد في النظر إلى عدسات أسمك من غيرهم؛ وذلك من أجل عكس وكسر الأشعة بشكل أفضل مما يمكّنهم من الرؤية، وتعمل العدسات على ذلك حيث أنها مصنوعة من الزجاج.^[١٠]

تدخل ظاهرة انكسار الضوء في العديد من التطبيقات الطبيعية والصناعية والأنظمة البصريّة بشكل خاص.

متى يكون انكسار الضوء مستحيلًا؟

يكون انكسار الضوء مستحيلًا عندما يسقط بزاوية صفر، وبذلك يكون منطبقًا على الخط الوهمي العمودي الذي يفصل بين الوسطين، وبهذه الحالة لا يحدث انحراف في مسار الضوء وإنما يغيّر من سرعته فقط، ويمكن ملاحظة دخوله وخروجه بشكل مستقيم تمامًا.^[١١]

لا يحدث انكسار للضوء عندما تكون زاوية سقوطه تساوي صفرًا.

ما الفرق بين انكسار الضوء وانعكاس الضوء؟

يكمن الفرق بين الظاهرتين في طريقة تصرُّف الضوء عند وصوله إلى الحد الفاصل بين وسطين كالآتي:^[١٢]

• انكسار الضوء (Refraction of light)، وهي ظاهرة ينتج عنها عبور الضوء بين وسطين مختلفين فتختلف سرعته وطول الموجة واتجاهه عند دخوله إلى الوسط الآخر، حيث أن الوسطين يسمحان بانتقال الضوء عبرهما، ومن أهم الأمثلة عليه ما يحدث في العدسات.
• انعكاس الضوء (Reflection of light)، وهي ظاهرة ينتج عنها ارتداد الضوء عند سقوطه على سطح وسط مختلف، فيعود إلى نفس وسطه بنفس السرعة، ولا يعبُر إلى الوسط الآخر، حيث أنّ الوسط الثاني يكون ذو خصائص لامعة تمنعه من العبور ومن الأمثلة الشائعة عليه ما يحدث في المرآة.

الانعكاس والانكسار ظاهرتان تحدثان للضوء، فبواسطة بالانكسار يعبر الضوء بين الأوساط، أما بالإنعكاس يعود الضوء إلى نفس الوسط.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Refraction"، aty.sdsu. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "Refraction of Light", hyperphysics.phy-astr.gsu. Edited.
3. ↑ "The Refraction of Light", asu. Edited.
4. ↑ "Snell's law", britannica. Edited.
5. ↑ "Sample Problems for Snell's Law", rpi. Edited.
6. ↑ "Determination of n Values", physicsclassroom. Edited.
7. ↑ "Refraction", toppr. Edited.
8. ↑ "Refraction and the Eye", hyperphysics.phy-astr.gsu. Edited.
9. ↑ "Physics of a Film Camera Lens", ffden-2.phys.uaf. Edited.
10. ^ ^{أ ب} "How Do Telescopes Work?", spaceplace.nasa. Edited.
11. ↑ "The Cause of Refraction", physicsclassroom. Edited.
12. ↑ "Difference Between Reflection and Refraction", toppr. Edited.