اپتیک یکی از قدیمی ترین شاخه های فیزیک است. از زمان یونان باستان، بسیاری از فیلسوفان به قوانین حرکت و انتشار نور در مواد شفاف مختلف مانند آب، شیشه، الماس و هوا علاقه مند بوده اند. این مقاله پدیده انکسار نور را با تمرکز بر ضریب شکست هوا مورد بحث قرار می دهد.
اثر شکست پرتو نور
هر کس در زندگی خود صدها بار با تجلی این تأثیر روبرو شد که به ته یک مخزن یا به یک لیوان آب با چیزی که در آن قرار داده شده بود نگاه کرد. در عین حال، مخزن به اندازه واقعی عمیق به نظر نمی رسید و اجسام در یک لیوان آب تغییر شکل یا شکسته به نظر می رسیدند.
پدیده انکسار یک پرتو نور، شکستی در مسیر مستقیم آن هنگام عبور از سطح مشترک بین دو ماده شفاف است. با خلاصه کردن تعداد زیادی از داده های تجربی، در آغاز قرن هفدهم، هلندی Willebrord Snell یک عبارت ریاضی دریافت کرد.که به طور دقیق این پدیده را توصیف کرد. این عبارت معمولاً به شکل زیر نوشته می شود:
1sin(θ1)=n2sin(θ 2)=Const.
در اینجا n1، n2 ضرایب شکست مطلق نور در ماده مربوطه هستند، θ1و θ2 - زوایای بین پرتوهای فرود و شکست و عمود بر صفحه رابط، که از طریق نقطه تقاطع پرتو و این صفحه کشیده می شود.
این فرمول قانون اسنل یا اسنل-دکارت نامیده می شود (این فرانسوی بود که آن را به شکل ارائه شده نوشت، در حالی که هلندی از سینوس استفاده نمی کرد، بلکه از واحدهای طول استفاده می کرد).
علاوه بر این فرمول، پدیده شکست با قانون دیگری که ماهیت هندسی دارد، توصیف می شود. این در این واقعیت نهفته است که عمود بر صفحه و دو پرتو (شکسته و فرود) در یک صفحه قرار دارند.
ضریب شکست مطلق
این مقدار در فرمول اسنل گنجانده شده است و مقدار آن نقش مهمی دارد. از نظر ریاضی، ضریب شکست n با فرمول مطابقت دارد:
n=c/v.
نماد c سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلاء است. تقریباً 3108 متر بر ثانیه است. مقدار v سرعت نور در محیط است. بنابراین، ضریب شکست میزان کاهش سرعت نور در یک محیط را نسبت به فضای بدون هوا منعکس می‌کند.
دو مفهوم مهم از فرمول بالا وجود دارد:
- مقدار n همیشه بزرگتر از 1 است (برای خلاء برابر با یک است)؛
- این یک کمیت بدون بعد است.
برای مثال، ضریب شکست هوا 1.00029 است، در حالی که برای آب 1.33 است.
ضریب شکست برای یک محیط خاص یک مقدار ثابت نیست. بستگی به دما دارد. علاوه بر این، برای هر فرکانس یک موج الکترومغناطیسی، معنای خاص خود را دارد. بنابراین، ارقام بالا مربوط به دمای 20 oC و قسمت زرد طیف مرئی (طول موج حدود 580-590 نانومتر) است.
وابستگی مقدار n به فرکانس نور در تجزیه نور سفید توسط یک منشور به تعدادی رنگ و همچنین در تشکیل یک رنگین کمان در آسمان در هنگام باران شدید آشکار می شود.
ضریب شکست نور در هوا
مقدار آن قبلاً در بالا (1, 00029) آورده شده است. از آنجایی که ضریب شکست هوا فقط در رقم چهارم اعشار از صفر متفاوت است، برای حل مسائل عملی می توان آن را برابر با یک در نظر گرفت. تفاوت کوچک n برای هوا از وحدت نشان می دهد که نور عملا توسط مولکول های هوا کند نمی شود، که با چگالی نسبتا کم آن مرتبط است. بنابراین، چگالی متوسط هوا 1.225 کیلوگرم بر متر است، یعنی بیش از 800 برابر سبک تر از آب شیرین است.
هوا یک محیط اپتیکال نازک است. خود فرآیند کاهش سرعت نور در یک ماده، ماهیت کوانتومی دارد و با اعمال جذب و گسیل فوتون توسط اتم‌های ماده مرتبط است.
تغییر در ترکیب هوا (به عنوان مثال، افزایش محتوای بخار آب در آن) و تغییرات دما منجر به تغییرات قابل توجهی در شاخص می شود.انکسار یک مثال بارز اثر سراب در بیابان است که به دلیل تفاوت در ضریب شکست لایه‌های هوا با دماهای مختلف رخ می‌دهد.
رابط شیشه-هوا
شیشه محیطی بسیار متراکم تر از هوا است. ضریب شکست مطلق آن بسته به نوع شیشه از 1.5 تا 1.66 متغیر است. اگر مقدار متوسط را 1.55 در نظر بگیریم، می توان شکست پرتو در سطح مشترک هوا و شیشه را با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1, 55.
مقدار n21 را ضریب شکست نسبی هوا - شیشه می گویند. اگر پرتو از شیشه به هوا رفت، فرمول زیر باید استفاده شود:
sin(θ1)/sin(θ2)=n2/ n1=n21=1/1، 55=0، 645.
اگر زاویه پرتو شکست در حالت دوم برابر با 90o باشد، زاویه تابش متناظر با آن بحرانی نامیده می شود. برای شیشه حاشیه - هوا این است:
θ1=arcsin(0, 645)=40, 17o.
اگر پرتو بر روی مرز شیشه-هوا با زوایای بزرگتر از 40، 17o بیفتد، آنگاه به طور کامل به شیشه منعکس می شود. این پدیده "بازتاب داخلی کل" نامیده می شود.
زاویه بحرانی فقط زمانی وجود دارد که پرتو از یک محیط متراکم حرکت کند (از شیشه به هوا، اما نه برعکس).
