البصريات من أقدم فروع الفيزياء. منذ اليونان القديمة ، اهتم العديد من الفلاسفة بقوانين الحركة وانتشار الضوء في مختلف المواد الشفافة مثل الماء والزجاج والماس والهواء. تتناول هذه المقالة ظاهرة انكسار الضوء مع التركيز على معامل انكسار الهواء.
تأثير انكسار شعاع الضوء
واجه كل شخص في حياته مظاهر هذا التأثير مئات المرات عندما نظر إلى قاع خزان أو كأس ماء به شيء ما. في الوقت نفسه ، لا يبدو الخزان عميقًا كما كان بالفعل ، وبدت الأشياء الموجودة في كوب من الماء مشوهة أو مكسورة.
ظاهرة انكسار الحزمة الضوئية هي كسر في مسارها المستقيم عندما تعبر الواجهة بين مادتين شفافتين. تلخيصًا لعدد كبير من البيانات التجريبية ، في بداية القرن السابع عشر ، تلقى الهولندي ويلبرورد سنيل تعبيرًا رياضيًا ،الذي وصف هذه الظاهرة بدقة. عادة ما يكتب هذا التعبير بالصيغة التالية:
1 الخطيئة (θ1)=n2 الخطيئة (θ2)=ثابت
هنا n1 ، n2هي مؤشرات الانكسار المطلق للضوء في المادة المقابلة ، θ1 و θ2- الزوايا بين الحزم الساقطة والحزمة المنكسرة والعمودي على مستوى الواجهة ، والتي يتم رسمها من خلال نقطة تقاطع الحزمة وهذا المستوى.
تسمى هذه الصيغة قانون سنيل أو سنيل ديكارت (كان الفرنسي هو الذي كتبها في النموذج المقدم ، بينما الهولندي لم يستخدم الجيب ، ولكن وحدات الطول).
إلى جانب هذه الصيغة ، فإن ظاهرة الانكسار موصوفة بقانون آخر ، وهي ذات طبيعة هندسية. يكمن في حقيقة أن العمودية المميزة على المستوى وشعاعين (منكسر وواقعي) تقع في نفس المستوى.
معامل الانكسار المطلق
يتم تضمين هذه القيمة في صيغة Snell ، وتلعب قيمتها دورًا مهمًا. رياضيا ، معامل الانكسار n يتوافق مع الصيغة:
n=c / v.
الرمز c هو سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ. إنه تقريبًا 3108م / ث. القيمة v هي سرعة الضوء في الوسط. وبالتالي ، فإن معامل الانكسار يعكس مقدار تباطؤ الضوء في وسط فيما يتعلق بالفضاء الخالي من الهواء.
هناك تأثيران مهمان من الصيغة أعلاه:
- قيمة n أكبر دائمًا من 1 (للفراغ يساوي واحدًا) ؛
- هذه كمية بلا أبعاد.
على سبيل المثال ، معامل انكسار الهواء هو 1.00029 ، أما بالنسبة للماء فهو 1.33.
معامل الانكسار ليس قيمة ثابتة لوسط معين. ذلك يعتمد على درجة الحرارة. علاوة على ذلك ، لكل تردد من الموجات الكهرومغناطيسية معنى خاص به. إذن ، الأرقام أعلاه تتوافق مع درجة حرارة 20oC والجزء الأصفر من الطيف المرئي (الطول الموجي حوالي 580-590 نانومتر).
يتجلى اعتماد قيمة n على تردد الضوء في تحلل الضوء الأبيض بواسطة المنشور إلى عدد من الألوان ، وكذلك في تكوين قوس قزح في السماء أثناء هطول أمطار غزيرة.
معامل انكسار الضوء في الهواء
تم تحديد قيمته أعلاه بالفعل (1 ، 00029). نظرًا لأن معامل الانكسار للهواء يختلف فقط في الخانة العشرية الرابعة عن الصفر ، فعند حل المشكلات العملية يمكن اعتباره مساويًا للواحد. يشير الاختلاف البسيط بين n للهواء والوحدة إلى أن الضوء لا يتباطأ عمليًا بواسطة جزيئات الهواء ، وهو ما يرتبط بكثافته المنخفضة نسبيًا. إذن ، متوسط كثافة الهواء هو 1.225 كجم / م3، أي أنه أخف أكثر من 800 مرة من الماء العذب.
الهواء هو وسط رقيق بصريًا. إن عملية إبطاء سرعة الضوء في مادة ما هي عملية ذات طبيعة كمومية وترتبط بأفعال امتصاص وانبعاث الفوتونات بواسطة ذرات المادة.
التغييرات في تكوين الهواء (على سبيل المثال ، زيادة محتوى بخار الماء فيه) والتغيرات في درجة الحرارة تؤدي إلى تغييرات كبيرة في المؤشرالانكسار. وخير مثال على ذلك هو تأثير السراب في الصحراء والذي يحدث بسبب الاختلاف في مؤشرات الانكسار لطبقات الهواء بدرجات حرارة مختلفة.
واجهة زجاج-هواء
الزجاج هو وسط أكثر كثافة من الهواء. يتراوح معامل الانكسار المطلق لها من 1.5 إلى 1.66 ، اعتمادًا على نوع الزجاج. إذا أخذنا متوسط القيمة 1.55 ، فيمكن حساب انكسار الحزمة في واجهة الهواء الزجاجي باستخدام الصيغة:
الخطيئة (θ1) / الخطيئة (θ2)=n2/ n1=n21=1 ، 55.
القيمة n21تسمى معامل الانكسار النسبي للهواء - الزجاج. إذا خرج الشعاع من الزجاج إلى الهواء ، فيجب استخدام الصيغة التالية:
الخطيئة (θ1) / الخطيئة (θ2)=n2/ n1=n21=1/1 ، 55=0 ، 645.
إذا كانت زاوية الشعاع المنكسر في الحالة الأخيرة تساوي 90o، فإن زاوية السقوط المقابلة لها تسمى حرجة. للزجاج الحدود - الهواء هو:
θ1=arcsin (0، 645)=40، 17o.
إذا سقطت الشعاع على حدود الهواء الزجاجي بزوايا أكبر من 40 ، 17o، فسوف ينعكس تمامًا مرة أخرى في الزجاج. هذه الظاهرة تسمى "الانعكاس الداخلي الكلي".
الزاوية الحرجة توجد فقط عندما تتحرك الحزمة من وسط كثيف (من الزجاج إلى الهواء ، ولكن ليس العكس).
