ضریب شکست

می دانیم که نور با سرعت 299792 کیلومتر بر ثانیه در خلاء سیر می کند. اما سرعت سیر نور در آب 224000 کیلومتر بر ثانیه و در شیشه یا مواد شفاف دیگر سرعتهای متفاوتی دارد. شکستن (خمیده شدن) نور نتیجه این واقعیت است که سرعت سیر نور در مواد گوناگون متفاوت است. برای نوری با طول موج معین، نسبت سرعت آن در خلاء به سرعت آن در یک محیط معین ضریب شکست نور در آن محیط نامیده می شود.

مشاهدات تجربی و آزمایشات نوری نشان می دهد که وقتی نور از یک محیط بر محیطی متفاوت از اولی می تابد مسیر اولی خودش را دنبال نمی کند:

1. اگر در کنار استخر آب بیاستید قامت خود را در آب کج می بینید.

2. اگریک نی را وارد یک لیوان آب بکنید و از بیرون به داخل لیوان نگاه کنید، نی را خم شده حس می کنید.

3. درختان کنار رودخانه در داخل آب تصویر کجی دارند.

4. غواص های داخل آب باید از شکسته شدن مسیر نور در بین محیط ها با خبر باشند و الا ایستکاه اولیه خود را پیدانمی کنند. و هزاران پدیده دیگر ...

چرا شکست اتفاق می افتد

انتشار نور در محیط ها به کمیات فیزیکی محیط ها وابسته است وقتی نور از محیطی با گذر دهی الکتریکی (e1) و تراوایی مغناطیسی (m1) به محیطی با گذر دهی الکتریکی (e2 ) و تراوایی مغناطیسی (m2) گذر می کند با یک کمیات فیزیکی محیطی جدیدی روبرو می شود و سرعت غیر یکسانی در این دو محیط دارد از طرفی تغییرات سرعت هم با کمیات محیط (e,m) و هم با کمیت اصلی محیط ضریب شکست (n) در ارتباط هست. پس ضریب شکست که از کمیات مهم نوری به حساب می آید، از محیطی به محیط دیگر تعییر می کند. بنابراین سرعت و مسیر پرتو نیز تغییر خواهد کرد.

وابستگی فرکانسی ضریب شکست

ضریب شکست به فرکانس تابش وابسته است و این ویژگی برای همه محیط های نوری شفاف صادق است تغییر ضریب شکست در محیط مادی با فرکانس را پاشندگی ماده گویند. در چنین موادی دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد اگر وابستگی از درجه اول طول موج باشد جذب نور نداریم. مانند پاشندگی شیشه در منشور ها که سبب تجزیه نور به رنگ های مختلف می شود. اگر مرتبه وابستگی بالاتر باشد مواد علاوه از پاشندگی جاذب نور نیز خواهند بود. این پاشندگی هست که سبب انحراف مسیر پرتو ها در گذر از محیط های مختلف می گردد. چون میزان پاشندگی برای محیط های مختلف متفاوت است.

این وابستگی گاهی مفید و گاهی زیانبار است مثلا در عدسی ها ابیراهی ها را سبب می شود و وضوح، دقت و کیفیت تصویر را کاهش می دهد و در منشور سبب تجزیه نور یک منبع به خطوط طیفی سازنده نورش می کند. در حالت کلی برای تشریح پاشندگی بایستی حرکت واقعی الکترونها( حرکات کاتوره ای یا ]براونی] » را در اثر ««بر هم کنش آنها با نور در محیطی که نور بر آن محیط می تابد و در آْن منتشر بررسی نمود.

در محاسبه میزان پاشندگی برای یک ماده ضرایب شکست فرانهوفر (ضرایب شکست در طول موج های فرانهوفر) لازم می شود. همچنین برای برخی سیستم ها دو نوع ضریب شکست داریم که در مبحث کریستالهای دو شکستی تشریح خواهیم کرد. از روی ضریب شکست مواد کاتالوگ‌هایی ساخته اند تا مواد را به راحتی بتوان در دستگاه های نوری مورد استفاده قرار داد. به عنوان نمونه ضریب شکست چند ماده را در زیر می آوریم.

قانون شکست نور اسنل

زاویه تابش و زاویه شکست با توجه به جنس محیط و ضریب شکست محیط متفاوت است.

از نظر تاریخی نخستین جایی که به این پدیده اشاره شد در قانون شکست نور اسنل بود.

این معادله به صورت زیر بیان می شود:

کهزاویه تابش،زاویه شکست می باشد، ni و nr به ترتیب ضریب شکست محیط تابش و شکست می باشند.

ضریب شکست مواد مختلف در طول موج‌های متفاوت فرق می‌کند. به این پدیده پاشش می‌گویند که منجر به شکافتن نور سفید در منشورها، رنگین‌کمانها و ابیراهی رنگی‌ها می‌شود.

قانون اسنل نیز، مانند قانون های فیزیکی دیگر قابلیت پیش گویی پدیده های نوری و شکست نور در دو محیط را دارد. در معادله ی فوق اگر 3 تا از کمیت ها مشخص باشند، می‌توان با انجام محاسبات مناسب؛ کمیت مجهول چهارم را یافت. اگر مسیر نور در ماده مشخص باشد، با روش های مشابه می‌توان ضریب شکست یک ماده را تعیین نمود.

محاسبه ی ضریب شکست ماده ای ناشناخته

معمولاً در آزمایشگاه فیزیک یک سری اجسام شفاف (به شکل های مربع، مستطیل و مثلث) از جنس نامعلوم وجود دارد و هدف ما تعیین مقدار ضریب شکست این اجسام است. واضح است که اگر سه کمیت از کمیت های موجود در معادله ی اسنل معلوم باشد، کمیت چهارم نیز به دست خواهد آمد.

سعی کنید یک باریکه ی نور لیزر را از هوا با یک زاویه ی مشخص به شیشه (جسم شفاف) بتابانید. شکل فوق مسیر یک پرتو نور را در یک شیشه مربعی نشان می دهد. مشاهده می شود که نور از دو مرز عبور می کند. مرز هوا – شیشه در قسمت بالایی شیشه و مرز شیشه – هوا در قسمت پایینی شیشه. که نور در هر دو مرز شکسته می شود. با اندازه گیری مقدار زاویه تابش (فرودی) و شکست و مقدار ضریب شکست هوا، و با استفاده از معادله ی اسنل می‌توان ضریب شکست شیشه را که نامشخص است به دست آورد.

محاسبات می‌تواند در هر یک از مرزها انجام شود و در پایان میانگین نتایج به دست آمده، ضریب شکست شیشه به دست خواهد آمد.

منابع

کتاب نجوم دینامیکی / رابرت تی . دیکسون (نویسنده) / احمد خواجه نصیر طوسی (مترجم) / مرکز نشر دانشگاهی

رشد

ویکی پدیا فارسی[۱]

شبکه فیزیک هوپا[۲]