ظاهرة انكسار الضوء

2011 الضوء واللون

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

ظاهرة انكسار الضوء الضوء الفيزياء

ضع مصاصة شراب في كأس من الماء، وستبدو المصاصة منحنية في المكان الذي دخل فيه الماء.

وتحدث هذه الظاهرة لأن الضوء المنبعث من مصاصة الشراب يغيّر اتجاهه عندما يتحرك خارج الماء. نسمي هذه الظاهرة بالانكسار.

ليس هناك ما هو أسرع من الضوء. لكن سرعة الضوء ليست ثابتة، إذ إنها تتغير تبعاً للوسط الذي يمر من خلاله الضوء.

 

وينتقل الضوء بأقصى سرعته في الفضاء، وأقل من ذلك نوعاً ما في الهواء، وأقل من ذلك أيضاً في الماء وأبطأ ما يمكن في الأجسام الشفافة (التي يمكن الرؤية من خلالها)، مثل الزجاج.

عندما ينتقل الضوء من مادة أو وسط لآخر، تتغير سرعته، وتتباطأ تلك السرعة، على سبيل المثال، عندما يمر الضوء من الهواء إلى الزجاج.

وحين تسقط الحزمة الضوئية على الوسط الجديد بزاوية ما، يؤدي التغيير في سرعة الضوء إلى انحناء تلك الحزمة. يسمى هذا التغير في الاتجاه بالانكسار.

 

ولكي نعرف مقدار الحزمة الضوئية المنكسرة، نقوم بقياس زاويتها. تُقاس الزاوية من خط التعامد – وهو خط وهمي ذو زاوية قائمة مع سطح الزجاج أو الماء أو أي وسط يقع عليه الضوء.

وعندما ينتقل الضوء من وسط سرعة الضوء فيه أكبر، كالهواء مثلاً، إلى وسط سرعة الضوء فيه أقل، كالزجاج مثلاً، فإنه ينحني باتجاه خط التعامد.

وبالعكس، إذا انتقل الضوء من وسط سرعة الضوء فيه أقل إلى وسط سرعة الضوء فيه أكبر، فإنه ينحني بعيداً عن خط التعامد.

 

أما إذا كانت سرعة الضوء في الوسطين واحدة فإن الضوء يعبر من وسط إلى آخر في خط مستقيم.

يقارن العلماء سرعة الضوء عبر أي وسط ناقل مع سرعته في الفضاء (الفراغ). وينتج عن تلك المقارنة عدد يسمى "معامل الانكسار".

وكلما كانت سرعة الضوء في الوسط أقل زاد معامل انكسار الضوء لذلك الوسط، وأصبحت حزمة الضوء أكثر انحناءً عند دخولها ذلك الوسط.

 

ويكون الضوء أقل سرعة في بعض العناصر لأن جزيئاتها (الجسيمات الدقيقة) تجعل من تقدم الضوء بطيئاً، أما في الفضاء فليس هناك أي جزيئات، ما يجعل ضوء الشمس ينتقل بسرعته القصوى نحو الأرض، ونقول إن معامل انكسار الضوء هنا هي "واحد".

عندما يدخل الضوء المنبعث من الشمس غلافنا الجوي، تعمل جزيئات الهواء على الإبطاء من سرعته، لكن جزيئات الهواء تنتشر بأقل كثافة ممكنة، وهذا ما يجعل التغيير في سرعة الضوء ضئيلاً أيضاً.

إن للهواء معامل انكسار مشابهة جداً لمعامل الانكسار في الفراغ. ويبلغ هذا المعامل على وجه الدقة 1.000293، ونتيجة لذلك، نادراً ما تنحني أشعة الشمس عندما تدخل الغلاف الجوي.

 

تتكوّن السوائل الشفافة كالماء من جزيئات متراصّة أكثر مما هو الحال في الغاز، ويؤدي هذا إلى إبطاء سرعة الضوء بصورة ملحوظة، ما يقودنا إلى القول إن معامل الانكسار بالنسبة للسوائل أكبر مما هو عليه الحال في الغازات.

كما أن الأجسام الصلبة الشفافة، كالزجاج أو الماسّ، تعدّ من الأجسام ذات الجزيئات شديدة التلاصق، وهي بالتالي تعمل على تباطؤ سرعة الضوء أكثر مما تفعله السوائل.

 

إن معامل الانكسار للماسّ هو الأعلى على الإطلاق، إذ يبلغ 2.419، لذا فإن انكسار الضوء في الماسّ كبير جداً بحيث ينحصر الضوء داخله ليعاود الانتشار والارتداد باتجاهات مختلفة قبل خروجه، وهذا ما يفسّر الشكل المتلألئ الذي يتميز به الماسّ.

إن غالبية الأجسام الصلبة ليست شفافة، فبدلاً من أن تسمح للضوء أن يمر عبرها تقوم بامتصاص ذلك الضوء أو تعكسه، وهذا ما يفسّر سبب رؤيتنا لهذه الأجسام الصلبة.

 

موشور نيوتن

قام العالم الإنكليزي إسحاق نيوتن (1642 – 1727) في عام 1666 باكتشاف رائع أثناء دراسته للموشور (إسفين زجاجي مثلث).

فقد وجد (نيوتن) أن حزمة ضوء الشمس التي تمر عبر الموشر قد انحنت وانشطرت لتشكل كل ألوان قوس قزح، وسبب هذا الأثر هو عملية انكسار الضوء.

عندما يدخل الضوء أحد جوانب الموشور ينحني قليلاً، ثم لا يلبث أن ينحني مرة ثانية عندما يخرج من الموشر.

 

وتتكسر الألوان المختلفة المكونة للضوء الأبيض بمقادير مختلفة أكبرها اللون البنفسجي وأقلها اللون الأحمر، أما بقية الألوان فتقع فيما بينهما.

ويتشكل قوس قزح بهذه الطريقة نفسها، ولكن بواسطة المليارات من قطرات المطر التي تعمل كمواشير منفصلة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]