اقرأ في هذا المقال
ما هي ظاهرة الانكسار – Refraction؟
من السهل ملاحظة بعض الأشياء الغريبة عند النظر في حوض للأسماك، على سبيل المثال، قد ترى نفس السمكة تظهر في مكانين مختلفين، هذا لأنّ الضوء القادم من السمكة إلينا يغير اتجاهه عندما يغادر الخزان، وفي هذه الحالة، يمكن أن يسير في مسارين مختلفين للوصول إلى أعيننا، يسمّى تغيير اتجاه شعاع الضوء يسمّى “الانحناء” (bending)، عندما يمر عبر تغيرات في المادة “بالانكسار”، الانكسار مسؤول عن مجموعة هائلة من الظواهر الضوئية، من عمل العدسات إلى انتقال الصوت عبر الألياف الضوئية.
لماذا يغير الضوء اتجاهه عند المرور من مادة “وسط” إلى أخرى؟ ذلك لأنّ الضوء يغير سرعته عند الانتقال من مادة إلى أخرى، لذا قبل دراسة “قانون الانكسار”، من المفيد مناقشة سرعة الضوء وكيف تختلف باختلاف الوسط.
سرعة الضوء – The Speed of Light:
لا تؤثر سرعة الضوء (c) فقط على الانكسار، بل هي أحد المفاهيم المركزية لنظرية النسبية لأينشتاين، مع تحسن دقة قياسات سرعة الضوء، وجد أنّ (c) لا يعتمد على سرعة المصدر أو المراقب، ومع ذلك، فإنّ سرعة الضوء تختلف بشكل دقيق مع المادة التي يعبرها، تعتبر سرعة الضوء مهمة جدًا لدرجة أنّ قيمتها في الفراغ هي واحدة من أهم الثوابت الأساسية في الطبيعة بالإضافة إلى كونها واحدة من أربع وحدات أساسية للنظام الدولي للوحدات.
حددت المحاولات المبكرة لقياس سرعة الضوء، مثل تلك التي قام بها “جاليليو”، أنّ الضوء يتحرك بسرعة كبيرة، ربما لحظي، أول دليل حقيقي على أنّ الضوء ينتقل بسرعة محدودة جاء من عالم الفلك الدنماركي (Ole Roemer) في أواخر القرن السابع عشر، لاحظ “رومر” أنّ متوسط الفترة المدارية لأحد أقمار المشتري، كما تمّ قياسه من الأرض، يختلف اعتمادًا على ما إذا كانت الأرض تتحرك باتجاه المشتري أو بعيدًا عنه.
استنتج بشكل صحيح أنّ التغيير الواضح في الفترة كان بسبب التغيير في المسافة بين الأرض والمشتري والوقت الذي استغرقه الضوء لقطع هذه المسافة، من بياناته لعام (1676)، تمّ حساب قيمة سرعة الضوء لتكون (2.26 × 108 m/s)، (25٪) فقط تختلف عن القيمة المقبولة اليوم، في الآونة الأخيرة، قاس الفيزيائيون سرعة الضوء بعدة طرق وبدقة متزايدة.
شرح سرعة الضوء:
إحدى الطرق المباشرة بشكل خاص، التي استخدمها الفيزيائي الأمريكي “ألبرت ميكلسون” (1852-1931) في عام (1887)، انعكس الضوء المنعكس من مجموعة دوّارة من المرايا من مرآة ثابتة على بعد (35) كم وعاد إلى المرايا الدوّارة، يمكن تحديد وقت انتقال الضوء من خلال السرعة التي يجب أن تدور بها المرايا حتى يعود الضوء إلى عين المراقب.
سرعة الضوء معروفة الآن بدقة كبيرة، في الواقع، سرعة الضوء في الفراغ (c) مهمة جدًا لدرجة أنّه يتم قبولها كواحدة من الكميات الفيزيائية الأساسية ولها قيمة ثابتة (c = 2.9972458 × 108 m/s ≈ 3.00 × 108 m/s)، حيث القيمة التقريبية تساوي (3.00 × 108 m/s)، عندما تكون الدقة المكونة من ثلاثة أرقام كافية، سرعة الضوء عبر المادة أقل ممّا هي عليه في الفراغ، لأنّ الضوء يتفاعل مع الذرات في المادة، تعتمد سرعة الضوء بشدة على نوع المادة، حيث يختلف تفاعلها مع الذرات المختلفة، والشبكات البلورية، والبنى التحتية الأخرى، نحدد معامل الانكسار (index of refraction) (n) للمادة كالتالي:
n = c/v
حيث: (v) هي سرعة الضوء المرصودة في المادة، نظرًا لأنّ سرعة الضوء دائمًا أقل من (c) في المادة وتساوي (c) فقط في الفراغ، فإنّ معامل الانكسار يكون دائمًا أكبر من أو يساوي واحدًا.
أي أنّ: (n ≥ 1)، يتم حساب القيم لطول موجي معين للضوء، لأنّها تختلف قليلاً مع الطول الموجي، “يمكن أن يكون لهذا تأثيرات مهمة، مثل الألوان التي ينتجها المنشور (prism)”، لاحظ أنّه بالنسبة للغازات، فإنّ (n) قريبة من (1.0)، يبدو هذا منطقيًا.
نظرًا لأنّ الذرات الموجودة في الغازات مفصولة على نطاق واسع وينتقل الضوء عند درجة (c) في الفراغ بين الذرات، من الشائع أخذ (n = 1) للغازات ما لم تكن هناك حاجة إلى دقة كبيرة، على الرغم من أنّ سرعة الضوء (v) في الوسط تختلف اختلافًا كبيرًا عن قيمتها (c) في الفراغ، إلا أنّها لا تزال سرعة كبيرة.
قانون الانكسار – Law of Refraction:
نعلم أنّه يغير شعاع الضوء اتجاهه عندما يمر من وسط إلى آخر، تُقاس الزوايا بالنسبة إلى عمودي على السطح عند النقطة التي يقطعها شعاع الضوء، “سوف ينعكس بعض الضوء الساقط من السطح، لكن في الوقت الحالي سنركز على الضوء المنقول”، يعتمد التغيير في اتجاه شعاع الضوء على كيفية تغير سرعة الضوء.
يرتبط التغيير في سرعة الضوء بمؤشرات انكسار الأوساط المعنية، افترض وجود وسطين، يكون للوسط (2) مؤشر انكسار أكبر من المتوسط (1)، وهذا يعني أنّ سرعة الضوء أقل في الوسط (2) منها في الوسط (1)، لاحظ أنّ اتجاه الشعاع يتحرك أقرب إلى العمودي عندما يبطئ، على العكس من ذلك، يتحرك اتجاه الشعاع بعيدًا عن العمودي عندما يتسارع، المسار قابل للعكس تمامًا، في كلتا الحالتين.
يمكنك تخيل ما يحدث من خلال التفكير في دفع جزازة العشب من ممر المشاة إلى العشب، والعكس صحيح، الانتقال من ممر المشاة إلى العشب، يتم إبطاء العجلات الأمامية وسحبها إلى الجانب، هذا هو نفس التغيير في الاتجاه بالنسبة للضوء عندما ينتقل من وسط سريع إلى وسط بطيء، عند الانتقال من العشب إلى ممر المشاة، يمكن للعجلات الأمامية أن تتحرك بشكل أسرع وتغير الجزازة اتجاهها، وأيضًا ، هو نفس التغيير في الاتجاه بالنسبة للضوء الذي ينتقل من بطيء إلى سريع.
شرح قانون الانكسار – قانون سنيل:
يعتمد المقدار الذي يغيره شعاع الضوء في اتجاهه على كل من زاوية السقوط ومقدار تغير السرعة، بالنسبة لشعاع بزاوية سقوط معينة، يؤدي التغيير الكبير في السرعة إلى تغيير كبير في الاتجاه، وبالتالي تغيير كبير في الزاوية، العلاقة الرياضية الدقيقة هي قانون الانكسار، أو “قانون سنيل“، والذي ورد في شكل معادلة كـالتالي:
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
هنا تكون (n1) و(n2) هما معاملا الانكسار للوسط (1 و2)، و(θ1 و θ2) هما الزاويتان بين الأشعة والعمودي في الوسط (1 و2)، الشعاع الوارد يسمّى “الشعاع الساقط” و الشعاع الخارج يسمى “الشعاع المنكسر”، والزوايا المصاحبة لها زاوية السقوط وزاوية الانكسار.
يُطلق على قانون الانكسار أيضًا اسم “قانون سنيل” على اسم عالم الرياضيات الهولندي “ويليبرورد سنيل” (1591-1626)، الذي اكتشفه في عام (1621)، أظهرت تجارب “سنيل” أنّ قانون الانكسار قد تمّ الالتزام به وأنّه يمكن تخصيص معامل مميز للانكسار (n) إلى وسط معين، لم يكن “سنيل” مدركًا أنّ سرعة الضوء تختلف باختلاف الوسط، ولكن من خلال التجارب كان قادرًا على تحديد معاملات الانكسار من الطريقة التي تغير بها أشعة الضوء اتجاهها.
