ضریب شکست چیست؟

ضریب شکست یا شاخص انکسار عبارت است از نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت آن در ماده‌‌ی خاص تحت بررسی. این مفهوم در سال 1621 ابداع شده و در فیبر نوری، صنعت الماس، تولید تلسکوپ‌ها و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این ‌جا آن را بیش‌تر مورد بررسی قرار می‌دهیم.
در سال 1621 و در حالی که انسان هم چنان در تلاش بود تا حقایق علمی بیش‌تری را کشف کند، ویلیبرورد ون راین اسنل پرده از مفهوم شکست نور برداشت. قبل از او دانشمندان مسلمان، به ویژه ابن هیثم، با این مفهوم آشنا بودند. نور با سرعت 299792458 کیلومتر بر ثانیه در خلاء حرکت می‌کند. اما وقتی نور وارد محیط‌های مختلفی از قبیل هوا، آب یا شیشه می‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟ نظریه‌ی شکست می‌گوید که نور در محیط‌های مختلف، با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کند. هم چنین طبق این نظریه نور به هنگام ترک یک محیط همانند هوا و وارد شدن به محیطی دیگر هم چون آب، دچار خمش شده و یا تغییر جهت می‌دهد. در سال 1673 دانشمندی دیگر به نام رنه دکارت، این نظریه را پردازش نموده و به معادلاتی دست یافت که به قانون اسنل شهرت یافتند.

تعریف شکست

شاخص انکسار یا ضریب شکست عبارت است از اندازه‌ گیری این‌که یک ماده تا چه حد باعث کند شدن حرکت امواج نور در حال عبور از آن می‌شود. این میزان برابر است با نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت آن در این ماده. مقدار به دست آمده نشان می‌دهد که نور به هنگام ورود به این ماده یا خروج از آن، تا چه حد شکسته (خم) می‌شود.

نظریه‌ی ضریب شکست

باز تاب نور از اجسام باعث می‌شود که انسان قادر به دیدن آن‌ها باشد. اما در مورد محیط‌هایی هم چون آب، شیشه و هوا، بخشی از نور منعکس شده و بخش دیگری از آن وارد محیط می‌شود. خم شدن و کاهش سرعت نور در این محیط‌ها بستگی بسیار زیادی به چگالی محیط دارد. خطی عمود بر سطح در نقطه‌ی برخورد نور با محیطی دیگر همانند آب، اصطلاحاً خط نرمال نامیده می‌شود. زاویه‌ی میان خط نور و خط نرمال، زاویه‌ی انتشار نام دارد. بخشی از نور که از هوا وارد آب می‌شود، با سرعتی آهسته‌تر به عبور خود از آن ادامه می‌دهد. آب نسبت به هوا چگال‌تر است و این باعث می‌شود که خط نور به سمت خط نرمال خم شود. زاویه‌‌ی میان خط خم شده‌ی نور و خط نرمال، زاویه‌ی شکست نامیده می‌شود. اگر نور از محیط آب خارج شده و به محیط هوا وارد شود، خط نور از خط نرمال دور شده و در این حالت تحت شرایط خاص رنگین کمان ایجاد می‌شود.

قانون اسنل

یک پرتو نور از محیطی با ضریب شکست A عبور می‌کند و به محیط دیگری با ضریب شکست B وارد می‌شود. زاویه‌ی انتشار a و زاویه‌ی شکست b است. با استفاده از این اطلاعات، می‌توانیم فرمول اسنل را به صورت زیر بیان کنیم:
A*sine(a) = B*sine(b)
به این ترتیب می‌توانیم زاویه‌ی انکسار (ضریب شکست) را به دست آوریم. به عنوان مثال sine(b) عبارتست از: sine(b) = A*sine(a)/B یا b = arcsin(A*sine(a)/B).
شاخص‌های انکسار در دمای اتاق برای برخی از محیط‌ها به شرح زیر هستند:
• شیشه (آکرلیک) 1.490 تا 1.492 و شیشه‌‌های پهن (شیشه‌های اپتیکی) 1.50 تا 1.54
• هوا 1.00027712
• آب 1.33283

رنگین کمان

فرآیند تشکیل رنگین کمان به شرایط خاصی بستگی دارد که از این دست می‌توان موقعیت خورشید در آسمان، و اندازه‌ی ملکول‌های آب موجود در هوا میان بیننده و خورشید را نام برد. نور خورشید وارد ملکول‌های آب می‌شود (به عنوان مثال از خلاء به هوا و سپس به آب)، تغییر جهت می‌دهد، از ملکول‌های آب خارج می‌شود (از آب به هوا)، و دوباره مسیرش عوض شده و به چشم ما می‌رسد. نور از رنگ‌های مختلفی تشکیل شده است که طول موج‌های متفاوتی دارند. زاویه‌ی شکست نور نیز به طول موج نوری بستگی دارد که از محیط عبور می‌کند. به این دلیل میزان خم شدگی رنگ‌های نور به یک اندازه نیست. امواج نوری که بخش‌هایی از طیف نور قابل مشاهده هستند، منحرف شده و از ملکول‌های آب به صورت جداگانه بیرون می‌آیند؛ به این ترتیب ما نیم دایره‌ی رنگین کمان را با رنگ‌های مجزا مشاهده می‌کنیم. در این حالت مولکول‌های آبی که در ارتفاعی خاص قرار دارند همانند منشور عمل می‌کنند.
درست است که نور ماهیتی دو گانه دارد (امواج و ذرات)، اما در زمینه‌ی اپتیک (نورشناسی) به عنوان موج در نظر گرفته می‌شود. از دانش شکست در ساخت پیروسکوپ، دوربین دو چشمی و تلسکوپ استفاده می‌شود. در این ابزارها از ضریب شکست شیشه،‌ برای جمع کردن نور منعکس شده از اشیاء استفاده می‌شود تا آن‌ها نزدیک‌تر به نظر برسند. همچنین از ضریب شکست برای برش الماس در زاویه‌ی مناسب و افزایش درخشش ظاهری آن استفاده می‌شود. انتقال سیگنال‌های تلویزیونی از طریق فیبر نوری نیز با کمک دانش شکست نور امکان پذیر شده است.