تا حالا به این دقت کردید که یک نی در نقطه ورود به لیوان آب به نظر خم شده و شکسته میاد؟ یا براتون احتمالا سوال شده که چجوری عینک میتونه بینایی تار را بهتر کنه. این دو اتفاق و پدیده هایی شبیه این بخاطر پدیده ای در فیزیک به اسم انکسار یا شکست نور اتفاق میفته. شکست نور به معنای خم شدن نور در هنگام ورود از یک محیط به محیط دیگر است. در پدیده شکست ، نور سرعت و جهت خود را تغییر می دهد و فهم این پدیده در فهمیدن نوع عملکرد لنز ها بسیار حیاتیست. در هر جایی که لنز ها استفاده میشوند چه در دوربین های فیلمبرداری چه در میکروسکوپ ها بخاطر پدیده شکست نور است که می توانند تصاویر جدیدی خلق کنند.

شکست نور فقط یک پدیده انتزاعی نیست بلکه در زندگی روزمره نیز با آن مواجه می شویم بوسیله انکسار است که می تونیم بر روی محیطی زوم کنیم و جزئیات ریز را ببینیم حتی این پدیده کاربرد های نظامی مثل استفاده در پریسکوپ هم برای دیدن اطراف دارد. شکست نور در گوشی های شما، تجهیزات پزشکی و خیلی جاهای دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله درباره این پدیده توضیحاتی به شما خواهم داد.

پیشنهاد مطالعه: ورود صدا به سینما

شکست نور چیست و چرا نور دچار شکست می شود؟

شکست نور وقتی اتفاق می افتد که پرتوی نور به هنگام ورود از یک محیط به محیط دیگر، تغییر جهت دهد اما چرا چنین اتفاقی می افتد؟ دلیل این اتفاق بخاطر سرعت نور است. نور در سرعت های گوناگونی در مواد مختلف حرکت می کند و در هوا سریعتر از آب یا شیشه مسیر خود را طی می کند. وقتی پرتوی نور به مرز دو ماده می رسد یک طرف پرتو سریعتر یا کند تر می شود که این تغییر سرعت ناگهانی باعث تغییر جهت نور می گردد.

همه مواد شفاف، دارای خاصیتی به اسم ضریب شکست هستند که به معنای این است که چقدر سرعت نور را کم می کنند. هوا ضریب شکست نزدیک به یک دارد به این معنا که تقریبا سرعت نور در هوا هیچ تغییری نمی کند.ضریب شکست آب در حدود 1.33 است و شیشه نزدیک 1.5. هرچقدر که عدد ضریب شکست بالاتر باشد به این معناست که نور با سرعت کمتری در آن ماده حرکت می کند که در نتیجه به معنای این است که در هنگام ورود و خروج نور تغییر سرعت بیشتری می دهد.

برای محاسبه میزان خمیدگی نور از قانون اسنل استفاده می کنند بر اساس این قانون نسبت زاویه ورودی نور به زاویه شکست متناسب با ضریب شکست های دو ماده است. اگر نور وارد محیط چگالتری نسبت به محیط اولیه شود به سمت خط خیالی عمود بر سطح خم می شود و اگر نور به محیطی با ضریب شکست کمتر از محیط قبلی وارد شود از این خط عمود دور می شود.

بخاطر همین مدادی که نصفه وارد شیشه آب شده است شکسته به نظر می رسد چرا که نور بخش پایین به محض خروج از آب خم شده و چشمان شما را گول می زند.

این پدیده فقط خطاهای بینایی مثل خم یا جابجا دیده شدن ایجاد نمی کند بلکه نور را به رنگ های مختلفی تقسیم می کند. وقتی نور از یک منشور عبور می کند هر رنگ به میزان مختلفی خم می شود. نور های بنفش و آبی بیشتر کند شده و در نتیجه بیشتر دچار شکست می شوند که نتیجه این امر ایجاد یک رنگین کمان از رنگ هاست که نور مرئی را تشکیل می دهد. دلیل دیدن رنگین کمان بعد از باران نیز همین است نور خروشید توسط میلیون ها قطره ریز آب در هوا شکسته شده و پخش می شود.

پدیده شکست نور به ما امکان این را می دهد که با کمک لنز نور را متمرکز کرده و تصاویر را تشکیل بدیم.

چگونه لنز ها نور را دچار شکست می کنند؟

لنز یک ماده شفاف است که با کمک پدیده شکست نور، پرتوهای نور را به سمت مورد نظر هدایت می کند. بر خلاف یک شیشه صاف، لنز ها به علت منحنی بودن ساختار خود باعث خم شدن نور و متمرکز آن می شوند. این سطوح منحنی با دقت زیاد تراش داده می شوند تا پرتوها را همگرا و یا واگرا کنند.

عدسی ها به دو نوع اصلی محدب و مقعر تقسیم می شوند. عدسی محدب  با ضخامت بیشتر در مرکز و کمتر در اطراف، نور های موازی که به آن تابیده می شود را همگرا کرده و در یک نقطه متمرکز می کند که به این نقطه مرکز کانونی، و به فاصله این نقطه تا عدسی فاصله کانونی می گویند. اگر تا به امروز از ذره بین برای سوزاندن کاغذ یا چیز های دیگر استفاده کرده اید شاهد عملکرد عدسی محدب در فاصله کانونی بوده اید.

برای مطالعه: شیمی عکاسی و فیلم

عملکرد عدسی های مقعر دقیقا متضاد محدب است این عدسی ها در مرکز نازک تر و در کناره ها ضخیم تر هستند که در نتیجه باعث واگرایی پرتو های نور ورودی می شوند. این عدسی ها باعث پخش شدن نور ها می شود طوری که انگار نور های موازی، از یک نقطه متمرکز شده بیرون عدسی پخش شده اند. در عمل عدسی های مقعر تصویر مجازی ایجاد می کنند و اجسام را کوچکتر و دورتر از چیزی که هستند نشان می دهند. علاوه بر این این تصاویر مجازی امکان روی پرده یا صفحه نشان داده شدن ندارند اما به علت خاصیت تمرکز زدایی از نور می توانند همگام با عدسی های محدب برای تصحیح بینایی بسیار مفید باشند.

چه محدب و چه مقعر، همه لنز ها از شکست نور در سطح خود استفاده می کنند نور دو بار در هنگام مواجهه با این عدسی ها شکسته می شود یک بار هنگامی که از هوا وارد محیط عدسی می شود و سپس در هنگام خروج از آن. میزان شکست انتهایی به میزان انحنا و ضریب شکست ماده بستگی دارد.

جالبه بدونید عدسی ای که از ماده ای با ضریب شکست بالاتر درست شده می تونه با وجود نازک تر بودن، نور را با قدرت بیشتری خم کنه بخاطر همین در بعضی عینک ها از پلاستیک هایی با ضریب شکست بالا برای رسیدن به قدرت تمرکز بیشتر استفاده می کنند.

مطالعه بیشتر: نقش لنز های اولیه در عکاسی مدرن

عدسی ها تاثیر بسزایی در دیدن ما دارند. قدرت همگرایی و واگرایی آن ها باعث شده که به روش های مختلف، بینایی ما رو بهتر، و و البته باعث گسترش بینایی ما بشود.

شکست نور و جهان

اولین اهمیت پدیده شکست نور را می توان در چشم های خود ببینیم. چشم انسان از یک عدسی محدب تشکیل شده که نور ورودی را بر روی شبکیه چشم متمرکز می کند.اگر کمی این عدسی کار خود را به دلایل مختلف اشتباه انجام دهد دید ما تار خواهد بود و اینجا جاییست که از عدسی های کمکی استفاده می شود.برای افراد نزدیک بین که اجسام دور را تار میبینن، عدسی چشم تصاویر را در جلوی شبکیه تشکیل می دهد بخاطر همین از عینک هایی با عدسی مقعر با واگرا کردن نور باعث تشکیل دوباره تصویر بر روی شبکیه می شوند.

به همین صورت یک فرد دوربین، که اجسام نزدیک را تار می بیند با مشکل تشکیل تصویر در پشت شبکیه چشم روبروست به این علت با عدسی مقعر نقطه تمرکز تصویر را جلوتر آورده و این نقص بینایی را رفع می کنند.

برای آشنایی بیشتر می توانید مقاله مسیر نور به چشم را مطالعه کنید.

به غیر از عینک، اصل شکست نور وسایل بی شماری برای گسترش محدوده بینایی ما ایجاد کرده است .تلسکوپ های اولیه از عدسی های محدب بزرگ در جلوی خود برای جمع کردن نور از ستاره های دوردست استفاده می کردند که توسط چشمی بزرگ می شدند. این چیدمان ساده باعث شد که انسان ها بتوانند چاله های روی ماه  و قمر های مشتری را ببینند. تلسکوپ های امروزی از آینه ها برای جمع آوری نور استفاده می کنند اما همچنین خیلی از دوربین ها از عدسی های منحنی و منشور ها برای نزدیک اوردن اجسام استفاده می کنند.

میکروسکوپ ها نیز از همین پدیده بهره می برند و با استفاده از بزرگنمایی می توانند باکتری یا سلول را به انسان نشان دهند.

در عکاسی و فیلمبرداری همه دوربین ها از المان های اپتیکی برای متمرکز نور بر روی فیلم یا سنسور استفاده می کنند. سیستم فوکوس دوربین، المان های داخلی لنز را تغییر مکان می دهد تا تصویر واضح بر روی سنسور یا فیلم بیفتد. لنز های زوم، فاصله کانونی خود را با تغییر مکان عدسی ها انجام می دهد که در نتیجه میزان خمدیگی نور ووردی تغییر کرده و بزرگنمایی آن در تصویر ثبت شده عوض می شود.

حتی پروژکتور ها نیز از شکست نور استفاده می کنند. در پروژکتور ها با استفاده از عدسی های قوی تصویر بزرگ شده بر روی پرده می افتددر پریسکوپ ها که در زیردریایی ها کاربرد دارند با استفاده از ترکیب منشور و آینه می توانند دنیای بیرون آب را در حالی که زیر آن هستند ببینند. در همه این تکنولوژی ها کنترل مسیر نور حیاتیست و میزان خم شدن نور تعیین کننده این است که چه چیزی را می توانیم و نمی توانیم ببینیم.

نتیجه گیری

از نی خم شده در لیوان تا عدسی های حساس بر روی میکروسکوپ، این حقیقت ساده که نور به علت تغییر سرعت از یک مکان به مکان دیگر دچار شکست می شود زیربنای بخش بزرگی از تجهیزات اپتیکی ما را تشکیل داده است. مهندسین با فهم اینکه چرا و چگونه شکست نور اتفاق می افتد توانسته اند عدسی هایی برای تصحیح مشکلات بینایی، لنز هایی برای ثبت عکس و فیلم و تلسکوپ هایی برای دیدن جهان خلق کنند. دنیا، واضح تر، نزدیک تر و زیبا تر به نظر می رسد فقط بخاطر اینکه عدسی ها نور را دچار شکست می کنند