إن انكسار الضوء هو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما تنتقل موجات الضوء من وسط إلى آخر يختلف عنه في الكثافة، مثل الهواء والزجاج أو الماء. عند حدوث ذلك، تتغير سرعة الضوء مما يؤدي إلى انحرافه عن مساره الأصلي. وهذا الانحراف يكون باتجاه الخط العمودي الوهمي الذي يفصل بين الوسطين. ويمكن ملاحظة هذه الظاهرة بوضوح عند وضع قلم في كوب من الماء، حيث يبدو القلم مكسوراً. وقد تمكن العالم سنيل من وضع قانون رياضي يصف هذه الظاهرة بدقة، ويعرف هذا القانون بقانون سنيل.
لماذا يحدث انكسار الضوء
تحدث ظاهرة انكسار الضوء نتيجة لتغير خواص الموجات الضوئية عند الانتقال من وسط إلى آخر يختلف عنه في الكثافة. فعندما تدخل موجة ضوئية من الهواء إلى الزجاج مثلاً، تقل سرعتها بشكل ملحوظ وتتغير أطوالها الموجية. هذا التغيير يؤثر على اتجاه انتشار الموجة، مما يؤدي إلى انحرافها عن مسارها الأصلي. وتجدر الإشارة إلى أن هذا التغيير يحدث بشكل تدريجي، ابتداءً من الجزء الأول من الموجة الذي يصل إلى السطح الفاصل بين الوسطين.
معادلة قانون انكسار الضوء
أُطلق على قانون انكسار الضوء اسم معادلة سنيل نسبًة إلى العالم الذي قام باكتشافها، ويربط القانون بين معاملات الانكسار في الوسطين اللذين تتحرك بينهما الموجة، والزوايا التي يشكّلها الانكسار، كالآتي:
(n1 / n2 = sin (α2) / sin α1
حيث إنَّ:
- n1: هو معامل الانكسار للوسط الأول.
- n2: معامل الانكسار للوسط الثاني.
- α1: زاوية السقوط المتكوّنة بين الشعاع الساقط والخط الوهمي العمودي الفاصل بين الوسطين.
- α2: زاوية الانكسار المتكوّنة بين الشعاع المٌنكسر في الوسط الثاني والخط العمودي الفاصل بين الوسطين.
ملاحظة: معامل انكسار الضوء في الهواء يساوي (1) تقريبًا.
أمثلة على قانون انكسار الضوء
مثال 1
إذا كان الضوء يسير في الهواء ثمّ انتقل إلى وسط يتكوّن من ألياف ضوئية معامل الانكسار فيها 1.44، وكانت زاوية السقوط عند الوسط الفاصل بين السطحين 30 درجة، فما هي زاوية الانكسار المتكوّنة؟
الحل:
n1 = 1
n2 = 1.44
α1 = 30o
α2 = ؟؟
وبتطبيق القانون : n1/n2 = sin α2/sin α1
1/1.44 = sin (α2)/ sin(30)
وبحل المعادلة نجد أنّ المجهول α2 = 20.1o
نلاحظ أنَّّ الزاوية قلت؛ حيث كانت 30 درجة ثم أصبحت 20.1 درجة، مما يعني أن الضوء تحرّك باتجاه الخط الوهمي العمودي على السطح الفاصل بين الوسطين.
مثال 2
احسب معامل الانكسار لوسط ما إذا علمت أنّ زاوية السقوط كانت تساوي 45 درجة، وزاوية الانكسار 24 درجة، والشعاع انتقل من الهواء (معامل انكساره =1) إلى ذلك الوسط.
الحل:
n1 = 1
n2 = ؟؟
α1 = 45o
α2 = 24o
باستخدام قانون سنيل:n1/n2 = sin α2/sin α1
n2 /1= sin (45)/sin(24)
وبحلّ المعادلة نجد أنّ معامل الانكسار للوسط الثاني n2 = 1.74
باستخدام قانون سنيل يمكننا معرفة مجهول واحد من بين معاملات الانكسار للوسطين اللذين مرّ الضوء من خلالهما، وزوايا السقوط والانكسار.
تطبيقات عملية على ظاهرة انكسار الضوء
- انكسار الضوء أثناء انتقاله عبر طبقات الغلاف الجوّيّ: تتعرض أشعة الشمس إلى انكسار عند انتقالها عبر طبقات الغلاف الجوي المتعددة. هذا الانكسار ناتج عن اختلاف كثافة هذه الطبقات، مما يؤدي إلى تغير اتجاه الشعاع الضوئي. وتعتبر هذه الظاهرة الطبيعية هي السبب الرئيسي في انتشار الضوء الشمسي وتوزيعه على سطح الأرض.
- انكسار الضوء داخل العين: تبدأ رحلة الضوء داخل العين بانكساره في القرنية، وهي الطبقة الشفافة الأمامية للعين. وتحدث داخل القرنية نسبة كبيرة من الانكسار الضوئي (حوالي 80%). بعد ذلك، يستمر الضوء في طريقه داخل العين لينكسر مرة أخرى في العدسة، والتي تكمل عملية تركيز الضوء على الشبكية.
- انكسار الضوء في الكاميرا: تعتمد آلية عمل الكاميرا على انكسار الضوء. فعندما تدخل الأشعة الضوئية من البيئة الخارجية إلى الكاميرا، فإنها تمر عبر العدسة الزجاجية المحدبة. يؤدي اختلاف كثافة الهواء عن كثافة الزجاج إلى انكسار هذه الأشعة. وبعد انكسارها، تصطدم الأشعة بفيلم حساس للضوء (يحتوي على نترات الفضة)، مما يؤدي إلى تكوين صورة حقيقية مقلوبة.
- انكسار الضوء في التلسكوب: عند النظر من خلال تلسكوب انكساري، فإن العدسات الكبيرة الموجودة فيه تقوم بتجميع الضوء القادم من الأجسام البعيدة وتكسره. هذا الانكسار يجعل الضوء يتجمع في نقطة واحدة ثم يمر عبر عدسة أخرى أصغر. النتيجة هي الحصول على صورة مكبرة ومفصلة للجسم البعيد، مما يجعله يبدو أقرب إلينا.
- انكسار الضوء في عدسات النظارات: لكي يتمكن الأشخاص الذين يعانون من ضعف شديد في البصر من الرؤية بوضوح، يحتاجون إلى عدسات نظارات ذات سمك أكبر. تعمل هذه العدسات على زيادة قدرة العدسة على انكسار الضوء، حيث تقوم بتغيير اتجاه الأشعة الضوئية بشكل أكبر. وبالتالي، يتمكن الضوء من التركيز بشكل صحيح على الشبكية في العين، مما يوفر صورة أوضح وأكثر وضوحًا.
ما الفرق بين انكسار الضوء وانعكاس الضوء؟
يكمن الفرق بين الظاهرتين في طريقة تصرُّف الضوء عند وصوله إلى الحد الفاصل بين وسطين كالآتي:
- انكسار الضوء (Refraction of light)، وهي ظاهرة ينتج عنها عبور الضوء بين وسطين مختلفين فتختلف سرعته وطول الموجة واتجاهه عند دخوله إلى الوسط الآخر، حيث أن الوسطين يسمحان بانتقال الضوء عبرهما، ومن أهم الأمثلة عليه ما يحدث في العدسات.
- انعكاس الضوء (Reflection of light)، وهي ظاهرة ينتج عنها ارتداد الضوء عند سقوطه على سطح وسط مختلف، فيعود إلى نفس وسطه بنفس السرعة، ولا يعبُر إلى الوسط الآخر، حيث أنّ الوسط الثاني يكون ذو خصائص لامعة تمنعه من العبور ومن الأمثلة الشائعة عليه ما يحدث في المرآة.
