كيف تحدث ظاهرة إنكسار الضوء؟

ظاهرة إنكسار الضوء هى ظاهرة من الظواهر التى تحدث يومياً فى حياتنا ،وينتج عن إنكسار الضوء كثير من الظواهر الأخرى مثل السراب او قوس قزح وكثير من الظواهر مما أدى الى اهتمام العلماء فى البحث فى هذه الظاهرة ووضع قانون ومفاهيم اساسية لها ، ومنهم الحسن بن الهيثم العالم المسلم العربي وابن سهل العالم المسلم العربي الذي يعود الفضل اليه  في اكتشاف قانون الإنكسار . 

تعريف الضوء

هو ذلك الإشعاع الذي يؤثر على العين ويسبب الرؤية وهو عبارة عن اضطراب ينتشر على هيئة موجات كهرومغناطيسية مستعرضة تثير الإحساس بالرؤية في عين الإنسان وهذه الموجات يتراوح طولها الموجي بين (7×10^-7)m للون الأحمر و (4×10^-7)m للون البنفسجى،ومن خصائصه الأساسية  الشدة، واتجاه الانتشار،و التردد أو الطول الموجي والطيف، والاستقطاب، بينما سرعته في الفراغ، تقدر بـ (299,792,458 م/ث) وهي احدى الثوابت الأساسية في الطبيعة، وهذا الضوء له طاقة إشعاعية تتحول إلى الأنواع الأخرى المعروفة من الطاقة تحقيقاً لمبدأ حفظ الطاقة.

ماهو إنكسار الضوء ؟

 هى ظاهرة تحدث عند انتقال الضوء من وسط إلى وسط اخر مثل انتقال الضوء من الهواء إلى الزجاج أو العكس وتحدث ظاهرة الانكسار بسبب اختلاف سرعة الضوء في كل وسط يعبر فيه، حيث تكون سرعة الضوء اكبر ما يمكن في الهواء ولكن تقل سرعته في الزجاج.

تاريخ دراسة هذه الظاهرة

لاحظ الأنسان قديما شئ غريباً عندما يتم غمر عمود أو عصا مستقيمة في الماء جزئيًا حيث لا يظهر العمود مستقيماً بعد وضعه فى الماء، ولكنه ينحرف بزاوية أو اتجاه مختلف ، فحاول الفلكي اليوناني القديم والجغرافي بطليموس أن يشرح رياضياً مقدار الانحناء (أو الانكسار) الذي حدث ،فوجد علاقة ما بين زوايا الانكسار، لكنها كانت غير دقيقة بالنسبة للزوايا الغير صغيرة،وقام الحسن بن الهيثم في كتابه المناظر بمحاولة للتعرف على قانون الانكسار لكنه لم يوفق كليًا،ووصفه ابن سهل فكان أول من وصف قانون الانكسار وصفًا صحيحًا .

 وقد اكتشف قانون سنيل عام 1602 بواسطة توماس هاريوت وعلى الرغم من ذلك فلم ينشر نتائج أبحاثه، وفي عام 1621 نجح عالم الرياضيات الهولندي ويلبرورد سنيل في تطوير قانون يحدد قيمة مرتبطة بنسبة الزوايا الحادثة والانكسار ، والتي سميت فيما بعد بقوة الانحناء أو معامل الانكسار.

نظريات متعلقة بتفسر ظاهرة إنكسار الضوء

1- النظرية الجسيمية لنيوتن

تصف هذه النظرية على ان إنكسار الضوء ظاهرة تحدث عندما تخترق  الجسيمات الكروية الضوئية اوساطاً مختلفة الكثافة مثل الماء أو الزجاج فأنها تنكسر داخل كل وسط وتنحرف عن المسار المستقيم لها،فعند انتقال الضوء من وسط اقل كثافة مثل الهواء إلى وسط أكثر كثافة مثل الماء فأن الوسط المائي يحرف هذه الجسيمات الضوئية إلى أسفل ومعنى ذلك أن المركبة الرأسية لسرعة الضوء المنكسر سوف تقل بحيث تقترب الجسيمات الكروية الضوئية من العمود على السطح الفاصل بين الوسطين . وبذلك سوف تزداد السرعة المحصلة أي أن سرعة الضوء في الوسط الكثيف سوف تزداد وتصبح أكبر من سرعة الضوء في الوسط الخفيف (أي أن سرعة الضوء تعتمد على الكثافة الضوئية للوسط). وهذا غير صحيح ويخالف التجارب العلمية حيث أن سرعة الضوء تكون اكبر ما يمكن في الفراغ أي تزداد كلما قلت الكثافة للوسط فأن سرعة الضوء في ذروتها في الفراغ وبالتالي فشلت نظرية نيوتن في تفسير ظاهرة الحيود والتداخل والاستقطاب.

2- النظرية الموجية لهايجنز

افترضت هذه النظرية أن الضوء عبارة عن موجات و أن كل نقطة على صدر الموجة تعتبر مصدر إطراب ثانوى،وأنه لابد من وجود وسط مادي لكي تنتشر من خلاله هذه الموجات ،هذا و قد استطاعت هذه النظرية في تفسير ظاهرة الانكسار حيث اعتبرت أن سرعة الضوء في الوسط الأكبر كثافة ضوئية كالماء اقل منها في حالة الوسط الأقل كثافة ضوئية كالهواء.

3-النظرية الكهرومغناطيسية لماكسويل

وهذه النظرية تصف ظاهرة إنكسار الضوء على انها ظاهرة تحدث أثناء تغيير وسط الانتشار، إذا كان الوسيط الثاني شفافًا للموجة فإنه ينتشر من خلال اتجاه مختلف وتحدث هذه الظاهرة أيضاً فى موجات الراديو.

حيث اعتبرت هذه النظرية ان الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ وبالتالي فانها تتبع سلوك الموجة من إنتشار ،وإنكسار،وحيود،وتداخل وتشتت .

بعض المصطلحات المتعلقة بإنكسار الضوء

1- الكثافة الضوئية لوسط ما:

هو المقدار الذي يميز اعتماد سرعة انتشار الضوء على نوع الوسط وتقاس بالقيمة العددية لمعامل الانكسار المطلق للوسط أو هي قدرة الوسط على كسر الأشعة الضوئية عند نفاذها فيه.

2- السطح الفاصل:

هو السطح الذي يفصل بين وسطين شفافين مختلفين في الكثافة الضوئية.

3- الشعاع الضوئي الساقط:

هو الشعاع المتجه إلى السطح الفاصل ويقابله في نقطة السقوط.

4- الشعاع الضوئي المنكسر:

هو المسار الجديد للشعاع الضوئي في الوسط الثاني بعد نفاذه من السطح الفاصل.

5- زاوية الانكسار:

هي الزاوية المحصورة بين الشعاع الضوئي المنكسر والعمود المقام من نقطة السقوط على السطح الفاصل.

6- قانون الانكسار الأول:

نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لوسطين معينين هي مقدار ثابت يعرف بمعامل الانكسار النسبي بين الوسطين.

7- قانون الانكسار الثاني:

يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر في مستوى واحد مع العمود المقام من نقطة سقوط الشعاع على السطح الفاصل بين الوسطين.

8- معامل الانكسار:

وينقسم الى نسبي (بين وسطين) وهو النسبة بين سرعة الضوء في الوسط الأول وسرعة الضوء في الوسط الثاني. والى مطلق (بين وسط واحد) وهو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ أو الهواء وسرعة الضوء في هذا الوسط. معامل إنكسار بعض الأوساط ،الهواء (1.0003) ،الماء (1.333) ،الجلسيرين(1.473) ،الزيت (1.515) ، الماس (2.417) ،الزجاج(1.520) ،الجليد(1.310) .

9- قانون سنيل:

ناتج ضرب معامل الانكسار المطلق للوسط الأول في جيب زاوية السقوط يساوي ناتج ضرب معامل الانكسار المطلق للوسط الثاني في جيب زاوية الانكسار (n₁ sinθ₁ = n₂ sin θ₂) .

التفسير العلمي لظاهرة إنكسار الضوء

عندما تمر موجة ضوئية من وسط أقل كثافة (مثل الهواء) إلى وسط أكثر كثافة (مثل الماء) ، تنخفض سرعة الموجة على العكس من ذلك ، عندما يمر الضوء من وسط أكثر كثافة (ماء) إلى وسط أقل كثافة (هواء) تزداد سرعة الموجة.

عندما تسقط موجة ضوئية من وسط الى وسط فأن زاوية الوسط الأول تسمي زاوية السقوط ،وزاوية الوسط الثاني تسمي زاوية الإنكسار ،فإذا كان معامل إنكسار الوسط الأول أصغر من معامل إنكسار الوسط الثاني، مثل المرور من الهواء إلى الماء أو الزجاج، فإن زاوية الإنكسار تكون أقل من زاوية السقوط، والعكس بالعكس.

يصف قانون سنيل العلاقة ما بين زوايا السقوط والانكسار، عندما ينتقل  الضوء أو غيره من الأمواج ما بين وسطين مختلفين وينص القانون :

(v₁ sinθ₂ = v₂ sin θ₁)  أو  (n₁ sinθ₁ = n₂ sin θ₂)

• θ₁: زاوية سقوط الموجة من الوسط الأول إلى الوسط الثاني، θ₂: زاوية انكسار الموجة في الوسط الثاني.
• v₁: سرعة الضوء في الوسط الأول، v₂: سرعة الضوء في الوسط الثاني.
• n₁: معامل الانكسار للوسط الأول، n₂: معامل الانكسار للوسط الثاني.

فعندما تكون n₁ أقل من n₂، تكون زاوية الانكسار دائمًا أصغر من زاوية السقوط كما فى الشكل (1)و(3)،و عندما تكون n₁ أكبر من n₂ ، تكون زاوية الانكسار دائمًا أكبر من زاوية السقوط كما فى الشكل (2) ،و عندما يتساوى معامل الانكسار (n₁ ، n₂)، يجب أن تكون الزاويتان متساويتين أيضًا مما يسمح للضوء بالمرور دون انكسار.

إنكسار الضوء في الغلاف الجوي

ملحوظة:

ظاهرة إنكسار الضوء يمكن أن تحدث فى الهواء تلقائياً دون أن تمررها على وسط أخر ،وذالك بفعل العوامل المناخية والمؤثرات الأخرى كدجة الحرارة والكثافة ،  كإنكسار الضوء في ظاهرة السراب وإنكسار الضوء فى الغلاف الجوي .

إنكسار الضوء في الغلاف الجوي هو انحراف الضوء عن السير في خط مستقيم عند مروره خلال الغلاف الجوي،بسبب الفرق فى كثافة الهواء فكلما أرتفعت المسافة من سطح الأرض قلت كثافة الهواء والعكس ، ينتج عن الانكسار في الغلاف الجوي تكون سرابات، وتظهر الأشياء البعيدة كوميض أو أمواج ، كما يتسبب الانكسار في الغلاف الجوي في ظهور الأجرام السماوية في السماء أعلى مما هي عليه في الواقع، ويتوقف قدر الانكسار في الغلاف الجوي على درجة الحرارة والضغط وكذلك الرطوبة.

بعض الظواهر المتعلقة بإنكسار الضوء

1- قوس قزح

وهى ظاهرة طبيعية فيزيائية ناتجة عن انكسار وتحلل ضوء الشمس خلال قطرة ماء المطر،حيث انه في البداية ينكسر ضوء الشمس الساقط بشكل مائل عند دخوله في قطرات المطر ومن ثم ينعكس مرة أخرى في السطح الداخلي من القطرة وينكسر أيضا عند خروجه من القطرة. يظهر التأثير الكلي في الضوء الساقط منعكسا على مدى واسع من الزوايا، مع تركيز شديد له في زاوية 40°–42°. يمكن اثبات أن هذه الزاوية مستقلة عن حجم القطرة، ولكنها تعتمد على معامل الانكسار. يمتلك ماء البحر معامل انكسار أعلى من ماء المطر، لذا يكون نصف قطر قوس قزح في المرشات البحرية أصغر من القوس الحقيقي. يكون هذا مرئيا للعين المجردة على هيئة عدم استقامة بين هذين القوسين.

2- السراب

السراب ظاهرة بصرية وهمية تنتج عن انكسار أشعة الضوء بسبب اختلاف درجات حرارة الهواء ،فالهواء البارد أكثر كثافة من الهواء الساخن، وبالتالي ازيد في معامل الانكسار، فعندما يمر الضوء من الهواء البارد عبر حدود حادة إلى جو أكثر دفئا إلى حد كبير، تقوم أشعة الضوء بالانحناء بعيدا عن اتجاه الانحدار في درجة الحرارة، وعندما تمر أشعة الضوء من سخونة إلى برودة، ينحني الضوء نحو اتجاه الانحدار، وإذا كان الهواء الذي بالقرب من سطح الأرض أكثر دفئا من ذلك الأعلى في المستوى، ينحني شعاع الضوء في شكل مقعر .

وغالباً ما يكون ناتج ذالك الإنكسار الضوئي رؤية بركة من المياه على الطريق على بُعد مئات الأمتار، وعند الوصول إلى تلك مكان البركة لا تجد الماء.

3- ظاهرة العمق الظاهر

وهى ظاهره تحدث غالباً نتيجة إنتقال الضوء من الهواء الى الماء أو العكس ، وهذه الظاهرة نراها بكثرة فى حياتنا اليومية ،عند النظر الى جسم ما داخل المياه أو الى خارجها (إذا كنت تحت الماء)  حيث نرى هذا الجسم بصورة غير طبيعية عن الوضع الإفتراضي ،وتظهر هذه الظاهرة بدقة اذا كان هذا الجسم ملامس للسطحين ،بحيث يكون جزء منه داخل المياه وجزء خارجه .

وهذا مثال لبعض الظواهر اليومية التى نراها :

(1)

عندما يكون الجسم متواجداً فى المياه بشكل جزيئى (أي يكون جزء منه داخل المياه وجزء خارجه) كما فى الأشكال السابقة ،فعند النظر أليها ترى إنكساراً ملحوظاً فى الجسم كما واضحا فى الأشكال (A ،b ،c) ،وذالك بسبب اختلاف سرعة الضوء فى الوسطين حيث تكون سرعة الضوء فى الهواء اعلى من سرعته فى الماء ،وذالك لان كثافة الماء اكبر من كثافة الهواء والعلاقة بين الكثافة والسرعة للضوء علاقة عكسية ،مما ينتج انكسار الضوء بزاوية معينة حسب قانون سنيل للإنكسار .

(2)

عندما يكون الجسم متواجد داخل المياه بشكل كامل كما فى الشكل السابق ،فعند النظر اليها تلاحظ قرب المسافة بين الجسم وسطح المياه ،وذالك ناتجاً بسبب إنكسار الضوء مما يوهمك بأنك يمكنك أن تمسك أو ان تلامس الجسم وعندما تحاول ذالك تجد أن المسافة تزداد ،وذالك بسبب اختلاف الكثافة بين الوسطين حيث أن كثافة الماء اعلى من كثافة الهواء والعلاقة بين الكثافة وسرعة الضوء علاقة عكسية حسب قانون سنيل ،فعند انتقال الضوء من الهواء الى الماء تقل سرعته بسبب اختلاف الكثافة بين الهواء والمياه مما يؤدي الى تقليل العمق الظاهر (كما فى الشكل السابق ) ،وذالك حسب العلاقة الطرديه بين سرعة الضوء و العمق الظاهر:

  (  d_S =d_f/n  )    ،   (  n = c / v   )

• d_S : المسافة الوهمية الظاهرة (العمق الظاهر) .
• d_f : المسافة الحقيقية (العمق الحقيقي) .
• n : معامل انكسار المياه .
• c : ثابت سرعة الضوء .
• v : سرعة الضوء فى الوسط .

والواضح من القانون أن كلما زاد معامل الإنكسار فى الوسط (الماء) قلت سرعة الضوء علاقة عكسية بين معامل الإنكسار والسرعة (n = c / v) ،وبزيادة معامل الإنكسار يقل العمق الظاهر حسب العلاقة (d_S =d_f/n).

(3)

في حالة ما ينظر الشخص الغاطس في الماء إلى أشياء فوق سطح المـاء كما فى الشكل السابق ، يحدث إنكسار فى الضوء بسبب اختلاف سرعاته فى الوسطين ،فتلاحظ تباعد الجسم عن الوضع الحقيقي له كما فى الشكل السابق،وهذه الظاهرة عكس الظاهرة التى قبلها .