تمثل ظاهرة الإنكسار الضوئيّة تلك الموجة المنحنية عند دخولها لوسطٍ ما وتعرف بشكلٍ أوضح على أنّها التغير الحاصل في اتجاه الموجة الضوئيّة المنتقلة من وسطٍ لآخر، ولهذه الظاهرة المنتشرة بشكلٍ كبير قوانينٌ عديدةٌ وهي:

  • إنّ الإشعاع الساقط و المنكسر على واجهة وسيطين يلتقي مع الإشعاع العادي عند نقطة الورود ويقع الجميع على نفس المشتوى.
  • تعد النسبة لجيب زاوية الورود إلى زاوية الإنكسار نسبةً ثابتة.

ولحدوث ظاهرة الإنكسار أسبابٌ وهي:

  • ثبات تردد الإشعاع المنكسر.
  • حين تكون شدة الإشعاع المنكسر أقل من شدة الإشعاع الساقط فإنّ ذلك يؤدي لانعكاسٍ جزئيٍّ للضوء في الواجهة.
  •  حدوث الإنحراف للضوء حين يتخطى الحدود بين وسيطين مختلفين يؤدي إلى الإنكسار وعندها يحدث تغيير في طول الموجة وكذلك سرعة الضوء.

ومن الأمثلة على ظاهرة انكسار الضوء:

  • إن تشكل قوس قزح هو أكبر مثالٍ على ظاهرة انكسار الضوء، ففيه يحدث لأشعة الشمس المنحنية مع قطرات المطر هذا يؤدي لتشكله.
  • وأيضًا يعدّ المنشور مثالًا عن تشكل ظاهرة انكسار الضوء.

تتشكل أثناء هذه الظاهرة زاوية تدعى بزاوية انكسار الضوء وهي الزاوية المتشكلة بين الإشعاع المنكسر والعادي حين وروده على سطح الإنكسار، وكما في الشكل التالي:

ما هي زاوية الانكسار؟

عندما يخضع شعاع الضوء لظاهرة الإنكسار حين يمرّ من الهواء إلى الماء، فيكون الشعاع الساقط عبارةً عن الشعاع الذي يوضح اتجاه انتقال الضوء حين اقترابه من الحدود، أمّا الشعاع المنكسر فيمثل اتجاه الضوء بعد أن يمرّ من الحدود كما في الشكل السابق، فتتشكل زاوية بين الشعاع الساقط والخط العادي والتي تسمى بزاوية الورود، بالإضافة إلى تشكل زاويةِ الإنكسار ويرمز لهذه الزاوية بـ (θ)، ومن خلال زاوية الإنكسار يمكن التعبير عن مقدار انحناء الشعاع الضوئي، ويمكن أيضًا للضوء أن ينعكس بدلًا من انكساره وعندها يشكل زاوية الإنعكاس كما في الشكل السابق.

وللإنكسار الضوئي آثارٌ متمثلةٌ بما يلي:

  • يتسبب انكسار الضوء لحدوث وميض النجوم.
  • وأيضًا يسبب أوهامًا بصريّةً مثل السراب والنول.
  • يجعل حوض السباحة يبدو وكأنه ضحلٌ أكثر مما يكون عليه نتيجة انكسار الضوء القادم من أسفل الحوض والمنحني عند وصوله للسطح.289

ولانكسار الضوء انتشارٌ واسعٌ حيث أنه شمل تطبيقاتٍ عديدة في أكثر من مجال منها البصريات والتكنولوجيا وذلك بالإعتماد على نوع العدسة الكروية المستخدمة سواءً كانت للإنكسار أم للتقعر واستخدم العديد من عدسات الإنكسار من الزجاج، حيث تستخدم هذه العدسة لتشكيل صورةٍ لجسمٍ ما ولأغراضٍ مختلفة مثل التكبير، وأيضًا من تطبيقات الإنكسار حين يتم تمرير الضوء الأبيض عبر منشورٍ مصنوعٍ من الزجاج فيؤدي ذلك إلى تقسيم الضوء ذو اللون الأبيض إلى طيفٍ من الألوان.262

ولابدّ من معرفة معامل الإنكسار حين تدرس هذه الظاهرة والذي يعبر عن مؤشر الإنكسار أو مدى سرعة تحرك الضوء من خلال المادة والذي يكون بلا أبعاد عندما ينسب لمادةٍ معينة، ورياضيًّا يكون معامل الإنكسار معبرًا عن النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الضوء في الوسط.

أكمل القراءة

وضع عالم الفلك والرياضيات الهولندي Willebrord Snell (1580-1626) القانون المعروف باسمه في العام 1621 والذي يُعد حجر الأساس في علم البصريات الهندسية الحديث، ورغم ذلك لم يحظَ هذا القانون بالاهتمام المطلوب، ولم يستقطب الأنظار حتى عام 1703، عندما ورد ذكره في أطروحة للفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز، ويفسر قانون سنيل (Snell’s law of refraction) آلية حدوث الانكسار، فعندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط إلى وسط مختلف عنه (هواء – ماء – زجاج) تتغير سرعة الشعاع وطول موجته، وتعتمد زاوية الانكسار المتشكلة على معامل الانكسار للوسطين، فإذا انتقل الضوء من الهواء إلى الزجاج فإن زاوية الورود أكبر من زاوية الانكسار، أما إذا انتقل الضوء من الزجاج إلى الهواء فتكون زاوية الورود أقل من زاوية الانكسار.

ينكسر الضوء مقتربًا في اتجاه العمود الناظم إذا كان معامل انكسار الوسط الذي يدخل فيه الضوء أكبر من معامل انكسار الوسط الذي ورد منه.

ما هي زاوية الانكسار؟

ولتفسير ذلك فيما يلي صيغة القانون:

n₁sin (θ₁) = n₂sin (θ₂)

حيث:

n₁ معامل الانكسار في الوسط 1 (الذي يرد منه الشعاع).

n₂ معامل الانكسار للوسط 2 (الذي ينتقل إليه الشعاع).

θ₁ زاوية الورود وهي الزاوية المتشكلة بين الخط العمودي القائم على السطح بين الوسطين والشعاع الوارد في نقطة الانكسار.

θ₂ زاوية الانكسار وهي الزاوية بين الخط العمودي والشعاع (المنكسر) الذي يمر عبر الوسط الثاني.

ومعامل الانكسار لا واحدة له لكونه نسبة لكميات متجانسة، ويمكن حسابه بطريقتين:

  • إما بالمعادلة:  n = sin θ₁/ sin θ₂

حيث ينتقل شعاع الضوء من الوسط 1 إلى وسط آخر 2، حيث n هي قيمة ثابتة تمثل معامل الانكسار للوسط “2”  بالنسبة للوسط “1”.

  • أو بالمعادلة: n = c / v

حيث: c سرعة الضوء في الفراغ  299.792.46 كم / ثانية، v سرعة الضوء في الوسط، ويعرّف معامل الانكسار لوسط ما بأنه النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ والوسط المدروس، ومن  معاملات الانكسار المحسوبة الهواء: 1.000293، والماء عند 20 درجة مئوية: 1.333، أما الجليد فهو: 1.31

مثال 1: نسلط ضوءًا ينتقل من الماء إلى الهواء بزاوية ورود °30، لإيجاد زاوية الانكسار نطبق قانون سنيل

(1.33sin (30°) = 1.00029sin (θ₂ 

°θ₂  = 41

مثال 2: إذا انكسر شعاع بزاوية (°14=θ₂)  وكان معامل الانكسار (n=1.2)، فيمكن حساب زاوية وروده (θ₁)  بالاستناد للقانون: 

 n = sin θ₁/ sin θ₂

 1.2 = sin θ₁/ sin 14

1.2 ×  sin14 =  sin θ₁

 0.28 = 1.2 × 0.24 =

= 16.7° θ₁

مثال 3: إذا كانت زاوية الورود  (25°=θ₁) وزاوية الانكسار (32°=θ2)  فيمكن حساب معامل انكسار الوسط:

 n = sin 25/ sin 32

 0.5299/ 0.4226= n

  0.8 ≅ 0.7975=

التطبيقات:

لقانون سنيل طيف واسع من التطبيقات العملية في الفيزياء وخاصة في مجال البصريات، يُستخدم لدى صناعة العديد من الأجهزة البصرية كالنظارات والعدسات اللاصقة والكاميرات، ولعل أهم تطبيقاته جهاز الرفراكتومتر (refractometer) ذو الاستخدامات المتعددة في مجال الصناعات الغذائية وفيه يستخدم قانون سنيل لحساب معامل انكسار السوائل مما يسمح بمعرفة الكثافة النوعية للسوائل ونسبة المواد الصلبة الذائبة فيها.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي زاوية الانكسار؟"؟