ظاهرة انكسار الضوء و قانون سنلّ

[الجيولوجية ماستر]

يعرف الفيزيائيين انكسار الضوء على انه انحراف موجة الضوء في وسط ما عند انتقالها إلى وسط آخر نتيجة التغير في سرعة هذه الموجة بين الوسطين.
وكما نعلم فأن سرعة الضوء ( س) هي ثابت كوني لا يتوقف على نوع الوسط الذي ينتقل خلاله، فهي في الزجاج تساويها في الهواء، تساويها في الفراغ ، إلّا أن الضوء عندما يشق طريقه بين الأوساط المختلفة يمتص ويعاد انبعاثه باستمرار ويمكننا أن نتصور عملية تعاقب انتقال الضوء وتوقفه كلياً عن الانتقال بالتعاقب، مما ينتج عنه متوسط سرعة للضوء اقل من (س) وبالتالي فان سرعة الضوء بالفراغ التام تكون اكبر ما يمكن وتساوى (س)وفى الأوساط المادية الأخرى تكون اقل من (س) ونعتبر سرعة الضوء في الهواء مساوية تقريبا لسرعته في الفراغ وان كانت في الحقيقة اقل منها بقليل، وقد وجد أن النسبة بين
( س )وسرعة الضوء في وسط ما (ع ) هي مقدارا ثابتا يعتمد بشكل أساسي على خصائص الوسط يسمى معامل انكسار الوسط (index of refraction ) . ويرمز له بالرمز ( م ) حيث:
م = س / ع
وكما يظهر بوضوح فان معامل الانكسار لوسط ما يكون دائما اكبر من واحد صحيح وليس له وحدات قياس تميزه .
ويبلغ معامل انكسار الهواء عند كثافته المعيارية ( 1.00029 ) أما معامل انكسار الماء ( 1.33 ) وأما معاملات انكسار الزجاج فتقع بين ( 1.4 –1.
ومما يجدر ذكره هنا أيضا إن سرعة الضوء في المادة تتغيّر بشكل طفيف بتغير الطول الموجي حيث انه كلما زاد معامل الانكسار زاد الانكسار وبالتالي فان الضوء الأزرق ذو الطول الموجي الأقصر في الطيف المرئي سينحرف اكثر من الضوء الأحمر ذي الطول الموجي الأكبر وهو ما يفسر تحليل الضوء الأبيض إلى ألوان قوس قزح عند مرورها من منشور زجاجي .وفيما يلي جدول يبين تغير الطول الموجي لموجة أحادية عند تغير معامل انكسار الماء عند درجة : 20 ْ س


الطول الموجي معامل الانكسار
3968 1.3438
4340 1.3407
4861 1.3375
5893 1.3333
6563 1.3315
جدول يبين تغير الطول الموجي لموجة أحادية عند تغير معامل انكسار الماء عند درجة 20 °س
وفى مطلع القرن السابع عشر استطاع العالم ولبورد سنل ( Snell ) من التوصل إلى أن النسبة بين جيب زاوية سقوط الشعاع الضوئي في الوسط الأول )م1( إلى جيب زاوية انكساره في الوسط الثاني(م 2 )تكون ثابتة لهذين الوسطين ولكنه لم يدرك أن هذا الثابت هو نسبة سرعتيّ الضوء بين الوسطين وقد عبر سنل عن قانونه رياضياً على الصورة :
م1جا هـ1 = م2 جا هـ2
حيث:
م1 : هي معامل انكسار الوسط الأول
م2: هي معامل انكسار الوسط الثاني
هـ1 : زاوية انكسار الضوء في الوسط الأوّل
هـ2: زاوية انكسار الضوء في الوسط الثاني
فكانت هذه العلاقة هي الركيزة الأساسية الّتي اعتمد عليها في الدراسة النظرية والرياضية لمعظم الظواهر المتعلقة بانكسار الأمواج بأنواعها.
_
الألياف الضوئية
من التطبيقات المهمة على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي الألياف الضوئية ، فإذا سقطت أشعة ضوئية على إحدى نهايتي قضيب من مادة شفافة بحيث تكون زاوية سقوطه على جداره الداخلي أكبر من الزاوية الحرجة لمادته ، فإنه سينعكس انعكاسا كليا داخليا ، ويبقى الشعاع داخل القضيب ، ويخرج من طرفه الآخر ، حتى لو كان الأنبوب منحنيا .
ومثل هذا القضيب يطلق عليه أحيانا اسم الأنبوب الضوئي "وهو قضيب من مادة شفافة، معامل انكسارها كبير نسبيا . وإذا دخلت من أحد طرفيه أشعة ضوئية ، تكون زاوية سقوطها على جداره الداخلي أكبر من الزاوية الحرجة لمادته ، فتنعكس انعكاسا كليا داخليا ، ويحدث لها انعكاسات متتالية ، إلى أن تخرج من الطرف الآخر". وتسلك حزمة من الألياف الزجاجية الرفيعة الطريقة ذاتها، وتمتاز بمرونتها وسهولة انثنائها . وقد تتكون الحزمة الواحدة من آلاف الألياف ، ويتراوح قطر الواحدة منها ما بين (002.) و(10.) من المليمتر.وبإمكان هذه الحزمة من الألياف الضوئية أن تنقل أخيلة الأشياء من مكان إلى آخر ، وللألياف الضوئية تطبيقات واسعة في الطب، وبخاصة في عمليات التنظير كتنظير المعدة ، والمثانة . كما وجدت الألياف الضوئية تطبيقات لها في الاتصالات : إذ تستخدم ألان في نقل أشعة ليزر المحملة بالمعلومات , من مكان إلى آخر . أن ما ينقله (كبل) مكون من الألياف الضوئية من المعلومات , يعادل ما ينقله (كبل) ضخم مكون من النحاس.قوس قزح
من الظواهر الطبيعية الأخرى التي يمكن تفسيرها أيضاً بواسطة الانعكاس الكلي الداخلي , ويمكن تعريفه بأنه
"ظاهرة طبيعية تحدث في الأفق المقابل للشمس في الشتاء ، وتحدث بفعل تحلل ضوء الشمس في قطرات الماء ، وحدوث انعكاسات كلية داخلية فيها".
وهو من المناظر المألوفة في فصل الشتاء ، فعندما يسقط الشعاع الضوئي على سطح قطرة الماء ، يتحلل إلى ألوان الطيف المعروفة ، وتنكسر الألوان داخل القطرة بزوايا انكسار مختلفة ، وهذا راجع إلى أن لكل لون من ألوان الطيف معامل انكسار خاص به. وتسقط على السطح المقابل بزوايا سقوط أكبر من الزاوية الحرجة ، فتنعكس انعكاسا كليا داخليا ، وتخرج من السطح الآخر للقطرة مبتعدة عن العمود المقام ، وتدخل إلى عين الناظر الذي يرى الألوان من القطرات المختلفة ، وهي تشكل قوس قزح في الجهة المقابلة للشمس .

السراب
عندما نتكلم عن شيء غير محسوس ووهمي ويمكن أن يتراءى للعين فأننا نطلق عليه اسم "سراب"،وهو يدهشنا اليه ،ثم يختفي دون اثر .ويبدو للمسافر عبر الصحراء الذي أنهكه التعب الراحة التي طال انتظارها ،ولكن عبثا يأمل بالراحة والانتعاش فيها ،فما هو السراب.
السراب على شاكلة بحيرة :
تصور نفسك في صحراء حارة ،وأينما نظرت حولك تجد رمالا ساخنة ،وفجأة ظهرت لك في الأمام وعند خط الأفق بحيرة ،وحتى يمكن أن يتراءى بريق الماء،ولكنك في الحقيقة سوف تسير كيلومترات كثيرة دون أن تقترب من البحيرة ،ولن تجد حولك أخيرا إلا رمالاً لا نهاية لها.
أما سبب ظهور السراب فهناك الكثير من التأويلات القديمة حول ذلك ،فقد اعتبره بعضهم صادرا ًعن أرواح شريرة فنسجوا حولة أساطير مختلفة ،منها أسطورة "الهولندي الطائر" أو "السفينة الخيالية " ولكن السبب العلمي يعود إلى اختلاف كثافة طبقات الهواء القريبة من سطح الأرض مما يؤدي إلى حدوث الانعكاس الكلي الداخلي
_
العدســـــــــــــات
مقدمة :
العدسة هى قطعة من مادة شفافة للضـوء ذات سطحين منحنيين و عادة يكونا كرويين أى أن كل سطح منهما يعتبر جزءا من سطح كرة .
و تستخدم العدسات فى الآلات البصرية مثل النظارة الطبية و الكاميرا والميكروسكوب و التليسكوب وغيرها حيث ينكسر الضوء عند مروره خلال العدسة مكونا صورة للجسم الصادر منه الضوء . و تصنع العدسات بأشكال مختلفة ومن أنواع مختلفة من الزجاج و المواد الشفافة و لكن جميعها يمكن أن تنقسم إلى نوعين عدسات لامة و عدسات مفرقة كما هو موضح بالشكل التالي.







وتتميز العدسة اللامة بأن تكون أكبر سمكا عند المركز بينما تكون العدسة المفرقة أقل سمكا عند المركز عنه عند الحافة.
بعض المصطلحات الخاصة بالعدسات :
مركز تكور وجه العدسة : هو مركز الكرة التى يكون هذا الوجه جزءا منها .
المحور الأصلى للعدسة : هو المستقيم الواصل بين مركزى تكور وجهى العدسة .
المركز البصرى للعدسة : هو تلك النقطة على المحور الأصلى للعدسة التى تمر بها الأشعة دون أن تعانى انحراف و يقع فى منتصف المسافة بين وجهى العدسة إذا كان نصفا قطر تكور وجهيها متساويان.
المحور الثانوى للعدسة : هو أى مستقيم يمر بالمركز البصرى للعدسة خلاف المحور الأصلى لها .
البؤرة الأصلية للعدسة : هى نقطة تجمع الأشعة المتوازية والموازية للمحور الأصلى للعدسة و القريبة منه و ذلك فى حالة العدسة اللامة . أو هى نقطة تلاقى امتدادات هذه الأشعة فى حالة العدسة المفرقة .
البعد البؤرى للعدسة : هو المسافة بين البؤرة الأصلية للعدسة والمركز البصرى لها . و فى حالة العدسات الرقيقة يمكن اعتبار البعد البؤرى للعدسة هو المسافة بين البؤرة الأصلية و أى من وجهى العدسة أو مركزها البصرى .
تـكوين الصـــور بواسطة العدســـات :
إذا وضع جسم أمام عدسة فإن كل نقطة من نقاط هذا الجسم سيصدر منها أشعة ضوئية فى جميع الاتجاهات و يمر جزء من هذه الأشعة خلال العدسة مكونا صورة للجسم الموضوع أمامها . و تختلف العدسات عن المرايا فى أن الضوء يمكن أن يمر خلالها من كلا الوجهين . ولذلك عند تحديد مسار الضوء فى العدسة نبدأ البؤرة الأصلية على كل جانب من جانبى العدسة . و فى حالة العدسة الرقيقة و هى التى يكون سمكها أقل بكثير من بعدها البؤرى ومن بعد الجسم أو بعد الصورة عنها فى هذه الحالة تكون البؤرة على نفس البعد بالنسبة لكل من الوجهين.
و لتحديد موضع و مواصفات الصورة المتكونة عن العدسة هناك ثلاثة من الأشعة القريبة من المحور الأصلى paraxial و التى تخرج من أعلى نقطة على الجسم تكون لها فائدة خاصة فى تحديد موضع الصورة هذه الأشعة هي :
الشعاع الأول (1) : هذا الشعاع يوازى المحور الأصلى للعدسة و قريب منه وعند مروره خلال العدسة ينكسر بحيث يخرج فى اتجاه المحور الأصلى و يقطعه عند البؤرة (ب) أو(F ) فى حالة العدسة اللامة . أما فى حالة العدسة المفرقة فإن هذا الشعاع يخرج منحرفا بعيدا عن المحور الأصلى و يظهر أنه منبعث من بؤرة العدسة فى الناحية التى يوجد بها الجسم أى أن امتداده يقطع المحور الأصلى ناحية الجسم عند البؤرة الأصلية فى هذه الناحية .
الشعاع الثانى (2) : هذا الشعاع يمر خلال البؤرة الأصلية ناحية الجسم قبل أن يسقط على العدسة اللامة فينكسر و يخرج منها موازيا للمحور الأصلى . أما فى حالة العدسة المفرقة فهذا الشعاع يمر امتداده بالبؤرة الأصلية فى الناحية الأخرى من العدسة قبل سقوطه عليها و يخرج من العدسة موازيا للمحور الأصلى .
الشعاع الثالث (3) : هذا الشعاع يمر خلال المركز البصرى فيمر دون انحراف و ذلك بالنسبة لكلا العدستين اللامة و المفرقة بشرط أن تكون العدسة رقيقة .

وعادة قد يكفى استخدام شعاعين فقط من هذه الأشعة الثلاث لتعيين الصورة وتعتمد مواصفات الصورة المتكونة عن العدسة اللامة فى كونها تقديرية أم حقيقية ، مصغرة أم مكبرة ، معتدلة أم مقلوبة على موضع الجسم بالنسبة للعدسة فإذا كان الجسم على بعد من العدسة أكبر من بعدها البؤرى تكونت له صورة حقيقية مقلوبة و تكون الصورة حقيقية فى هذه الحالة لأنها تكونت عن تلاقى الأشعة المتجمعة بعد مرورها خلال العدسة .
وهذه الصورة يمكن استقبالها على حائط و كذلك يمكن رؤيتها بالعين إذا سقطت امتدادات هذه الأشعة على العين. بمعنى أنها ستكون بالنسبة للعين كالجسم الحقيقى الذى تخرج منه الأشعة وتقع على العين لتراه - تكون الصورة مكبرة إذا كان الجسم بين البؤرة وضعف البعد البؤرى
- تكون الصورة مساوية للجسم فى الحجم إذا كان الجسم على مسافة من العدسة تساوى ضعف بعدها البؤرى.
- تكون الصورة مصغرة إذا وضع الجسم على مسافة من العدسة أكبر من ضعف البعد البؤرى كما فى حالة الكاميرا
الاخيلة المتكونة بواسطة العدســة المفرقة :
الأشعة الساقطة من الجسم على العدسة المفرقة تخرج منها متفرقة و كما هو موضح فى شكل(39) فإن الصورة تكون دائما تقديرية معتدلة و تتكون على الناحية من العدسة التى يوجد بها الجسم و تكون الصورة مصغرة مهما كان موضع الجسم بالنسبة للعدسة .


الصورة المتكونة عن مجموعة من العدسات

مقدمة :
هنا بعض التجارب والأجهزة التي يتم فيها استخدام مجموعة من العدســــات .
الميكروسكوب البسيط ( العدسة المكبرة ):
إذا وضعت قطعة عملة مثلا أمام عينيك على مسافة طول ذراعك فإن قطعة العملة ستظهر لك أكبر من القمر. والسبب فى ذلك أن قطعة العملة تكون قريبة من عينك و تكون الصورة المتكونة لها على الشبكية أكبر من صورة القمر البعيد المتكونة على الشبكية. و بناء على ذلك فإن المخ سيترجم الصورة الأكبر المتكونة لقطعة العملة على أنها لجسم أكبر.


و حيث أنه لا يمكن قياس الصورة المتكونة على الشبكية فإن الزاوية التى تصنعها الصورة على الشبكية يمكن أن تقوم مقام حجم الصورة. و لكن هذه الزاوية هى نفسها الزاوية التى يصنعها الجسم مع العين كما هو موضح فى شكل ( 44 ) . و تسمى هذه الزاوية زاوية إبصار الجسم. و بالتالى فإنه كلما زادت زاوية إبصار الجسم زاد حجم صورته المتكونة على الشبكية
و نحن نعرف أن قيمة الزاوية بالتقدير الدائرى = طول القطر ÷ نصف القطر
وفى حالة الزوايا الصغيرة فإن طول الجسم سيساوى تقريبا طول القوس و بعده يساوى نصف القطر .
أى أن زاوية إبصار الجسم = طول الجسم ÷ بعده عن العين
ولذلك فإنه كلما قرب الجسم من العين فإن طوله الظاهرى يكون أكبر. و من ذلك نجد أنه لإظهار جسم دقيق أكبر ما يمكن يجب وضعه أقرب ما يمكن من العين حتى تصبح بذلك زاوية إبصاره كبيرة . ولكن كما سبق الذكر فإن هناك حد أدنى للرؤية الواضحة و هو 25 سم بالنسبة للعين السليمة . و فى هذه الحالة تكون زاوية إبصاره حيث L طول الجسم .
وتعمل الأجهزة البصرية مثل الميكروسكوب البسيط أو المركب أو التلسكوب على رؤية جسم صغيرأو بعيد بأن تكون له صورة على الشبكية أكبر من الصورة المتكونة له بدونها . أى أن الجهاز البصرى يقوم بتكبير زاوية الإبصار .
ويقاس التكبير بخارج قسمة زاوية إبصار الصورة المتكونة عن الجهاز البصرى على زاوية إبصار الجسم عندما يرى بدون الجهاز البصرى . أى أن :
التكبير= زاوية أبصار الصورة النهائية ÷ زاوية أبصار الجسم بدون جهاز

عمل الميكروسكوب البسيط :
الميكروسكوب البسيط عبارة عن عدسة لامة تعمل على زيادة زاوية الإبصار . و فى هذه الحالة تكون زاوية إبصار الجسم هى الزاوية التى يصنعها الجسم عند العين عندما يكون عند النقطة القريبة للعين N( شكل 45 a ) وتوضع العدسة ( الميكروسكوب البسيط) أمام العين و يوضع الجسم أمام العدسة وعلى مسافة أقل من بعدها البؤرى فتتكون له صورة تقديرية مكبرة معتدلة شكل (b). وإذا فرضنا أن العدسة تكون ملاصقة للعين فإن زاوية إبصار الصورة تساوى هى نفسها زاوية إبصار الجسم كما هو موضح فى الشكل و هناك حالتان هما :



الحالة الأولى : إذا كانت الصورة المتكونة من الميكروسكوب تقع عند النقطة القريبة بالنسبة للعين لترى بوضوح . أى أن العين تكون مجهدة . فى هذه الحالة ن التكبير مساويا حيث f هى البعد البؤرى للعدسة المكبرة .
الحالة الثانيــة : إذا كانت الصورة عند النقطة البعيدة بالنسبة إلى العين . أى أن العين تكون مرتخية. فى هذه الحالة يكون التكبير مساويا :
و يتضح أن التكبير يكون أكبر فى الحالة الأولى عندما تتكون الصورة عند النقطة القريبة و فى كلا الحالتين يكون التكبير أكبر كلما صغر البعد البؤرى للعدسة المكبرة.

_

 
 
 





___

[Le didacticien]

شكرا أختي الجيولوجية ماستر على هذا الموضوع الممتاز وهذا العرض المستفيض والرائع  

أخوك / أبو عمر

[أرشميدس مصر]

السلام عليكم


نشكرك أختي الجيولوجية على هذا النقل الطيب

المصـــــــــــــــــــــــــــــــــــــدر ...

QUOTE

وكما نعلم فأن سرعة الضوء ( س) هي ثابت كوني لا يتوقف على نوع الوسط الذي ينتقل خلاله، فهي في الزجاج تساويها في الهواء، تساويها في الفراغ

أشك في صحة هذا الكلام، والذي يؤيد هذا الشك هو أن السطور التالية من الموضوع ناقضته.


الثابت الكوني c هو سرعة الضوء في الفراغ، وهي في الزجاج والهواء أقل كما ذكر لاحقا!



شكرا لكم والسلام عليكم '>