معامل الانكسار.. النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ أو الهواء وسرعة الضوء في هذا الوسط

معامل الانكسار
refractive index or index of refraction

من المعروف أن الضوء يسير فى الفراغ بسرعة تعتبر قيمتها من الثوابت الكونيـة و تسـاوى 3 × 810 متر/ ثانية (أى 300 ألف كيلومتر / ثانية).
والضـوء ينتقل أيضا فى مـواد كثـيرة وهي المواد الشفافة للضوء مثل الهـواء والماء والزجاج.

وذرات هذه المـواد لها القدرة على امتصاص الضـوء وإعادة إبعــاثه وتشتيته ولذلك فإن الضوء ينتقل فى المواد المختلفة بسرعات مختلفة أقل من سرعته فى الفضـاء.

وتعتمد سرعة الضوء على نوع المادة.

ولذلك فإنه عند انتقال الضوء من وسط إلى آخر فإن التغير من سرعته يسبب تغيرا فى اتجــاهه وتسمى هذه الظاهرة بالانكسار refraction ويحكمها قانونا "سنل" للانكسـار Snell's law of refraction.

ولوصف مدى التغير فى سرعة الضـوء عند انتقاله من الفراغ إلى وسط معين يستخدم كمية فيزيائيـة تسمى معامل الانكسار ويعرف كالتالي:
يعرف معامل الانكسار n للمـادة على أنه النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في المـادة أي أن:
light speed in vacuum c
n = ــــــــــــــــــــ = refractive index
its speed in material v

معامل انكسار بعض المواد عند 20 درجة مئوية:

معامل الانكسار	المادة
2.419	ماس
1.523	زجاج (كرون)
1.309	جليد
1.544	كلوريد صوديوم
1.458	كوارتز مصهور

معامل الانكسار النسبي بين وسطين:

هو النسبة بين سرعة الضوء في الوسط الأول وسرعة الضوء في الوسط الثاني.

معامل الانكسار المطلق لوسط:

هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ أو الهواء وسرعة الضوء في هذا الوسط.

ملاحظات هامة:

1- من القانون الأول يتضح أن بزيادة زاوية السقوط تزداد زاوية الانكسار ولكن ليس بصورة متناسبة.

2- للشعاعين الساقط والمنكسر خاصية انعكاسية.

3- عند عبور شعاع الضوء من وسط كثافته البصرية أقل - السرعة فيه أعلى - إلى وسط كثافته البصرية أعلى - السرعة فيه أقل - فانه ينكسر مقتربا من العمود.

4- عند عبور شعاع الضوء من وسط السرعة فيه أقل إلى وسط السرعة فيه أعلى - من ماء إلى هواء - فان الشعاع ينكسر مبتعدا عن العمود ومقتربا من السطح الفاصل.
وفي هذه الحالة يكون معامل الانكسار النسبي بين الماء والهواء أصغر من الواحد وهذا الذي يفسر النقص الظاهري لعمق خزان الماء عندما ينظر الإنسان إلى الماء.

5- إذا سقطت الأشعة الضوئية على السطح الفاصل بين وسطين شفافين بصورة عمودية فإنها تنفذ الى الوسط الثاني دون أن تنكسر 

6- عند سقوط حزمة ضوء رفيعة من الهواء الى الماء نلاحظ أنه في نقطة السقوط ينعكس جزء من الضوء وينفذ الجزء الآخر في الماء منكسرا.
وبالتالي تكون هناك زاوية سقوط وزاوية انعكاس وزاوية انكسار.

ونسأل هنا سؤالا: كم من الطاقة التي ينقلها الإشعاع الى السطح الفاصل بين الوسطين تؤخذ من قبل الاشعة المنعكسة؟
وكم من الطاقة تؤخذ من قبل الاشعة المنكسرة؟

للإجابة على هذا السؤال نفرض أن الاشعاع يحمل الى نقطة السقوط خلال فترة زمنية معينة طاقة ولتكن E بعد ذلك تنقسم هذه الطاقة فيكون نصيب الاشعة المنعكسة منها E refl بينما نصيب الأشعة المنكسرة E refr ومن قانون حفظ الطاقة نجد أن الطاقة الساقطة تساوي مجموع الطاقتين التي تحملها الاشعة المنعكسة والتي تحملها الاشعة المنكسرة.

وبما أن كل وسط ما عدا الفراغ يمتص من طاقة الاشعاع إذا لا تصلح هذه المساوة الا عند القياس بالقرب من نقطة السقوط فإذا عبر الشعاع الضوئي لمسافات كبيرة من الوسط ولم يضعف الا بشيء صغير نسمي هذا الوسط وسطا شفافا مثل الزجاج والماء والكحول.

وبالعكس تمتص المعادن بشدة كبيرة الاشعاع الضوئي الذي ينفذ اليها بمعنى أنها ليست شفافة بالنسبة له وتعكس القسم الأعظم من الإشعاعات التي تسقط عليها.

ونلاحظ هنا أن كل وسط بدرجة أو بأخرى يعكس ويمتص الاشعاع الضوئي.
ويعتمد انعكاس وامتصاص الاشعاع الساقط على الجسم على - نوع المادة - حالة السطح - تركيب الاشعاع - زاوية السقوط.

حيث عند زيادة زاوية سقوط الاشعة يزيد نصيب الضوء المنعكس وينقص نصيب الضوء المنكسر.
ونلاحظ أيضا اعتماد الانعكاس والامتصاص على تردد الموجات يكون له طبيعة اختيارية أي أن المادة تعكس أو تمتص بقوة ذبذبات بتردد معين وتضعف ذبذبات بتردد آخر.

وعلى سبيل المثال يمتص الغلاف الجوي للأرض الموجات ذات الطول الموجي القصير من الطيف المرئي بقوة (وهذا من نعمة الله علينا) بينما يمتص الموجات الطويلة أضعف بكثير وهنا أطرح سؤالا لماذا نستخدم الضوء الأحمر للاشارة الى الخطر وأيضا للتنبيه على الرغم من أن العين حساسة أكثر للاشعة الخضراء؟