بشر از دیرباز می‌دانسته که اگر میله‌ای را به صورت مایل در داخل آب قرار دهد، آن میله در نقطه‌ای که وارد آب شده، شکسته به نظر می‌رسد. ریشۀ اصطلاح “شکست نور” و یا refraction نیز از همین جا گرفته شده است. Refraction در لغت به معنای “انکسار” است. مشابه بسیاری از پدیده‌های دیگر، رابطه‌ای نیز برای این پدیده تعریف شده که تحت عنوان قانون شکست نور و یا قانون اسنل شناخته می‌شود.
نام دستاورد: قانون شکست نور
کاشف: ویلبرورد اسنل ون روین
سال کشف و یا انتشار: نیمه اول قرن هفدهم (احتمالاً ۱۶۲۸)
طی هزار سال گذشته، اخترشناسان به این نکته پی برده بودند که اجرام آسمانی در افق، کمی بالاتر از جایگاه واقعی خود در آسمان دیده می‌شوند. دانشمندان در آن زمان شکست نور توسط اتمسفر را عامل بروز پدیدۀ مذکور در نظر گرفته بودند، با این وجود، تا همین چند سدۀ گذشته از جزئیات شکست نور چیز زیادی نمی‌دانستیم. شکست نور در سطحی گسترده‌تر، عامل بروز درخش سبز (Green flash) نیز محسوب می‌باشد. به تغییر رنگ یک یا دو ثانیه‌ای نور خورشید از قرمز به سبز در هنگام طلوع یا غروب، که بر روی لبه‌های آن رخ می‌دهد، درخش سبز گفته می‌شود.
شکست نور در اتمسفر تحت تأثیر چگالی هوا قرار دارد که دائماً در حال تغییر است. برای درک ساده‌تر، بیایید شکست نور را در سطح صفحه‌ای فرض کنیم که بین دو محیط یکنواخت قرار گرفته و آن دو را از یک‌دیگر جدا ساخته است. این دو محیط می‌تواند هوا و آب، و یا هوا و شیشه در نظر گرفته شود. (ما فعلاً از تغییرات موجود در چگالی هوا چشم‌پوشی خواهیم نمود).
در اشکال پایین، خطوط ممتد نشان‌دهندۀ پرتو نور هستند.
اصول پایه
زمانی که پرتو نور از یک محیط شفاف (هوا) وارد محیطی دیگر (شیشه یا آب) می‌شود، جهت حرکت آن دستخوش تغییر می‌گردد؛ برای مثال:
تغییر یا انحراف در جهت حرکت پرتو (که با خط ممتد نشان داده شده) همان مفهومی است که اصطلاح “شکست نور” می‌رساند؛ که به معنی “خمش” یا “شکست” است.
توجه داشته باشید که اشکالی که در این قسمت آورده شده، جهت حرکت نور را به ما نشان نمی‌دهد (از محیط اول به دوم و یا بالعکس)، که البته ضرورتی هم ندارد. دلیل آن هم این است که نور همواره در یک مسیر حرکت می‌کند و فرق ندارد این مسیر از خلال چه محیط‌هایی عبور کند. ما اغلب این ویژگی را برگشت پذیری نور (Reversibility of Light) می‌خوانیم.
برگشت پذیری نور چیست؟
نور عبارت است از مجموعۀ گسترده‌ای از طول‌های موج که در طیفی گستره‌ای موسوم به طیف نور طبقه‌بندی می‌شوند. نور مرئی در مرکز این طیف قرار می‌گیرد. رنگ‌های تشکیل‌دهنده نور مرئی عبارتند از: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش. هر کدام از این نورهای رنگی، طول موج و فرکانس مخصوص خود را دارند. هنگامی که صحبت از برگشت پذیری نور می‌کنیم، منظورمان توانایی بازتابیده شدن نور از سطح اجسام می‌باشد. گاهی اوقات، نور دقیقاً عکس مسیری را طی می‌کند که از طریق آن به سطح جسم مورد نظر تابیده بوده است. این پدیده را خیلی راحت می‌توان از طریق گرفتن مستقیم یک چراغ قوه به طرف آینه مشاهده نمود.
از مقایسۀ دو شکل بالا در می‌یابیم که پرتو نور هنگام ورود از هوا به درون شیشه – نسبت به آب – بیشتر دچار شکستگی می‌شود. اگر نوعی مقیاس عددی از شکست نور در مرز بین دو محیط شفاف در دست داشته باشیم، قادر خواهیم بود (برای مثال) توانایی آب و شیشه را در انکسار نور بهتر ارزیابی کنیم.
در این‌جا باید به یک نکتۀ مهم توجه کرد: میزان انحراف نور از مسیر خود پس از ورود به محیط دوم، به زاویه بین پرتو نور و مرز بین دو محیط شفاف بستگی دارد. برای مثال، اگر نور به طور عمود وارد محیط اول شده و روی مرز جداکننده دو محیط بتابد، به همان حالت عمود وارد محیط دوم خواهد شد و هیچ‌گونه شکستی برای نور نخواهیم داشت. هم‌چنان که پرتو از حالت عمود فاصله گرفته و مایل‌تر به سطح برخورد می‌کند، انحراف از مسیر (شکست نور) نیز برای پرتو در حین ورود به محیط دوم، افزایش می‌یابد. بنابراین، ما به نوعی توصیف کمی نیاز داریم که بتواند بین دو عامل مؤثر “زاویه” و “ماهیت محیط” در پدیده شکست نور، افتراق قائل شود.
قانون شکست نور یا قانون اسنل
قانون شکست نور آن‌طور که ما امروزه می‌شناسیم، در اوایل قرن هفدهم توسط ریاضی‌دان و متخصص زمین‌سنجی، ویلبرورد اسنل ون روین (Willebrord Snel van Royen)، کشف و تدوین گردید. علت نامگذاری این قانون به Snell’s law (به جای Snel’s law) ریشه در زبان لاتین دارد، چرا که معادل Snel در لاتین، Snellius می‌باشد. برای مطالعه بیشتر درباره شخص اسنل به وب‌سایت Galileo Project مراجعه کنید.
جدال بر سر اولین!
بر اساس قانون نام بخشی استیگلر (Stigler’s Law of Eponymy)، این حقیقت که قانون شکست نور عنوان خود را از نام اسنل گرفته، بدین معنی است که اسنل برای اولین بار آن را کشف نکرده است! به نظر می‌رسد توماس هریوت (Thomas Harriot) برای اولین بار این قانون را کشف کرده بود. با استناد به نتایج مشاهدات وی که در سال‌های ۱۵۹۷ و ۱۵۹۸ نگاشته شده، هریوت در سال ۱۶۰۲ از این رابطه آگاهی داشته، ولی پیش از آن که بتواند آن را منتشر کند حیات را بدرود گفته است.
کشف دوباره قانون شکست نور توسط اسنل و در سال ۱۶۲۱ صورت گرفت. با این حال، اسنل نیز به سرنوشت هریوت دچار گردید و نتوانست تا پیش از مرگ خود (۱۶۲۶) یافته‌های خود را منتشر کند. به طور قطع، دکارت اولین فردی بود که توانست قانون اسنل را در سال ۱۶۳۷ منتشر نماید. وی در کتاب مشهور خود، گفتار در روش (Discourse on the Method)، قانون اسنل را توضیح داده است.
به همین دلیل است که قانون اسنل در فرانسه تحت عنوان “قانون دکارت” شناخته می‌شود. فرانسوا آراگو (Francois Arago)، فیزیک‌دان شهیر فرانسوی، توجه فراوانی به ارق ملی داشته و تأکید می‌کرد که دکارت کاشف این قانون است. وی پس از شرح کارهای بطلمیوس روی خطاهای ناشی از شکست نور اتمسفریک در مشاهدات اخترشناسی، در بخشی از نوشته‌های خود چنین آورده است:
ما رابطه ریاضی این انحرافات [نور] را، که ابن هیثم، ویتلو (Vitello)، کپلر و سایر فیزیک‌دانان نیز مطالعات ناموفقی روی آن داشته‌اند، مرهون کارهای دکارت هستیم. می‌گویم دکارت و باز هم می‌گویم فقط دکارت؛ چرا که اگر بخواهیم ادعا و طرفداری تاریخ مصرف گذشته هویگنس از هم‌وطن خود، اسنل، را بپذیریم؛ باید کتابت تاریخ علم را برای همیشه به کناری بیفکنیم.
مشخص نیست آیا دکارت قانون را مستقلاً کشف کرده یا از کارهای دانشمندان دیگر نیز بهره برده است. با این حال، هریوت و اسنل قطعاً پیش از دکارت از قانون شکست نور آگاهی داشته‌اند.
اسنل دریافت که یک نسبت ثابت بین طول دو مورد از خطوطی که در شکست نور حاصل می‌شود، برقرار است. فرض کنید پرتو SR به سطح آب موجود در یک مخزن تابانیده می‌شود. همان‌طور که در شکل پایین مشاهده می‌کنید، این پرتو در نقطۀ R دچار شکست می‌گردد. اگر پرتو را از نقطۀ R تا A (واقع بر دیوار جانبی مخزن) ادامه دهیم، خواهیم دید که صرف‌نظر از زاویه تابش نور به سطح، نسبت ثابتی بین خط RC و خط مورد انتظار RA برقرار خواهد بود. RA از آن جهت مورد انتظار است که در حالت عادی و بدون آگاهی از این قانون، انتظار داریم نور در خط مستقیم سیر کرده و بدون انحراف از خلال آب (یا هر محیط شفاف دیگر که با محیط مبدأ متفاوت است) عبور نماید.
مفهوم ضریب شکست نور
نسبت RC به RA، ضریب شکست نور و یا اندیس شکست نور (index of refraction) نامیده و با نماد n نشان داده می‌شود. ضریب شکست نور از ویژگی‌های محیط عبور دهنده نور محسوب می‌شود. این نسبت برای آب و هوا ۴سوم و برای آب و شیشه ۳دوم می‌باشد. (رند بودن این دو نسبت برای آب و شیشه کاملاً تصادفی است).
بهتر است به جای استفاده از نسبت، مقدار صحیحی از ضریب نسبت را برای هر کدام از مواد در نظر بگیریم و دیگر احتیاجی به محیط دوم نداشته باشیم (که در مثال‌های قبل هوا این محیط دوم است که بخشی از نسبت را تشکیل می‌دهد). اگر ضریب شکست خلأ را یک در نظر بگیریم، ضریب شکست برای هوا در شرایط عادی ۱/۰۰۰۳ خواهد بود. این عدد اغلب همان یک در نظر گرفته می‌شود. از همین رو، ضریب صحیح شکست برای هر ماده برابر با ضریب نسبی شکست برای همان ماده خواهد بود.
نگاه تحلیلی
نگرش اسنل به پدیده شکست نور کاملاً هندسی است. اگر با مثلثات آشنایی داشته باشید، می‌توانید تشخیص دهید که نسبت بین خط افقی RH و خط عمودی RA، همان سینوس زاویه RAH است. زاویه RAH نیز با استناد به قضیه تالس با زاویه i یا زاویه تابش (incidence) برابر است. به همین ترتیب، نسبت RH به RC برابر با سینوس زاویه RCH یا زاویه شکست (refraction) محسوب می‌شود. بنابراین قانون اسنل که به صورت RC/RA خلاصه می‌شود معادل (sin i)/(sin r) است.
همان‌طور که یاد گرفتیم، قانون اسنل همان ضریب نسبی شکست و یا n می‌باشد. بنابراین می‌توان این گونه نوشت:
sin i = n sin r
دستاوردهای عظیم (۲): قوانین کپلر
دستاوردهای عظیم (۳): قوانین سقوط آزاد
دستاوردهای عظیم (۴): فشارسنج جیوه‌ای
