شکست موج
عکس‌ها چگونه روی صفحه حساس دوربین عکاسی شکل می‌گیرند؟ میکروسکوپ با چه ساز و کاری تصویری بزرگتر نمایش می‌دهد؟ عینک‌ها چگونه ضعف بینایی را اصلاح می‌کنند؟ امواج رادیویی چگونه به رادیو و تلویزیون و گوشی‌های ما می‌رسد؟ چرا آسمان آبی است؟ رنگین کمان چگونه تشکیل می‌شود؟ این مقاله با معرفی پدیده شکست موج، علت این پدیده‌های چشم‌نواز و حیرت‌انگیز را به زبانی ساده برایتان بیان خواهد کرد.
شکست موج چیست؟
آیا تا به حال، حرکت یک ماشین اسباب‌بازی کنترلی را در خانه مشاهده کرده‌اید؟ هنگامی که این ماشین از سطح سرامیک به سمت فرش هدایت می‌شود، مسیر آن به طور مستقیم ادامه نمی‌یابد، بلکه اندکی منحرف می‌شود. چرا؟
ماشین اسباب‌بازی وقتی روی سرامیک حرکت می‌کند، چرخ‌هایش اصطکاک کمتری با سطح دارند و با تندی بیشتری حرکت می‌کند. با ورود ماشین روی فرش، اصطکاک چرخ با سطح فرش افزایش می‌یابد در نتیجه تندی ماشین تغییر می‌کند.
این تغییر در اندازه سرعت، عامل انحراف مسیر حرکت ماشین می‌شود. موج‌های مکانیکی چون صدا و موج روی آب، و موج‌های الکترومغناطیسی چون نور و امواج رادیویی، هنگام گذر مایل از محیطی به محیط دیگر، تندیشان تغییر می‌کند و همین امر سبب می‌شود تا مسیرشان خم شود. این فرآیند را شکست موج می‌نامند.
شکست امواج مکانیکی
امواج مکانیکی به ماده‌ای نیاز دارند تا در آن منتشر شوند. اگر این امواج به هر دلیلی محیط یا ویژگی‌های محیط انتشارشان تغییر کند، تندیشان نیز تغییر خواهد کرد و مسیر حرکت‌شان خم برمی‌دارد. بیایید چند نمونه از شکست امواج مکانیکی را با بررسی کنیم.
شکست امواج مکانیکی در یک بعد
تصور کنید تپی در طنابی حرکت می‌کند که از دو بخش نازک و ضخیم تشکیل شده است. وقتی تپ از بخش نازک به مرز بخش ضخیم می‌رسد، بخشی از آن بازتاب می‌کند و بخشی دیگر عبور می‌کند.
تپی که وارد بخش ضخیم می‌شود، به دلیل جرم بیشتر طناب در آن قسمت، تندی کمتری پیدا می‌کند. تغییر تندی و طول موج نشان می‌دهد که تپ در ورود به قسمت ضخیم دچار پدیده شکست شده است.
شکست امواج مکانیکی در دو و سه بعد
شکست امواج آب
در حالت‌های دو یا سه‌بعدی، وقتی موج مکانیکی از یک محیط به محیط دیگر می‌رود، تندی‌اش تغییر می‌کند و ممکن است جهتش نیز عوض شود. اگر به امواج دریا هنگام نزدیک شدن به ساحل دقت کرده باشید، متوجه می‌شوید که با کاهش عمق آب، تندی امواج کم می‌شود و مسیرشان به سمت ساحل خم می‌شود. این اتفاق به این دلیل است که تندی امواج سطحی به عمق آب که از ویژگی‌های محیط است، بستگی دارد.
شکست صدا
وقتی بخش‌هایی از موج صوتی با تندی‌های متفاوت حرکت کند، مسیرش خم می‌شود. این پدیده در بادهای نامنظم یا هوایی با دماهای متغیر رخ می‌دهد. در یک روز گرم، هوای نزدیک زمین گرم‌تر از لایه‌های بالایی است و سرعت صوت در آن افزایش می‌یابد.
در نتیجه، امواج صوتی به سمت بالا خم می‌شوند و از زمین دور می‌شوند. به همین دلیل، صدای تندر از آذرخش‌های دور معمولاً شنیده نمی‌شود. اما در شب‌های سرد، وقتی هوای نزدیک زمین سردتر است، سرعت صوت کاهش می‌یابد و امواج به سمت زمین خم می‌شوند، طوری که صدا از فاصله‌های دور هم به گوش می‌رسد.
شکست صدا در زیر آب نیز به دلیل تغییر دما رخ می‌دهد. این پدیده برای کشتی‌هایی که با امواج فراصوتی کف اقیانوس را نقشه‌برداری می‌کنند مشکل ایجاد می‌کند، اما شکست موهبتی برای زیردریایی‌هایی است که می‌خواهند از رادارها بگریزند. زیرا شکست صوت، به علت لایه‌های آب با دماهای مختلف، نقطه‌های کوری را در آب بوجود می‌آورد. زیردریایی‌ها در این نقطه‌ها پنهان می‌شوند. اگر شکست نبود شناسایی زیردریایی‌ها خیلی راحت‌تر می‌شد.
شکست امواج الکترومغناطیسی
امواج الکترومغناطیسی (و از جمله نور مرئی) نیز با گذر از یک محیط به محیطی دیگر که در آن تندی آنها متفاوت می‌شود، شکست پیدا می‌کنند. به جز گستره نور مرئی که بیشترین و معروف‌ترین موارد شکست برای آنها مطرح می‌شود و به پیامدها و کاربردهای جالبی می‌انجامد، شکست امواج رادیویی نیز اهمیتی کاربردی در ارتباطات رادیویی دارد.
شکست امواج رادیویی
امواج رادیویی برای انتقال اطلاعات صوتی و تصویری، مثل برنامه‌های رادیو و تلویزیون، به کار می‌روند. این امواج از فرستنده‌ها منتشر می‌شوند و به گیرنده‌ها می‌رسند. اما چگونه مسافت‌های طولانی را طی می‌کنند و از موانع عبور می‌کنند؟
در جو زمین، لایه‌های هوا از نظر دما، فشار و چگالی متفاوت‌اند. نزدیک زمین، هوا گرم‌تر و چگال‌تر است، اما در ارتفاعات سردتر و رقیق‌تر می‌شود. وقتی امواج رادیویی از این لایه‌ها می‌گذرند، تندیشان تغییر می‌کند و مسیرشان خم می‌شود.
این خمیدگی به امواج اجازه می‌دهد انحنای زمین را دنبال کنند و به مناطقی برسند که در خط دید مستقیم فرستنده نیستند. مثلاً امواج AM با برخورد به لایه یونوسفر (بخشی از جو با ذرات باردار) خم می‌شوند و به زمین بازمی‌گردند، طوری که می‌توان برنامه‌های رادیویی را از شهرهای دور شنید.
امواج FM و مایکروویو نیز در لایه‌های پایین‌تر جو شکسته می‌شوند و پوشش وسیع‌تری پیدا می‌کنند. بدون شکست، ارسال سیگنال به نقاط دوردست نیاز به فرستنده‌های بیشتری داشت.
شکست امواج در گستره نور مرئی
نور مرئی بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است که چشم انسان قادر به دیدن آن است. این گستره شامل طول موج‌هایی از حدود ۴۰۰ نانومتر (بنفش) تا ۷۰۰ نانومتر (قرمز) است و رنگ‌هایی مانند آبی، سبز، زرد و نارنجی را در بر می‌گیرد.
نور مرئی به دلیل ویژگی‌های خاص خود، بیش از سایر امواج الکترومغناطیسی در زندگی روزمره ما دیده می‌شود و پدیده شکست در آن به نتایج و کاربردهای شگفت‌انگیزی منجر می‌گردد.
شاید دیده باشید که قاشق در لیوان چای کج به نظر می‌رسد یا پاهایتان در آب کوتاه‌تر از واقعیت دیده می‌شوند. این‌ها نتیجه شکست نورند. نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر، به دلیل تغییر تندی، خم می‌شود. این خمیدگی در لیوان چای، قاشق را کج نشان می‌دهد و در آب، پاها را بالاتر از عمق واقعی‌شان به نظر می‌آورد.
برای درک بهتر این اتفاق، چگونگی شکست پرتوهای نور در این سوال را ببینید:
شکست نور منجر به شکل‌گیری پدیده‌های چشم‌نوازی در طبیعت می‌شود، که در ادامه به دو مورد آز آنها اشاره می‌کنیم.
سراب
یکی از پیامدهای اعجاب‌انگیز شکستن موج نور پدیده سراب است. سراب یک خطای دید است که در آن به نظر می‌رسد آب یا تصویری از آسمان روی زمین دیده می‌شود، در حالی که در واقعیت وجود ندارد. این پدیده معمولاً در بیابان‌های گرم یا جاده‌های داغ در روزهای آفتابی رخ می‌دهد و نتیجه رفتار خاص نور در شرایط ویژه جوی است.
در روزهای داغ تابستان اگر دقت کرده باشید می‌توانید تصویر ماشین‌ها را از فاصله دور در آسفالت خیابان مشاهده کنید. آن زمان شاید فکر کردید آن قسمت از خیابان آب ریخته شده، در حالی که این طور نیست.
سراب به دلیل پدیده شکست امواج نور به وجود می‌آید. نور وقتی از یک محیط به محیط دیگر با چگالی متفاوت می‌رود، مسیرش خم می‌شود. در روزهای گرم، لایه‌های هوا نزدیک زمین داغ‌تر از لایه‌های بالاتر هستند، چون زمین حرارت را به هوا منتقل می‌کند.
هوای داغ سبک‌تر و رقیق‌تر است، در حالی که هوای سردتر در بالا متراکم‌تر است. سرعت نور در هوای رقیق (داغ) بیشتر از هوای متراکم (سرد) است. وقتی نور از آسمان (مثلاً نور آبی آسمان) از لایه‌های سرد به لایه‌های داغ نزدیک زمین می‌رسد، به سمت بالا خم می‌شود.
این خم شدن باعث می‌شود نوری که باید مستقیم به زمین برود، به چشم ما برسد، انگار از سطح زمین بازتاب شده است. وقتی این نور خم‌شده را می‌بینیم، مغز ما فکر می‌کند که از سطحی مثل آب بازتاب شده، چون در طبیعت، بازتاب آسمان معمولاً روی آب دیده می‌شود. به همین دلیل، در بیابان یا جاده، سراب مثل یک دریاچه کوچک به نظر می‌رسد، در حالی که فقط نور آسمان است که مسیرش تغییر کرده است.
پاشندگی نور
یکی از شناخته‌شده‌ترین پیامدهای شکست موج نور مرئی، تجزیه نور سفید به رنگ‌های مختلف است. نور سفید خورشید، که ترکیبی از همه رنگ‌هاست، هنگام عبور از یک منشور یا قطرات آب در هوا شکسته می‌شود و به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه می‌شود.
سرعت نور برای هر رنگ (یا طول موج) متفاوت است. در یک محیط مانند منشور، نور بنفش (با طول موج کوتاه‌تر) کندتر از نور قرمز (با طول موج بلندتر) حرکت می‌کند. این تفاوت سرعت سبب می‌شود هر رنگ با زاویه متفاوتی شکسته شود.
به عبارت دیگر، ضریب شکست محیط برای هر طول موج فرق دارد: بنفش بیشتر خم می‌شود و قرمز کمتر. وقتی نور سفید از منشور عبور می‌کند، این تفاوت در زاویه شکست باعث می‌شود رنگ‌ها از هم جدا شوند و به صورت طیفی رنگارنگ ظاهر شوند. به این پدیده پاشندگی نور می‌گویند، زیرا نور به اجزای رنگی‌اش پاشیده می‌شود.
اگر علاقمندید تا یادگیری خود را از پاشندگی نور محک بزنید به این سوال پاسخ دهید:
جالب است بدانید رنگ آبی آسمان یکی از نتایج پاشندگی نور است. نور خورشید هنگام ورود به جو با مولکول‌های هوا برخورد می‌کند و چون نور آبی طول موج کوتاه‌تری دارد، نسبت به دیگر رنگ‌ها انحراف و در نتیجه پراکندگی بیشتری دارد.
این پراکندگی، که با شکست نور در لایه‌های جوی همراه است، آسمان را آبی نشان می‌دهد. رنگین‌کمان نیز از پاشندگی نور به وجود می‌آید. نور خورشید در قطرات آب شکسته و به رنگ‌ها تجزیه می‌شود، سپس با بازتاب داخل قطره به صورت کمانی رنگارنگ به چشم ما می‌رسد.
استفاده‌های ابزاری از شکست نور
شکست نور مرئی در ابزارها و پدیده‌های بسیاری کاربرد دارد، که برخی از آنها در ادامه معرفی می‌شوند.
عدسی‌ها و عینک‌ها
عدسی‌ها ابزارهایی هستند که با شکست نور، آن را متمرکز یا پراکنده می‌کنند. در عینک‌ها، عدسی‌های محدب (برای دوربینی) نور را جمع می‌کنند؛ تا روی شبکیه چشم متمرکز شود و عدسی‌های مقعر (برای نزدیک‌بینی) نور را پخش می‌کنند؛ تا تصویر به درستی دیده شود. این کار با تغییر زاویه نور هنگام عبور از شیشه عدسی انجام می‌شود و به میلیون‌ها نفر کمک می‌کند تا بهتر ببینند.
دوربین‌ها و تلسکوپ‌ها
در دوربین‌های عکاسی و تلسکوپ‌ها، عدسی‌ها نور را شکسته و روی حسگر یا چشمی متمرکز می‌کنند تا تصاویر دوردست یا کوچک را بزرگ و واضح نشان دهند. تلسکوپ‌ها با استفاده از عدسی‌های بزرگ، نور ستارگان را جمع‌آوری و شکسته می‌کنند تا جزئیات آسمان شب را به ما نشان دهند. بدون شکست موج نور، دیدن کهکشان‌های دوردست ممکن نبود.
میکروسکوپ‌ها
میکروسکوپ‌ها از چند عدسی استفاده می‌کنند تا نور را شکسته و اشیای بسیار ریز، مثل سلول‌ها یا باکتری‌ها، را بزرگ‌نمایی کنند. نور از نمونه عبور می‌کند، در عدسی‌ها شکسته می‌شود و تصویری بزرگتر به چشم ما می‌رسد. این ابزار در زیست‌شناسی و پزشکی نقش کلیدی دارد.
منشورها و طیف‌سنجی
منشور با شکست موج نور سفید، آن را به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش (طیف) تجزیه می‌کند، چون هر رنگ با زاویه متفاوتی شکسته می‌شود. در ابزارهای طیف‌سنجی، از این ویژگی برای تحلیل نور ستارگان یا مواد شیمیایی استفاده می‌شود. مثلاً دانشمندان با بررسی طیف نور یک ستاره، می‌فهمند از چه عناصری تشکیل شده است.
فیبر نوری
فیبرهای نوری، که در اینترنت پرسرعت و ارتباطات استفاده می‌شوند، از شکستن موج نور برای انتقال اطلاعات بهره می‌برند. نور در داخل این رشته‌های باریک شیشه‌ای بارها شکسته و بازتاب می‌شود و بدون از دست رفتن، مسافت‌های طولانی را طی می‌کند. این فناوری پایه ارتباطات مدرن است.
ذره‌بین و ابزارهای ساده
ذره‌بین یک عدسی محدب است که با شکست امواج نور، تصویر را بزرگتر نشان می‌دهد. این ابزار ساده برای خواندن نوشته‌های ریز یا حتی روشن کردن آتش با متمرکز کردن نور خورشید به کار می‌رود.
قانون شکست عمومی
قانون شکست موج عمومی بیان می‌کند که وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر می‌رود، تغییر مسیر آن (شکست) به نسبت سرعت نور در آن دو محیط بستگی دارد. نور در محیط‌های مختلف با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کند.
مثلاً در خلأ سریع‌ترین سرعت را دارد (حدود ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه)، در هوا کمی کندتر، در آب کندتر و در شیشه حتی کندتر است. وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر می‌رود، تغییر سرعت باعث می‌شود مسیرش خم شود. قانون شکست عمومی این رابطه را این‌طور بیان می‌کند:
پرسش زیر می‌تواند به شما در درک قانون شکست عمومی کمک کند:
ضریب شکست
ضریب شکست موج یک عدد است که نشان می‌دهد؛ نور در یک محیط خاص، مثل آب، شیشه یا هوا، نسبت به خلأ چقدر کندتر حرکت می‌کند و چگونه مسیرش تغییر می‌کند.
نور در خلأ با بیشترین سرعت ممکن حرکت می‌کند (حدود ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه)؛ اما وقتی وارد محیطی مثل آب یا شیشه می‌شود، به دلیل برخورد با ذرات آن محیط، سرعتش کم می‌شود. ضریب شکست، که با حرف n نشان داده می‌شود، نسبت سرعت نور در خلأ به سرعت نور در آن محیط است. به زبان ریاضی:
هرچه این عدد بزرگتر باشد، نور کندتر حرکت می‌کند و بیشتر خم می‌شود. وقتی نور از یک محیط با ضریب شکست کمتر (مثل هوا) به محیطی با ضریب شکست بیشتر (مثل آب) می‌رود، به خط عمود نزدیک‌تر می‌شود، چون سرعتش کم می‌شود. این خم شدن همان شکست است. هرچه تفاوت ضریب شکست دو محیط بیشتر باشد، نور بیشتر خم می‌شود.
تصور کنید نور مثل دونده‌ای است که در یک مسیر صاف (خلأ) با سرعت زیادی می‌دود. حالا اگر وارد یک زمین شنی (مثل آب) شود، به دلیل مقاومت شن، تندی‌اش کاهش می‌یابد و کندتر حرکت می‌کند.
در محیط‌های متراکم‌تر (مثل شیشه)، این مقاومت بیشتر است، چون ذرات بیشتری در مسیر نور هستند و جلوی سرعت آن را می‌گیرند. برای مقایسه ضریب شکست در محیط‌های مختلف و چگونگی شکست نور حل و توضیح سوال زیر کمک‌تان می‌کند:
قانون شکست اسنل
قانون شکست اسنل یک رابطه ریاضی است که رفتار نور را هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر با ضریب شکست‌های متفاوت توصیف می‌کند. این قانون، که به نام ویلمبرورد اسنل، فیزیک‌دان هلندی در قرن هفدهم، نام‌گذاری شده، پایه درک پدیده شکست نور و کاربردهای آن در ابزارها و طبیعت است. Snell’s Law
برای درک بهتر تفاوت رفتار موج در دو محیط مختلف و تغییر مشخصه‌های موج حل سوالات زیر می‌تواند کمک‌تان کند:
ویدئوی دیگر را هم ببینید:
پدیده شکست موج، قانونی ساده اما شگفت‌انگیز در طبیعت است، که پاسخ بسیاری از پرسش‌های روزمره ما را در خود نهفته دارد. شکست امواج نه‌تنها راز این پدیده‌های چشم‌نواز و کاربردی را توضیح می‌دهد، بلکه نشان می‌دهد؛ چگونه قوانین فیزیک در هرگوشه از زندگی ما حضور دارند.
از آسمان بالای سرمان تا ابزارهایی که هر روز به کار می‌بریم، این پدیده پلی است میان طبیعت و فناوری. شاید دفعه بعد که قاشقی در لیوان چای کج به نظر آمد یا صدای رادیو از دوردست به گوش رسید، لحظه‌ای درنگ کنید و به این فکر کنید که چگونه شکستن موج، جهان پیرامون ما را شکل داده است.
دیدگاهتان را بنویسید