شکست و بازتاب

در ماهیت هندسی نور ( اپتیک هندسی ) یکی از پدیده های مهمی که در تمام سیستم های نوری اتفاق می افتد، باز تاب است:

آیا تا به حال باز تاب یا انعکاس نور از سطح آب استخر را دیده اید؟
آیا انعکاس نور به توسط شیشه ساعت را مشاهده نموده اید؟
آیا پدیده سراب بیابان را دیده و شنیده اید؟

 

هزاران پدیده طبیعی هست که حضور باز تاب را در آن می توان دید. که در سیستم های نوری ایجاد کننده تصویرحضور دارد. برای مثال فرد عینکی حتما بازتاب های نور های اضافی را از شیشه عینک خود دیده که میزان و کیفیت دید او را محدود می کند.در واقع به خاطر اینکه همه دستگاه های نوری شامل دو نوع سطح اپتیکی هستند، باز تاب ها را نیز به این دو نوع محدود می کنیم.

 

انعکاسنور در سطح آینه تخت را به عنوان مثال مورد بررسی قرار می دهیم.وقتی نوری تحت زاویه ای معین به یک آینه تخت می تابد اگر خط عمود بر آینه را مشخص نماییم بر طبق قانون بازتاب نور (قانون ترا گسیل نور) تحت همان زاویه از سطح انعکاس می یابد.اگر (i)زاویه بین پرتو تابش و خط عمود باشدو زاویه بین پرتو انعکاس و خط عمود بر سطح آینه(یا شیشه) (r) باشد این دو زاویه برابر خواهندبود.یعنی:(i=r)

 

دستگاه های نوری که دارای اجزای نوری گوناگونی مانند آینه، عدسی و منشور است می توان با بکار بردن قوانین باز تاب و شکست نور هندسی مسیر پرتو ها را به راحتی و بدقت بر حسب پرتوهای نور مشخص نمود که این روش رد یابی و تعقیب مسیر پرتو معین در دستگاه رد یابی پرتو نام دارد.

سطح کروی ما می تواند یک سطوح آینه های کروی یا سطح شکست کروی ( دیو پتر کروی ) که دو محط نوری را از هم جدا می کند،باشد. مثلااگر جسم نورانی آینه مقعر را در بینهایت در نظر بگیریم. پرتو هایی که از آن موازی محور اصلی آینه به آینه می تابد در حین بازتاب، تمام پرتو های باز تابی از کانون می گذرند.

 

در تیغه های متوازی السطوح یک پرتو از جسم بر تیغه می تابد. یک مرحله باز تاب در سطح اول صورت می گیرد و باز تاب دوم مربوط به پرتوی است که در داخل تیغه در جهت مسیر پرتو شکست یافته از سطح اولیه طی مسیر کرده و از سطح دوم تیغه باز می تابد و دوباره به سطح اول که بر می گردد ازآن خارج می شود.

 

البته بازتاب سطح دوم که به سطح اول بر می گردد مقداری از این پرتو دوباره به داخل تیغه بازتاب مجدد می کند و مقداری با شکست از داخل تیغه خارج میشود و با پیگیری امتداد پرتوهای خروجی از تیغه پدیده تداخل و فریزهای روشن و تاریک شکل می گیرد و تیغه به عنوان موجبر نوری برای پرتوی داخلی است که در طول تیغه هدایت می یابد .

 

در تلسکوپ های بزرگ دنیا از جمله تلسکوپ هابل و .... جهت کانونی کنندگی نورهای خورشید و ستارگان و سیارات مورد استفاده قرار می گیرد . در اکثر سیستم های مخابراتی جهت کانونی کنندگی امواج تلویزیونی و امواج رادیویی در سیستم های گیرنده بکار رفته است در سیستم برخی مسافت یاب های نوری کاربرد دارند و در شیشه های رفلکس یا نیم نقره اندود از این فرایند استفاده شده است و .....

 

اگر از کنار استخر پر از آب، به کف استخر نگاه کنید و در همان حال به تدریج از کنار استخر دور شوید، احساس می‌کنید که کف استخر بالا می‌آید و عمق آب کم می‌شود. همچنین اگر به قاشق درون لیوان چای بنگرید، قاشق را بالاتر از کف لیوان می‌بینید و احساس می‌کنید که در مرز بین هوا و چای قاشق شکسته شده است.

پدیده‌هایی از این قبیل به سبب پدیده شکست نور است.

 

فرض کنید دو محیط مختلف داریم. مثلاً محیط (1) هوا و محیط (2) آب می‌باشد. وقتی نور از محیط (1) به سطح مرزی دو محیط برخورد می‌کند. قسمتی از نور در محیط (1) بازتابیده می‌شود و قسمتی از آن وارد محیط دوم می‌شود.

شکست و بازتاب

اگر به لیوان چای که در آن قاشق قرار دارد، نگاه کنید، تصویری از خود می‌بینید (البته نه به وضوح تصویری که از خود در آینه تخت می‌بینید). این تصویر ناشی از بخش نوری است که سطح مرزی چای و هوا بازتاب شده است و به چشم شما می‌رسد. همچنین قاشق را بالاتر و خم شده می‌بینید. این پدیده اخیر مربوط به بخشی از نور است که وارد محیط چای شده است.

 

حال مقدار انرژی، نور بازتاب شده و عبور کرده را بررسی می‌کنیم. معلوم است که تصویر یک شخص در آینه، روشنتر از تصویر او در سطح آب دریاچه است. این ناشی از واقعیتی است که متذکر شدیم که تمام انرژی تابشی بر سطح جدایی بین دو محیط بازتابیده نمی‌شود؛ بخشی از نور از سطح جدایی به داخل محیط دوم نفوذ می‌کند و از آن می‌گذرد. درصدی از انرژی نوری، نوری که بازتابیده می‌شود یا عبور می‌کند به خواص نوری محیطهای در تماس و زاویه تابش بستگی دارد. مثلاً اگر نور تابشی بر تیغه شیشه‌ای بر سطح آن عمود باشد (زاویه تابش صفر) فقط حدود 5% انرژی نوری، بازتابیده می‌شود، درحالیکه 95% از سطح جدایی می‌گذرد. با بزرگ ‌شدن زاویه تابش، بخشی از انرژی که بازتابیده شده است، افزایش می‌یابد. جدول (1) درصد انرژی نور عبوری و نور بازتاب شده درحالتی‌که منبع نور در محیط هوا قرار دارد و تحت زاویه‌های مختلف بر سطح جدایی هوا - شیشه می‌تابد نشان می‌دهد.

همانطور که می‌بینید درحالتی‌که زاویه تابش بین صفر تا 80 درجه است بیشتر نور تابیده شده وارد محیط شیشه یا برای جدول (2)، آب می‌شود.

 

جسمهایی که (مثل آب و شیشه) درصد قابل توجهی از نور تابیده شده از محیط بیرون خود را، از خود عبور می‌دهند، جسم شفاف نامیده می‌شوند.