الانكسار

في الفيزياء ، يُعرف الانكسار بأنه تغيير اتجاه الموجة عند انتقالها من وسط إلى آخر. وقد ينتج هذا التغيير عن تغير سرعة الموجة أو عن تغير الوسط نفسه. ^{[ 1 ]} يُعد انكسار الضوء الظاهرة الأكثر شيوعًا، ولكن موجات أخرى، مثل الموجات الصوتية وموجات الماء، تخضع أيضًا للانكسار. ويتحدد مقدار انكسار الموجة بتغير سرعة الموجة واتجاه انتشارها الابتدائي بالنسبة إلى اتجاه تغير السرعة.

تستخدم الموشورات والعدسات البصرية الانكسار لإعادة توجيه الضوء، كما تفعل العين البشرية . يتغير معامل انكسار المواد بتغير طول موجة الضوء، ^{[ 2 ]} وبالتالي تتغير زاوية الانكسار تبعًا لذلك. يُسمى هذا التشتت ، وهو ما يسمح لبعض الموشورات ^{[ 3 ]} وقطرات المطر في قوس قزح ^{[ 4 ]} بتقسيم الضوء الأبيض إلى ألوانه الطيفية المكونة له .

بالنسبة للضوء، يخضع الانكسار لقانون سنيل ، الذي ينص على أنه بالنسبة لزوج معين من الأوساط، فإن نسبة جيوب زاوية السقوط${\displaystyle {\theta _{1}}}$وزاوية الانكسار${\displaystyle {\theta _{2}}}$يساوي نسبة سرعات الطور${\textstyle {\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$في الوسطين، أو ما يعادل ذلك، معامل الانكسار${\textstyle {\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$من بين الوسيلتين الإعلاميتين: ^{[ 5 ]}

$${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$$

يتضمن الانكسار جزأين مرتبطين، وكلاهما ناتج عن الطبيعة الموجية للضوء: انخفاض السرعة في الوسط البصري وتغير الزاوية عندما تعبر جبهة الموجة بين أوساط مختلفة بزاوية.

1. يتباطأ الضوء عند انتقاله عبر وسط غير الفراغ (مثل الهواء أو الزجاج أو الماء). لا يعود هذا إلى التشتت أو الامتصاص، بل إلى أن الضوء نفسه ، بوصفه تذبذبًا كهرومغناطيسيًا ، يُسبب تذبذب جسيمات أخرى مشحونة كهربائيًا ، كالإلكترونات . تُصدر الإلكترونات المتذبذبة موجاتها الكهرومغناطيسية الخاصة التي تتفاعل مع الضوء الأصلي، فتصبح سرعة الموجة الناتجة أقل. وعندما يعود الضوء إلى الفراغ، حيث لا توجد إلكترونات قريبة، ينتهي هذا التباطؤ وتعود سرعته إلى سرعة الضوء ( c) .
2. عندما يدخل الضوء وسطًا أبطأ بزاوية، يتباطأ أحد جانبي جبهة الموجة قبل الآخر. هذا التباطؤ غير المتماثل للضوء يُغيّر زاوية مساره. وبمجرد دخوله الوسط الجديد ذي الخصائص الثابتة، يسير الضوء في خط مستقيم مرة أخرى.

تشتت الضوء

يُعدّ الانكسار مسؤولاً أيضاً عن ظهور قوس قزح، وعن انقسام الضوء الأبيض إلى طيف قوس قزح عند مروره عبر منشور زجاجي . يتميز كل من الزجاج والماء بمعامل انكسار أعلى من الهواء. عندما يمر شعاع من الضوء الأبيض من الهواء إلى مادة يتغير معامل انكسارها بتغير التردد (والطول الموجي)، تحدث ظاهرة تُعرف بالتشتت ، حيث تنكسر مكونات الضوء الأبيض ذات الألوان المختلفة بزوايا مختلفة، أي أنها تنحني بمقادير متفاوتة عند السطح الفاصل، مما يؤدي إلى انفصالها. تتوافق الألوان المختلفة مع ترددات وأطوال موجية مختلفة.

يحدث الانكسار عندما يمر الضوء عبر سطح الماء، حيث يبلغ معامل انكسار الماء 1.33، بينما يبلغ معامل انكسار الهواء حوالي 1. عند النظر إلى جسم مستقيم، كقلم رصاص في الشكل المرفق، موضوع بشكل مائل جزئيًا في الماء، يبدو الجسم وكأنه ينحني عند سطح الماء. ويعود ذلك إلى انحناء أشعة الضوء أثناء انتقالها من الماء إلى الهواء. وعندما تصل الأشعة إلى العين، تتتبعها العين كخطوط مستقيمة (خطوط الرؤية). تتقاطع خطوط الرؤية (الموضحة بخطوط متقطعة) عند نقطة أعلى من نقطة انطلاق الأشعة. وهذا ما يجعل القلم يبدو أعلى، والماء يبدو أقل عمقًا مما هو عليه في الواقع.

يُعرف العمق الذي يبدو عليه الماء عند النظر إليه من الأعلى بالعمق الظاهري . يُعدّ هذا عاملاً مهماً في صيد الأسماك بالرمح من السطح، لأنه يجعل السمكة المستهدفة تبدو في مكان مختلف، مما يُجبر الصياد على التصويب إلى عمق أكبر لاصطيادها. في المقابل، يبدو الجسم الموجود فوق الماء أعلى عند النظر إليه من تحته. ويجب على سمكة الرامي إجراء تصحيح معاكس . ^{[ 9 ]}

بالنسبة لزوايا السقوط الصغيرة (المقاسة من العمودي، عندما يكون جيب الزاوية مساويًا تقريبًا لظل الزاوية )، فإن نسبة العمق الظاهري إلى العمق الحقيقي هي نسبة معامل انكسار الهواء إلى معامل انكسار الماء. ولكن، مع اقتراب زاوية السقوط من 90 درجة، يقترب العمق الظاهري من الصفر، على الرغم من ازدياد الانعكاس، مما يحد من الرؤية عند زوايا السقوط الكبيرة. في المقابل، يقترب الارتفاع الظاهري من اللانهاية مع ازدياد زاوية السقوط (من الأسفل)، بل وحتى قبل ذلك، مع اقتراب زاوية الانعكاس الكلي الداخلي ، على الرغم من أن الصورة تتلاشى أيضًا من مجال الرؤية مع اقتراب هذه الزاوية.

يعتمد معامل انكسار الهواء على كثافته ، وبالتالي يتغير بتغير درجة حرارته وضغطه . ولأن الضغط يكون أقل في المرتفعات العالية، يكون معامل الانكسار أقل أيضًا، مما يؤدي إلى انكسار أشعة الضوء نحو سطح الأرض عند انتقالها لمسافات طويلة عبر الغلاف الجوي. وهذا يُغير المواقع الظاهرية للنجوم قليلاً عندما تكون قريبة من الأفق، ويجعل الشمس مرئية قبل أن ترتفع هندسيًا فوق الأفق عند شروقها.

يمكن أن تتسبب التغيرات في درجة حرارة الهواء في انكسار الضوء. ويظهر ذلك على شكل ضباب حراري عند اختلاط الهواء الساخن والبارد، كما هو الحال فوق النار، أو في عادم المحرك، أو عند فتح نافذة في يوم بارد. هذا يجعل الأجسام المرئية عبر الهواء المختلط تبدو وكأنها تتلألأ أو تتحرك بشكل عشوائي مع حركة الهواء الساخن والبارد. كما يظهر هذا التأثير أيضًا من التغيرات الطبيعية في درجة حرارة الهواء خلال يوم مشمس عند استخدام عدسات تقريب عالية التكبير ، وغالبًا ما يحد من جودة الصورة في هذه الحالات. ^{[ 10 ]} وبالمثل، تُحدث الاضطرابات الجوية تشوهات متغيرة بسرعة في صور التلسكوبات الفلكية ، مما يحد من دقة التلسكوبات الأرضية التي لا تستخدم البصريات التكيفية أو غيرها من التقنيات للتغلب على هذه التشوهات الجوية .

يمكن أن تؤدي اختلافات درجة حرارة الهواء بالقرب من سطح الأرض إلى ظهور ظواهر بصرية أخرى، مثل السراب وظاهرة فاتا مورغانا . في أغلب الأحيان، يتسبب الهواء الساخن الناتج عن طريق ساخن في يوم مشمس في انحراف الضوء القادم بزاوية منخفضة نحو الناظر. وهذا يجعل الطريق يبدو عاكساً، مما يوحي بوجود ماء يغطيه.

في الطب ، وخاصةً في طب العيون وتقويم البصر ، يُعدّ فحص الانكسار ( المعروف أيضًا باسم قياس الانكسار ) اختبارًا سريريًا يستخدم فيه أخصائي العيون جهاز قياس الانكسار لتحديد خطأ الانكسار في العين وأفضل العدسات التصحيحية المناسبة . ويتم عرض سلسلة من العدسات الاختبارية ذات قوى بصرية أو أطوال بؤرية متدرجة لتحديد أيها يوفر رؤية أوضح وأكثر دقة. ^{[ 11 ]} أما جراحة تصحيح الانكسار فهي إجراء طبي لعلاج اضطرابات الرؤية الشائعة.

• الانكسار المزدوج (الانكسار المزدوج)
• البصريات الهندسية
• مبدأ هيغنز-فرينل
• قائمة معاملات الانكسار
• الانكسار السالب
• انعكاس
• التصوير الفوتوغرافي بتقنية شليرين
• الانكسار الزلزالي
• الانكسار الفائق

• الانعكاسات والانكسارات في تتبع الأشعة ، مناقشة بسيطة ولكنها شاملة للرياضيات الكامنة وراء الانكسار والانعكاس.
• محاكاة انكسار الضوء - تتضمن المصدر ، وتشرح الانكسار وقانون سنيل.
• "الانكسار"  . الموسوعة البريطانية . المجلد 23 ( الطبعة الحادية عشرة). 1911. الصفحات 25-29 .