كيف يعمل المنشور؟ وأوضح الضوء والانكسار والتشتت

يعمل المنشور عن طريق ثني الضوء أثناء مروره عبر الزجاج، ولأن كل لون من الضوء ينحني بزاوية مختلفة قليلاً، فإن الضوء الأبيض يتدفق إلى طيف مرئي كامل. تتضمن هذه العملية مبدأين فيزيائيين رئيسيين: الانكسار و التشتت . إن فهم كيفية تفاعل هاتين القوتين يفسر كل شيء بدءًا من أقواس قزح في السماء وحتى تجارب الليزر في مختبر الفيزياء.

ماذا يحدث عندما يدخل الضوء المنشور

عندما ينتقل شعاع الضوء من الهواء إلى الزجاج، فإنه يتباطأ. الزجاج أكثر كثافة بصريًا من الهواء، مما يعني أن الضوء يتحرك عبره بسرعة أقل. يؤدي هذا التغير في السرعة إلى انحناء شعاع الضوء عند الحدود بين المادتين. ويسمى هذا الانحناء الانكسار .

يتم وصف مقدار الانحناء بواسطة قانون سنيلس، الذي ينص على أن نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار تساوي نسبة سرعات الضوء في الوسطين. من الناحية العملية، ينحني الضوء نحو خط عمودي على السطح عند دخول وسط أكثر كثافة وينحني بعيدًا عنه عند الخروج.

يتكون المنشور من سطحين مسطحين على الأقل. يدخل الضوء من وجه ويخرج من وجه آخر. ولأن السطحين غير متوازيين، فإن الانكسار الذي يحدث عند الدخول لا يلغى عند الخروج. وبدلاً من ذلك، يتضاعف كلا الانكسارين، مما يؤدي إلى انحناء الضوء أكثر في نفس الاتجاه.

لماذا ينقسم الضوء الأبيض إلى ألوان؟

الضوء الأبيض ليس لونًا واحدًا. وهو مزيج من جميع ألوان الطيف المرئي، ولكل منها طول موجي خاص بها. يبلغ الطول الموجي للضوء البنفسجي حوالي 380 إلى 450 نانومتر، بينما يقع الضوء الأحمر في الطرف الآخر عند حوالي 620 إلى 750 نانومتر.

التفاصيل المهمة هي أن الزجاج يبطئ الأطوال الموجية المختلفة بكميات مختلفة. الأطوال الموجية الأقصر، مثل اللون البنفسجي، تتباطأ أكثر داخل الزجاج وبالتالي تنحني بشكل أكثر حدة. الأطوال الموجية الأطول، مثل اللون الأحمر، تتباطأ بشكل أقل وتنحني بشكل أقل. يسمى هذا الاختلاف في زاوية الانحناء بناءً على الطول الموجي التشتت .

في المنشور الزجاجي النموذجي، يكون الفرق في معامل الانكسار بين الضوء البنفسجي والأحمر تقريبًا 0.02 إلى 0.05 ، حسب نوع الزجاج. هذا الاختلاف البسيط يكفي لنشر الألوان في قوس قزح مرئي عندما يخرج الضوء من المنشور.

ترتيب الألوان في الطيف

تظهر الألوان دائمًا بنفس التسلسل لأنها تنحني دائمًا بكميات ثابتة يمكن التنبؤ بها. من الأقل انحناء إلى الأكثر انحناء، الترتيب هو:

• أحمر
• برتقالي
• أصفر
• أخضر
• أزرق
• نيلي
• البنفسجي

وهذا هو نفس التسلسل الذي نشاهده في أقواس قزح الطبيعية، حيث تعمل قطرات الماء كمنشورات صغيرة في الغلاف الجوي.

دور شكل المنشور

الشكل الثلاثي للمنشور القياسي ليس عرضيًا. الزاوية الموجودة في قمة المثلث، والتي تسمى زاوية القمة أو زاوية المنشور، تتحكم بشكل مباشر في مقدار الانحراف الكلي الذي يتعرض له الضوء. تنتج زاوية القمة الأكبر فصلًا أكبر بين الألوان.

معظم المنشورات التوضيحية لها زاوية قمة قدرها 60 درجة ، والذي يوفر تشتتًا قويًا ويمكن رؤيته بسهولة دون الحاجة إلى هندسة متطرفة. المنشور ذو 30 درجة يحرف الضوء بلطف أكثر، في حين أن الزوايا التي تزيد عن 70 درجة تبدأ في التسبب في فقدان كبير للضوء بسبب الانعكاسات الداخلية على الأسطح.

مادة المنشور مهمة أيضًا. يحتوي زجاج الصوان الكثيف على معامل انكسار أعلى من زجاج البورسليكات القياسي، لذلك فهو يشتت الألوان بقوة أكبر. ولهذا السبب تستخدم الأجهزة البصرية التي تتطلب فصلًا دقيقًا للألوان زجاجًا مُصممًا خصيصًا بدلاً من زجاج النوافذ العادي.

معامل الانكسار مقارنة عبر الألوان

على الرغم من أن الاختلافات في معامل الانكسار تبدو صغيرة على الورق، إلا أنها تنتج انتشارًا واضحًا للألوان عندما تضخمها هندسة المنشور عبر وجه المخرج.

هل يمكن للمنشور إعادة تجميع الضوء إلى اللون الأبيض؟

نعم. وقد أثبت إسحاق نيوتن ذلك في عام 1666 من خلال وضع منشور ثانٍ مقلوبًا رأسًا على عقب في مسار الطيف المشتت من الأول. قام المنشور الثاني بثني كل لون مرة أخرى إلى محاذاة، وإعادة تجميعها في شعاع واحد من الضوء الأبيض. أثبتت هذه التجربة شيئين: الضوء الأبيض يحتوي على جميع الألوان، والمنشور نفسه لا يضيف لونًا للضوء ولكنه يكشف فقط ما كان موجودًا بالفعل.

هذا الانعكاس مهم في التصميم البصري. يمكن للأنظمة التي تحتاج إلى فصل الأطوال الموجية للتحليل أن تعيد تجميعها لاحقًا دون أي فقدان للمعلومات، بافتراض وجود بصريات مثالية بدون انحرافات.

الاستخدامات العملية للمنشورات بعد فصل الألوان

لا يتم استخدام المنشورات فقط لإنشاء أقواس قزح. إنها تخدم مجموعة متنوعة من الوظائف الدقيقة في الأجهزة والتكنولوجيا البصرية.

التحليل الطيفي

يستخدم العلماء مقاييس الطيف المعتمدة على المنشور لتحليل الضوء المنبعث أو الممتص بواسطة المواد. وينتج كل عنصر مجموعة فريدة من الخطوط الطيفية، تعمل مثل بصمة الإصبع. ويستخدم علماء الفلك هذه التقنية لتحديد التركيب الكيميائي للنجوم التي تبعد ملايين السنين الضوئية، دون جمع عينة فيزيائية على الإطلاق.

مناظير ومناظير

استخدام منشورات السقف ومنشورات بورو داخل المنظار الانعكاس الداخلي الكلي بدلا من التشتت. عندما يضرب الضوء السطح الداخلي للزجاج بزاوية أكثر انحدارًا من الزاوية الحرجة، فإنه ينعكس تمامًا دون أي خسارة. يتيح ذلك للمنظار طي المسار البصري في شكل مضغوط مع الحفاظ على سطوع الصورة واتجاهها.

الاتصالات والألياف الضوئية

يستخدم تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي في شبكات الألياف الضوئية مكونات قائمة على التشتت تعمل بشكل مشابه للمنشورات. يتم نقل قنوات البيانات المختلفة على أطوال موجية مختلفة من الضوء ثم يتم فصلها أو دمجها باستخدام شبكات الحيود أو عناصر تشبه المنشور، مما يسمح للألياف الواحدة بحمل كميات هائلة من المعلومات في وقت واحد.

أنظمة الكاميرا وجهاز العرض

تستخدم كاميرات الفيديو المتطورة منشورات تقسيم الشعاع لتقسيم الضوء الوارد إلى قنوات منفصلة حمراء وخضراء وزرقاء، يتم التقاط كل منها بواسطة مستشعر مخصص. وينتج عن ذلك إعادة إنتاج ألوان أكثر دقة من أنظمة المستشعر الفردي التي تعتمد على مصفوفات مرشح الألوان.

كيف تؤثر زاوية السقوط على الإخراج

تؤثر الزاوية التي يضرب بها الضوء على سطح المنشور بشكل كبير على النتيجة. عند أدنى زاوية للانحراف، يمر الضوء بشكل متناظر عبر المنشور ويكون التشتت أنظف. في زوايا السقوط الأكثر انحدارًا، قد تخضع بعض الأطوال الموجية لانعكاس داخلي كلي ولا تخرج من المنشور على الإطلاق.

بالنسبة لمنشور زجاجي تاجي بزاوية 60 درجة، فإن الحد الأدنى لزاوية الانحراف هو تقريبًا 37 إلى 40 درجة للضوء المرئي. ويحسب المهندسون البصريون ذلك بدقة عند تصميم الأجهزة لضمان مرور الأطوال الموجية المطلوبة بأقل قدر من التشوه.

إذا ضرب الضوء السطح بزاوية ضحلة جدًا، فقد ينعكس بدلاً من أن يدخل الزجاج على الإطلاق، وهي ظاهرة تحكمها معادلات فريسنل. الطلاءات المضادة للانعكاس على جودة عالية المنشورات البصرية تقليل فقدان السطح وتحسين كفاءة النقل.

الفرق بين المنشور وشبكات الحيود

يمكن لكل من المنشورات وشبكات الحيود فصل الضوء إلى الأطوال الموجية المكونة له، لكنهما يفعلان ذلك من خلال آليات فيزيائية مختلفة تمامًا. يستخدم المنشور الانكسار والاعتماد على الطول الموجي لمؤشر الانكسار. يستخدم محزوز الحيود تداخل موجات الضوء المنتشرة من سطح مغطى بآلاف الخطوط المتوازية الدقيقة.

والجدير بالذكر أن ترتيب الألوان يتم عكسه بين الاثنين. في المنشور، اللون البنفسجي هو الأكثر انحناءً. في محزوز الحيود، ينحرف اللون الأحمر إلى أكبر زاوية. وهذا الاختلاف هو نتيجة مباشرة للفيزياء الأساسية في كل حالة.

لماذا تشتت بعض المواد الضوء أكثر من غيرها؟

يتم قياس ميل المادة إلى تشتيت الضوء من خلال رقم آبي الخاص بها. أ رقم آبي منخفض يعني تشتت عالي أي أن المادة تفصل الألوان بقوة. رقم آبي المرتفع يعني تشتت منخفض. يحتوي زجاج الصوان الكثيف على رقم آبي حوالي 36، بينما يقع زجاج التاج البورسليكات بالقرب من 64.

في عدسات الكاميرا، عادة ما يكون التشتت العالي غير مرغوب فيه لأنه يخلق انحرافًا لونيًا، حيث تركز الألوان المختلفة على مسافات مختلفة قليلاً وتنتج تهديبًا أو تمويهًا. يقوم مصممو العدسات بدمج عناصر مصنوعة من زجاج عالي ومنخفض التشتيت عمدًا لإلغاء الخطأ اللوني، وهي تقنية تسمى التصحيح اللوني.

ومع ذلك، في مطياف المنشور، فإن التشتت العالي هو بالضبط ما تريده. كلما كان التشتت أقوى، زاد انتشار الطيف، مما يجعل من السهل التمييز بين الأطوال الموجية المتقاربة.

الوجبات السريعة الرئيسية

يقوم المنشور بتقسيم الضوء الأبيض إلى طيف لأن الزجاج يبطئ الأطوال الموجية المختلفة بكميات مختلفة، مما يتسبب في انكسار كل لون بزاوية فريدة. تضمن الهندسة المثلثية للمنشور أن كلا من انكسارات الدخول والخروج تؤدي إلى ثني الضوء في نفس الاتجاه، مما يؤدي إلى تضخيم الانفصال. والنتيجة هي قوس قزح مرئي يمتد من اللون الأحمر عند النهاية الضحلة إلى اللون البنفسجي عند النهاية شديدة الانحدار.

1. الانكسار يؤدي إلى انحناء الضوء عند انتقاله بين مواد ذات كثافة بصرية مختلفة.
2. التشتت يتسبب في انحناء أطوال موجية مختلفة بكميات مختلفة داخل نفس المادة.
3. يقوم شكل المنشور بتركيب الانكسار على سطحين، مما ينتج عنه فصل واضح للألوان.
4. وهذه العملية قابلة للعكس تمامًا، كما أثبت نيوتن من خلال إعادة دمج الطيف بمنشور ثانٍ.
5. يتم استخدام المنشور في التحليل الطيفي، وأنظمة التصوير، والمناظير، والاتصالات، وليس فقط في العروض التوضيحية في الفصول الدراسية.