منشور چگونه کار می کند؟ نور، شکست و پراکندگی توضیح داده شد

یک منشور با خم کردن نور هنگام عبور از شیشه کار می کند و از آنجایی که هر رنگ نور با زاویه کمی متفاوت خم می شود، نور سفید به یک طیف کامل مرئی خارج می شود. این فرآیند شامل دو اصل فیزیکی کلیدی است: انکسار و پراکندگی . درک نحوه تعامل این دو نیرو همه چیز را از رنگین کمان در آسمان گرفته تا آزمایش های لیزری در آزمایشگاه فیزیک را توضیح می دهد.

وقتی نور وارد یک منشور می شود چه اتفاقی می افتد

هنگامی که یک پرتو نور از هوا به شیشه می رود، سرعت آن کاهش می یابد. شیشه از نظر نوری چگال تر از هوا است، به این معنی که نور با سرعت کمتری از آن عبور می کند. این تغییر سرعت باعث خم شدن پرتو نور در مرز بین دو ماده می شود. این خمش نامیده می شود انکسار .

میزان خمش توسط قانون اسنلز توضیح داده شده است که بیان می کند نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه شکست برابر است با نسبت سرعت نور در دو محیط. از نظر عملی، نور هنگام ورود به محیط متراکم تر به سمت یک خط عمود بر سطح خم می شود و هنگام خروج از آن خم می شود.

یک منشور با حداقل دو سطح صاف و زاویه دار شکل می گیرد. نور از یک وجه وارد و از صورت دیگر خارج می شود. از آنجایی که این دو سطح موازی نیستند، انکساری که در هنگام ورود اتفاق می‌افتد در هنگام خروج از بین نمی‌رود. در عوض، هر دو شکست ترکیب می‌شوند و نور را بیشتر در یک جهت خم می‌کنند.

چرا نور سفید به رنگ ها تقسیم می شود

نور سفید یک رنگ نیست. این ترکیبی از تمام رنگ های طیف مرئی است که هر کدام دارای طول موج خاص خود هستند. طول موج نور بنفش تقریباً 380 تا 450 نانومتر است، در حالی که نور قرمز در انتهای دیگر آن تقریباً 620 تا 750 نانومتر قرار دارد.

جزئیات مهم این است که شیشه طول موج های مختلف را با مقادیر متفاوت کاهش می دهد. طول موج‌های کوتاه‌تر، مانند بنفش، سرعت داخل شیشه را کاهش می‌دهند و در نتیجه با شدت بیشتری خم می‌شوند. طول موج های بلندتر، مانند رنگ قرمز، کمتر سرعت خود را کاهش می دهند و کمتر خم می شوند. این تغییر در زاویه خمش بر اساس طول موج نامیده می شود پراکندگی .

در یک منشور شیشه ای معمولی، تفاوت ضریب شکست بین نور بنفش و قرمز تقریباً است 0.02 تا 0.05 بسته به نوع شیشه همین تفاوت کوچک کافی است تا هنگام خروج نور از منشور، رنگ ها را در یک رنگین کمان قابل مشاهده پخش کند.

ترتیب رنگ ها در طیف

رنگ‌ها همیشه در یک ترتیب ظاهر می‌شوند، زیرا همیشه با مقادیر ثابت و قابل پیش‌بینی خم می‌شوند. از کمترین خم شدن به خم ترین، ترتیب این است:

• قرمز
• نارنجی
• زرد
• سبز
• آبی
• نیل
• بنفش

این همان دنباله ای است که در رنگین کمان های طبیعی دیده می شود، جایی که قطرات آب به عنوان منشورهای کوچک در جو عمل می کنند.

نقش شکل منشور

شکل مثلثی یک منشور استاندارد تصادفی نیست. زاویه در راس مثلث که زاویه راس یا زاویه منشور نامیده می شود، مستقیماً میزان انحراف کلی نور را کنترل می کند. یک زاویه راس بزرگتر باعث ایجاد جدایی بیشتر بین رنگها می شود.

بیشتر منشورهای نمایشی زاویه راس دارند 60 درجه ، که بدون نیاز به هندسه شدید، پراکندگی قوی و به راحتی قابل مشاهده است. منشور 30 ​​درجه نور را به آرامی منحرف می کند، در حالی که زوایای بالای 70 درجه به دلیل بازتاب های داخلی در سطوح شروع به از دست دادن نور قابل توجهی می کنند.

مواد منشور نیز مهم است. شیشه سنگ چخماق متراکم ضریب شکست بالاتری نسبت به شیشه بوروسیلیکات استاندارد دارد، بنابراین رنگ ها را قوی تر پخش می کند. به همین دلیل است که ابزارهای نوری که به تفکیک رنگ دقیق نیاز دارند به جای شیشه پنجره معمولی از شیشه های فرموله شده مخصوص استفاده می کنند.

ضریب شکست در بین رنگ ها مقایسه شده است

اگرچه تفاوت‌های ضریب شکست روی کاغذ کم به نظر می‌رسند، اما هنگامی که هندسه منشور رنگ‌ها را در سطح خروجی تقویت می‌کند، گسترش واضحی از رنگ‌ها ایجاد می‌کنند.

آیا یک منشور می تواند نور را دوباره به رنگ سفید ترکیب کند؟

بله. اسحاق نیوتن این را در سال 1666 با قرار دادن منشور دوم وارونه در مسیر طیف پراکنده از منشور اول نشان داد. منشور دوم هر رنگ را به هم تراز کرد و آنها را در یک پرتو نور سفید دوباره ترکیب کرد. این آزمایش دو چیز را ثابت کرد: نور سفید شامل همه رنگ‌ها است، و خود منشور رنگی به نور نمی‌افزاید، بلکه فقط آن چیزی را که قبلاً وجود داشته را نشان می‌دهد.

این برگشت پذیری در طراحی نوری مهم است. سیستم هایی که برای تجزیه و تحلیل نیاز به جداسازی طول موج دارند، می توانند بعداً آنها را بدون از دست دادن اطلاعات، با فرض اپتیک ایده آل و بدون انحراف، دوباره ترکیب کنند.

کاربردهای عملی منشورها فراتر از جداسازی رنگ

منشورها فقط برای ایجاد رنگین کمان استفاده نمی شوند. آنها عملکردهای دقیق مختلفی را در ابزارهای نوری و فناوری انجام می دهند.

طیف سنجی

دانشمندان از طیف سنج های مبتنی بر منشور برای تجزیه و تحلیل نور ساطع یا جذب شده توسط مواد استفاده می کنند. هر عنصر مجموعه منحصر به فردی از خطوط طیفی را تولید می کند که مانند اثر انگشت عمل می کند. ستاره شناسان از این روش برای تعیین ترکیب شیمیایی ستارگانی که میلیون ها سال نوری از ما فاصله دارند، بدون جمع آوری نمونه فیزیکی استفاده می کنند.

دوربین دوچشمی و پریسکوپ

از منشورهای سقفی و منشورهای پوررو در داخل دوربین دوچشمی استفاده می شود بازتاب داخلی کل به جای پراکندگی هنگامی که نور با زاویه ای تندتر از زاویه بحرانی به سطح داخلی شیشه برخورد می کند، به طور کامل بدون هیچ افتی منعکس می شود. این به دوربین دوچشمی اجازه می دهد تا مسیر نوری را به شکل فشرده درآورد و در عین حال روشنایی و جهت گیری تصویر را حفظ کند.

مخابرات و فیبر نوری

مالتی پلکسی تقسیم طول موج در شبکه های فیبر نوری از اجزای مبتنی بر پراکندگی استفاده می کند که عملکردی مشابه منشورها دارند. کانال های داده های مختلف بر روی طول موج های مختلف نور منتقل می شوند و سپس با استفاده از توری های پراش یا عناصر منشور مانند جدا یا ترکیب می شوند و به یک فیبر اجازه می دهند تا مقادیر عظیمی از اطلاعات را به طور همزمان حمل کند.

سیستم های دوربین و پروژکتور

دوربین‌های فیلمبرداری سطح بالا از منشورهای تقسیم پرتو برای تقسیم نور ورودی به کانال‌های جداگانه قرمز، سبز و آبی استفاده می‌کنند که هر کدام توسط یک سنسور اختصاصی گرفته می‌شوند. این امر بازتولید رنگ دقیق تری نسبت به سیستم های تک سنسوری که به آرایه های فیلتر رنگی متکی هستند، تولید می کند.

چگونه زاویه وقوع بر خروجی تأثیر می گذارد

زاویه برخورد نور به سطح منشور به طور قابل توجهی بر نتیجه تأثیر می گذارد. در حداقل زاویه انحراف، نور به طور متقارن از منشور عبور می کند و پراکندگی تمیزترین است. در زوایای تابش تندتر، برخی از طول موج ها ممکن است تحت بازتاب داخلی کامل قرار گیرند و اصلاً از منشور خارج نشوند.

برای یک منشور شیشه ای تاج 60 درجه، حداقل زاویه انحراف تقریباً است 37 تا 40 درجه برای نور مرئی مهندسان نوری این را دقیقاً هنگام طراحی ابزار محاسبه می کنند تا اطمینان حاصل شود که طول موج های مورد نظر با حداقل اعوجاج عبور می کنند.

اگر نور با زاویه خیلی کم به سطح برخورد کند، ممکن است به جای اینکه وارد شیشه شود، منعکس می شود، پدیده ای که توسط معادلات فرنل کنترل می شود. پوشش های ضد انعکاس با کیفیت بالا منشورهای نوری این تلفات سطحی را به حداقل می رساند و راندمان انتقال را بهبود می بخشد.

تفاوت بین منشورها و گریتینگ های پراش

هم منشورها و هم توری های پراش می توانند نور را به طول موج های اجزای آن جدا کنند، اما این کار را از طریق مکانیسم های فیزیکی کاملاً متفاوت انجام می دهند. یک منشور از شکست و وابستگی طول موج ضریب شکست استفاده می کند. توری پراش از تداخل امواج نوری استفاده می کند که از سطحی که با هزاران خط موازی ظریف پوشیده شده پراکنده می شوند.

قابل توجه است که ترتیب رنگ بین این دو برعکس است. در یک منشور، بنفش بیشترین خمش را دارد. در توری پراش، قرمز تا بزرگترین زاویه پراش می شود. این تفاوت نتیجه مستقیم فیزیک اساسی در هر مورد است.

چرا برخی از مواد نور را بیشتر از بقیه پراکنده می کنند؟

تمایل یک ماده به پراکندگی نور با عدد Abbe آن اندازه گیری می شود. الف شماره آبه کم به معنای پراکندگی زیاد است، به این معنی که مواد رنگ ها را به شدت از هم جدا می کند. عدد Abbe بالا به معنای پراکندگی کم است. شیشه چخماق متراکم دارای عدد Abbe در حدود 36 است، در حالی که شیشه تاج بوروسیلیکات نزدیک به 64 است.

در لنزهای دوربین، پراکندگی بالا معمولاً نامطلوب است زیرا انحراف رنگی ایجاد می کند، جایی که رنگ های مختلف در فواصل کمی متفاوت تمرکز می کنند و حاشیه یا تاری ایجاد می کنند. طراحان لنز عمدا عناصر ساخته شده از شیشه پراکندگی بالا و پایین را با هم ترکیب می کنند تا خطای رنگی را از بین ببرند، تکنیکی به نام تصحیح آکروماتیک.

با این حال، در یک طیف سنج منشوری، پراکندگی بالا دقیقاً همان چیزی است که شما می خواهید. هرچه پراکندگی قوی تر باشد، طیف گسترده تر است و تشخیص طول موج های نزدیک به هم را آسان تر می کند.

خوراکی های کلیدی

یک منشور نور سفید را به یک طیف تقسیم می کند، زیرا شیشه طول موج های مختلف را با مقادیر متفاوت کاهش می دهد و باعث می شود هر رنگ در یک زاویه منحصر به فرد شکست بخورد. هندسه مثلثی منشور تضمین می کند که هر دو شکست ورودی و خروجی نور را در یک جهت خم می کنند و جداسازی را تقویت می کنند. نتیجه یک رنگین کمان قابل مشاهده است که از قرمز در انتهای کم عمق به بنفش در انتهای شیب دار کشیده می شود.

1. انکسار باعث خم شدن نور هنگام حرکت بین مواد با چگالی نوری متفاوت می شود.
2. پراکندگی باعث می شود طول موج های مختلف در یک ماده با مقادیر متفاوت خم شوند.
3. شکل منشور انکسار را در دو سطح ترکیب می کند و جدایی قابل مشاهده از رنگ ها را ایجاد می کند.
4. این فرآیند کاملاً برگشت پذیر است، همانطور که نیوتن با ترکیب مجدد طیف با منشور دوم ثابت کرد.
5. منشورها در طیف‌سنجی، سیستم‌های تصویربرداری، دوربین‌های دوچشمی و مخابرات، نه فقط در نمایش‌های کلاس درس استفاده می‌شوند.