Lينتقل الضوء عبر الفراغ بسرعة $c = 3.00 \times 10^8$ m/s. It can also travel through many materials, such as air, water, and glass. Atoms in the material absorb, reemit, and scatter the light, however. Therefore, light travels through the material at a speed that is less than $c$، السرعة الفعلية حسب طبيعة المادة. بشكل عام، سنرى أن التغير في سرعة شعاع الضوء أثناء انتقاله من مادة إلى أخرى يؤدي إلى انحراف الشعاع عن اتجاه سقوطه.

ويسمى هذا التغيير في الاتجاه الانكسار. لوصف مدى اختلاف سرعة الضوء في وسط مادي عنها في الفراغ، نستخدم معاملًا يسمى معامل الانكسار (أو معامل الانكسار). يعد مؤشر الانكسار معلمة مهمة لأنه يظهر في قانون سنيل للانكسار، وهذا القانون هو أساس جميع الظواهر التي تمت مناقشتها في هذه المقالة.

عندما يضرب الضوء السطح البيني بين مادتين شفافتين، مثل الهواء والماء، ينقسم الضوء عمومًا إلى قسمين. ينعكس جزء من الضوء، وتكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط. ويتم نقل الباقي عبر الواجهة. إذا لم يضرب الشعاع الساقط السطح البيني عند حدوثه الطبيعي، يكون للشعاع المرسل اتجاه مختلف عن الشعاع الساقط. عندما يدخل الشعاع إلى المادة الثانية ويغير اتجاهه، يقال إنه ينكسر.

إجمالي الانعكاس الداخلي

عندما ينتقل الضوء من وسط ذي معامل انكسار أكبر إلى وسط ذي معامل انكسار أصغر، على سبيل المثال، من الماء إلى الهواء، ينحرف الشعاع المنكسر بعيدًا عن العمود العمودي. وكلما زادت زاوية السقوط، زادت زاوية الانكسار أيضًا. عندما تصل زاوية السقوط إلى قيمة معينة تسمى الزاوية الحرجة $\theta_c$، زاوية الانكسار هي 90 درجة. ثم نقاط الشعاع المنكسر على طول السطح. عندما تتجاوز زاوية السقوط الزاوية الحرجة، لا يوجد ضوء منكسر. ينعكس كل الضوء الساقط مرة أخرى إلى الوسط الذي جاء منه، وهي ظاهرة تسمى الانعكاس الداخلي الكلي. يحدث الانعكاس الداخلي الكلي فقط عندما ينتقل الضوء من وسط ذو مؤشر أعلى إلى وسط ذو مؤشر أقل. ولا يحدث ذلك عندما ينتشر الضوء في الاتجاه المعاكس، على سبيل المثال، من الهواء إلى الماء.

العمق الظاهر

إحدى النتائج المثيرة للاهتمام للانكسار هي أن الجسم الواقع تحت الماء يبدو أقرب إلى السطح مما هو عليه في الواقع.

إزاحة الضوء بواسطة لوح شفاف من المادة

يعتبر زجاج النافذة مثالاً على لوح شفاف من المواد. يتكون من لوح زجاجي ذو أسطح متوازية. عندما يمر شعاع ضوئي عبر الزجاج، يكون الشعاع الناشئ موازيًا للشعاع الساقط ولكنه مُزاح عنه.

الاستقطاب وانعكاس وانكسار الضوء

بالنسبة لزوايا الحادث غير 0 درجة، يصبح الضوء غير المستقطب مستقطبًا جزئيًا عند انعكاسه من سطح غير معدني، مثل الماء. لإثبات هذه الحقيقة، قم بتدوير زوج من النظارات الشمسية بولارويد في ضوء الشمس المنعكس من البحيرة. ستلاحظ أن شدة الضوء التي تنتقل عبر النظارات تكون في حدها الأدنى عندما تكون النظارات موجهة كما يتم ارتداؤها عادةً. وبما أن محور نقل النظارات محاذٍ عموديًا، فإن الضوء المنعكس من البحيرة مستقطب جزئيًا في الاتجاه الأفقي.

تشتت الضوء: المنشور وقوس قزح

عندما يدخل الضوء إلى المنشور من الوجه الأيسر، ينحني الشعاع المنكسر نحو العمودي، لأن معامل انكسار الزجاج أكبر من معامل انكسار الهواء. عندما يترك الضوء المنشور في الوجه الأيمن، ينكسر بعيدًا عن الوضع الطبيعي. وبالتالي، فإن التأثير الصافي للمنشور هو تغيير اتجاه الشعاع، مما يجعله ينحني للأسفل عند دخوله المنشور، وإلى الأسفل مرة أخرى عند الخروج. نظرًا لأن معامل انكسار الزجاج يعتمد على الطول الموجي، فإن الأشعة المقابلة للألوان المختلفة تنحني بكميات مختلفة بواسطة المنشور وتنطلق في اتجاهات مختلفة. كلما زاد معامل الانكسار للون معين، زاد الانحناء. إذا تم إرسال شعاع من ضوء الشمس، الذي يحتوي على جميع الألوان، من خلال المنشور، يتم فصل ضوء الشمس إلى طيف من الألوان. ويسمى انتشار الضوء في مكوناته اللونية بالتشتت.

العدسات المستخدمة في الأجهزة البصرية، مثل النظارات والكاميرات والتلسكوبات، مصنوعة من مواد شفافة تكسر الضوء. إنهم ينكسرون الضوء بطريقة تتشكل صورة لمصدر الضوء.

تكوين الصور بواسطة عدسة متقاربة

تعتبر ثلاثة أشعة محورية محددة ملائمة بشكل خاص للاستخدام في طريقة تتبع الشعاع، وتنطلق هذه الأشعة الثلاثة من نقطة في الجزء العلوي من الجسم.

تكوين الصور بواسطة عدسة متباعدة

يتم استخدام نفس الأشعة الثلاثة.

بالنسبة لجسم موضوع أمام العدسة، يؤدي قانون سنيل للانكسار إلى تقنية تتبع الشعاع وإلى معادلات مماثلة لمعادلات المرآة والتكبير. وبالتالي، تعمل المرايا بسبب انعكاس الضوء، بينما تعمل العدسات بسبب انكسار الضوء، وهو تمييز بين الجهازين من المهم أن نأخذه في الاعتبار.

تستخدم العديد من الأدوات البصرية، مثل المجاهر والتلسكوبات، عددًا من العدسات معًا لإنتاج الصورة. من بين أمور أخرى، يمكن لنظام العدسات المتعددة إنتاج صورة مكبرة أكثر مما هو ممكن باستخدام عدسة واحدة.

العين البشرية

لا شك أن العين البشرية هي أبرز الأجهزة البصرية.

القوة الانكسارية للعدسة - الديوبتر

يعتمد مدى انكسار أشعة الضوء بواسطة العدسة على طولها البؤري. ومع ذلك، فإن فاحصي البصر الذين يصفون العدسات التصحيحية وأخصائيي البصريات الذين يصنعون العدسات لا يحددون البعد البؤري مباشرة في الوصفات الطبية. وبدلاً من ذلك، استخدموا مفهوم قوة الانكسار لوصف مدى انكسار العدسة للضوء.

التكبير الزاوي والعدسة المكبرة

إذا كنت تحمل فلسًا على مسافة ذراع، فسيبدو الفلس أكبر من القمر. والسبب هو أن العملة المعدنية، كونها قريبة جدًا، تشكل صورة أكبر على شبكية العين من تلك التي يشكلها القمر البعيد. يفسر الدماغ الصورة الأكبر للفلس على أنها ناشئة عن جسم أكبر. يحدد حجم الصورة على شبكية العين حجم الجسم الذي يبدو عليه. ومع ذلك، من الصعب قياس حجم الصورة على شبكية العين. وبدلا من ذلك، الزاوية $\theta$ يمكن استخدام الصورة الموضحة كمؤشر لحجم الصورة. الزاوية $\theta$ يسمى الحجم الزاوي لكل من الصورة والكائن. كلما كان الحجم الزاوي أكبر، كلما كانت الصورة على شبكية العين أكبر، ويبدو الجسم أكبر.

المجهر المركب

لزيادة التكبير الزاوي إلى ما هو أبعد من ذلك الممكن باستخدام عدسة مكبرة، يمكن تضمين عدسة متقاربة إضافية "لتكبير" الكائن قبل تشغيل العدسة المكبرة. والنتيجة هي أداة بصرية تعرف باسم المجهر المركب. (

التلسكوب

التلسكوب هو أداة لتكبير الأجسام البعيدة، مثل النجوم والكواكب. مثل المجهر، يتكون التلسكوب من عدسة عينية وشيئية (وتسمى أيضًا العينية). عندما يكون الهدف عبارة عن عدسة، يُشار إلى التلسكوب على أنه تلسكوب كاسر، نظرًا لأن العدسات تستخدم انكسار الضوء.*

انحرافات العدسة

بدلاً من تكوين صورة حادة، تقوم عدسة واحدة عادةً بتكوين صورة خارج نطاق التركيز قليلاً. ينشأ هذا النقص في الحدة لأن الأشعة الصادرة من نقطة واحدة على الجسم لا تركز على نقطة واحدة في الصورة. ونتيجة لذلك، تصبح كل نقطة في الصورة ضبابية صغيرة. ويسمى عدم وجود مراسلات من نقطة إلى نقطة بين الكائن والصورة انحرافًا.