ينحني شعاع الضوء عند الحد الفاصل بين وسطين: في الزجاج يتباطأ وينحرف، مثل متزلج ينتقل من ثلج ناعم إلى قشرة كثيفة.
في الواقع: صناعة عدسات النظارات وعدسات الكاميرات والمجاهر والتلسكوبات؛ كوابل الألياف البصرية للإنترنت؛ تفسير قوس قزح والسراب.
دون الهولندي فيلبرورد سنيل جداول للزوايا عام 1621 ووجد قانوناً يربط بين الجيوب. لاحقاً نشره ديكارت عام 1637. الجوهر: كلما كان الضوء 'أبطأ' في الوسط، زاد انكساره. التشبيه: صف من الجنود يسير قطرياً من الإسفلت إلى الرمل، حيث يتباطأ الصف الأول الذي يلمس الرمل، فيدور الصف بأكمله.
كيف يعمل
ملعقة في كأس شاي تبدو مكسورة؛ عدسة النظارة تركز الضوء على الشبكية؛ الألياف البصرية تنقل الإشارة بعكس الشعاع مراراً عن جدرانها.
💡 بفضل الانعكاس الداخلي الكلي - التأثير العكسي - يمكن للضوء أن يجري في جدول ماء منحنٍ، كما لو كان يجري في سلك.
يسير الضوء بسرعات مختلفة في الأوساط الشفافة المختلفة (الهواء، الماء، الزجاج). ولهذا ينحرف عند دخوله وسطاً آخر - ينكسر الشعاع. يرتبط زاويتا السقوط (تُحسبان من العمودي على السطح) والانكسار بوساطة معاملي الانكسار (عددان يبينان مدى تباطؤ الضوء في الوسط). قانون سنيل: n₁·sin(زاوية السقوط) = n₂·sin(زاوية الانكسار).
كيف يعمل
ملعقة في كأس شاي تبدو مكسورة؛ عدسة النظارة تركز الضوء على الشبكية؛ الألياف البصرية تنقل الإشارة بعكس الشعاع مراراً عن جدرانها.
💡 استخدم سنيل مثلثات: لم يقس الزوايا بل قاس القطع، ولاحظ ثبات نسبة أطوالها، فكانت هذه بمثابة نماذج أولية للجيوب.
قانون سنيل: n1 sinθ1 = n2 sinθ2، حيث n1 و n2 معاملا الانكسار المطلقين للوسطين، θ1 زاوية السقوط، θ2 زاوية الانكسار بين الشعاع والعمودي. عند الانتقال إلى وسط أكبر كثافة بصرية (n2 > n1)، يقترب الشعاع من العمودي. يُعد نتيجة لمبدأ فيرما (أقصر زمن).
تاريخ الاكتشاف
قبل عدة قرون، أجرى ابن الهيثم دراسات رائدة حول انكسار الضوء في كتابه «المناظر». ثم اكتشف فيلبرورد سنيل القانون تجريبياً عام 1621 باستخدام إنشاءات هندسية. أول نشر مطبوع قدمه رينيه ديكارت عام 1637 في أطروحته «ديوبتريك». لاحقاً، اشتق بيير فيرما القانون من مبدأ أقصر زمن، مؤسساً قواعد البصريات الهندسية.
كيف يعمل
يُطبق لحساب مسارات الأشعة في العدسات والمواشير وموجهات الضوء. ينطبق القانون على الأوساط الخطية المتناحية والإشعاع أحادي اللون. يُنتهك في البلورات المتباينة الخواص (الانكسار المزدوج)، وفي التأثيرات البصرية غير الخطية، وعند الحدود ذات الانعراج الكبير.
ملاحظات
لا يصف الانكسار المزدوج في البلورات (سبار آيسلندا); عند الشدد العالية جداً يحدث انكسار غير خطي يعتمد على شدة المجال; تتطلب التأثيرات الحدية على المقاييس النانوية اعتبار الطبيعة الموجية للضوء
n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2
n₁ و n₂ — معاملا الانكسار للوسطين الأول والثاني (بلا أبعاد)، θ₁ — زاوية السقوط (راديان أو درجة)، θ₂ — زاوية الانكسار (راديان أو درجة). معامل الانكسار يساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ c إلى سرعته الطورية في الوسط v: n = c/v.