Естеството на светлината е било голямо противоречие в науките през 1600-те години, а призмите са били в центъра на бурята. Някои учени вярвали, че светлината е феномен на вълната, а други - че е частица. Английският физик и математик сър Исак Нютон беше в бившия лагер - може би негов лидер - докато холандският философ Кристиан Хюйгенс оглавяваше опозицията.
В крайна сметка противоречието доведе до компромиса, че светлината е едновременно вълна и частица. Това разбиране беше невъзможно до въвеждането на квантовата теория през 1900 г. и в продължение на почти 300 години учените продължиха да извършват експерименти, за да потвърдят своята гледна точка. Една от най-важните свързани призми.
Фактът, че призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър, може да се обясни както с вълновата, така и с корпускулярната теория. Сега, когато учените знаят, че светлината всъщност се състои от частици с вълнови характеристики, наречени фотони, те имат по-добра представа за това какво причинява дисперсията на светлината и се оказва, че има повече общо със свойствата на вълната, отколкото с корпускуларното нечий.
Пречупването и дифракцията се случват, защото светлината е вълна
Theпречупване на светлинатае причината, поради която призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър. Пречупването се получава, защото светлината се движи по-бавно в плътна среда, като стъкло, отколкото във въздуха. Формирането на спектър, от който дъгата е видимият компонент, е възможно, защото бялата светлина е такава всъщност съставен от фотони с цял диапазон от дължини на вълните и всяка дължина на вълната се пречупва при различна ъгъл.
Дифракцията е явление, което се случва, когато светлината преминава през много тесен процеп. Отделните фотони се държат като водни вълни, преминаващи през тесен отвор в морска стена. Тъй като вълните преминават през отвора, те се огъват около ъглите и се разпространяват и ако позволите вълни, за да ударят екрана, те ще създадат модел на светли и тъмни линии, наречен дифракция модел. Разделянето на линията е функция на ъгъла на дифракция, дължината на вълната на падащата светлина и ширината на процепа.
Дифракцията очевидно е вълново явление, но можете да обясните пречупването в резултат на разпространението на частици, както направи Нютон. За да получите точна представа за това, което всъщност се случва, трябва да разберете какво всъщност е светлината и как тя взаимодейства със средата, през която пътува.
Мислете за светлината като за импулси на електромагнитната енергия
Ако светлината беше истинска вълна, тя щеше да се нуждае от среда, през която да пътува, а Вселената щеше да се напълни с призрачно вещество, наречено етер, както вярваше Аристотел. Експериментът на Майкълсън-Морли доказа, че не съществува такъв етерен етер. Оказва се, че всъщност не е необходимо да се обяснява разпространението на светлината, въпреки че понякога светлината се държи като вълна.
Светлината е електромагнитно явление. Променящото се електрическо поле създава магнитно поле и обратно, а честотата на промените създава импулсите, които образуват лъч светлина. Светлината се движи с постоянна скорост, когато пътува през вакуум, но когато пътува през среда импулсите взаимодействат с атомите в средата и скоростта на вълната намалява.
Колкото по-плътна е средата, толкова по-бавно се движи лъчът. Съотношението на скоростите на инцидента (vАз) и пречупен (стR) светлината е константа (n), наречена индекс на пречупване за интерфейса:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Защо една призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър
Когато лъч светлина удари интерфейса между две среди, той променя посоката и размерът на промяната зависи от n. Ако ъгълът на падане еθАз, а ъгълът на пречупване еθR, съотношението на ъглите се дава отЗаконът на Снел:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Има още една част от пъзела, която трябва да разгледате. Скоростта на вълната е произведение на нейната честота и дължината на вълната и честотатаена светлината не се променя, когато преминава през интерфейса. Това означава, че дължината на вълната трябва да се промени, за да се запази съотношението, обозначено сн. Светлината с по-къса дължина на вълната пада се пречупва под по-голям ъгъл от светлината с по-голяма дължина на вълната.
Бялата светлина е комбинация от светлина на фотони с всички възможни дължини на вълните. Във видимия спектър червената светлина има най-дългата дължина на вълната, последвана от оранжева, жълта, зелена, синя, индиго и виолетова (ROYGBIV). Това са цветовете на дъгата, но ще ги видите само от триъгълна призма.
Какво е особеното в триъгълната призма?
Когато светлината премине от по-малко плътна към по-плътна среда, както прави, когато попадне в призма, тя се разделя на своите дължини на вълните на компонентите. Те се рекомбинират, когато светлината излезе от призмата и ако двете призматични лица са успоредни, наблюдател вижда бялата светлина да изплува. Всъщност при по-внимателно разглеждане се виждат тънка червена линия и тънка виолетова. Те са доказателство за малко по-различни ъгли на дисперсия, причинени от забавянето на светлинния лъч в призматичния материал.
Когато призмата е триъгълна, ъглите на падане, когато лъчът влиза и излиза от призмата, са различни, така че ъглите на пречупване също са различни. Когато държите призмата под правилния ъгъл, можете да видите спектъра, образуван от отделните дължини на вълните.
Разликата между ъгъла на падащия лъч и този на излизащия лъч се нарича ъгъл на отклонение. Този ъгъл е по същество нулев за всички дължини на вълните, когато призмата е правоъгълна. Когато лицата не са успоредни, всяка дължина на вълната се появява със свой характерен ъгъл на отклонение и лентите на наблюдаваната дъга се увеличават в ширина с увеличаване на разстоянието от призмата.
Водните капчици могат да действат като призми, за да образуват дъга
Несъмнено сте виждали дъга и може би се чудите защо можете да ги видите само когато слънцето е зад вас и сте под определен ъгъл спрямо облаците или дъждовен душ. Светлината се пречупва във водна капчица, но ако това беше цялата история, водата щеше да е между вас и слънцето и това не се случва обикновено.
За разлика от призмите, капчиците вода са кръгли. Инцидентната слънчева светлина се пречупва на интерфейса въздух / вода и някои от тях пътуват и излизат от другата страна, но това не е светлината, която произвежда дъги. Част от светлината се отразява във водната капчица и излиза от същата страна на капката. Това е светлината, която произвежда дъгата.
Светлината от слънцето има траектория надолу. Светлината може да излезе от всяка част на дъждовната капка, но най-голямата концентрация има ъгъл на отклонение около 40 градуса. Събирането на капчици, от които светлината излиза под този конкретен ъгъл, образува кръгова дъга в небето. Ако сте успели да видите дъгата от самолет, ще можете да видите пълен кръг, но от земята половината кръг е отрязан и виждате само типичната полукръгла дъга.