Povaha světla byla ve vědách kontroverzní v 1600. letech a hranoly byly uprostřed bouře. Někteří vědci věřili, že světlo je vlnový jev a někteří si mysleli, že jde o částice. Anglický fyzik a matematik Sir Isaac Newton byl v bývalém táboře - pravděpodobně jeho vůdce -, zatímco nizozemský filozof Christiaan Huygens stál v čele opozice.
Polemika nakonec vyústila v kompromis, že světlo je jak vlna, tak částice. Toto porozumění nebylo možné až do zavedení kvantové teorie ve 20. letech 20. století a téměř 300 let vědci pokračovali v experimentech, aby potvrdili svůj názor. Jeden z nejdůležitějších hranolů.
Fakt, že hranol rozptyluje bílé světlo tvořící spektrum, lze vysvětlit vlnovou i korpuskulární teorií. Nyní, když vědci vědí, že světlo se ve skutečnosti skládá z částic s vlnovými charakteristikami zvanými fotony, mají lepší představu o tom, co způsobuje rozptyl světla, a ukázalo se, že to má více společného s vlastnostmi vln než korpuskulární ty.
K lomu a difrakci dochází, protože světlo je vlna
Thelom světlaje důvod, proč hranol rozptyluje bílé světlo tvořící spektrum. K lomu dochází, protože světlo cestuje v hustém prostředí, jako je sklo, pomaleji než ve vzduchu. Vytvoření spektra, jehož viditelnou složkou je duha, je možné, protože je to bílé světlo ve skutečnosti se skládá z fotonů s celou řadou vlnových délek a každá vlnová délka se láme na jiné úhel.
Difrakce je jev, ke kterému dochází, když světlo prochází velmi úzkou štěrbinou. Jednotlivé fotony se chovají jako vodní vlny procházející úzkým otvorem v hrázi. Jak vlny procházejí otvorem, ohýbají se kolem rohů a rozprostírají se, a pokud to dovolíte vlny narazí na obrazovku, vytvoří vzor světlých a tmavých čar nazývaných difrakce vzor. Oddělení čar je funkcí difrakčního úhlu, vlnové délky dopadajícího světla a šířky štěrbiny.
Difrakce je zjevně vlnový jev, ale můžete vysvětlit lom v důsledku šíření částic, jak to udělal Newton. Abyste získali přesnou představu o tom, co se ve skutečnosti děje, musíte pochopit, co to světlo ve skutečnosti je a jak interaguje s médiem, kterým prochází.
Představte si světlo jako pulsy elektromagnetické energie
Pokud by světlo bylo skutečnou vlnou, potřebovalo by médium, kterým by mohlo cestovat, a vesmír by musel být naplněn strašidelnou látkou zvanou éter, jak věřil Aristoteles. Michelson-Morleyův experiment však prokázal, že žádný takový ether ether neexistuje. Ukazuje se, že ve skutečnosti není nutné vysvětlovat šíření světla, i když se světlo někdy chová jako vlna.
Světlo je elektromagnetický jev. Měnící se elektrické pole vytváří magnetické pole a naopak a frekvence změn vytváří pulzy, které tvoří paprsek světla. Světlo se pohybuje konstantní rychlostí při cestování vakuem, ale při cestování médiem pulzy interagují s atomy v médiu a rychlost vlny klesá.
Čím je médium hustší, tím pomaleji se paprsek pohybuje. Poměr rychlostí incidentu (vJá) a lomeno (vR) světlo je konstanta (n), která se nazývá index lomu rozhraní:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Proč hranol rozptyluje bílé světlo tvořící spektrum
Když paprsek světla zasáhne rozhraní mezi dvěma médii, změní směr a rozsah změny závisí na n. Pokud je úhel dopaduθJáa úhel lomu jeθR, poměr úhlů je dán vztahemSnellov zákon:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Je třeba zvážit ještě jeden kousek skládačky. Rychlost vlny je součinem její frekvence a její vlnové délky a frekvenceFsvětla prochází rozhraním. To znamená, že vlnová délka se musí změnit, aby se zachoval poměr označenýn. Světlo s kratší dopadající vlnovou délkou se láme pod větším úhlem než světlo s delší vlnovou délkou.
Bílé světlo je kombinace světla fotonů se všemi možnými vlnovými délkami. Ve viditelném spektru má nejdelší vlnovou délku červené světlo, následované oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou a fialovou (ROYGBIV). Jedná se o barvy duhy, ale uvidíte je pouze z trojúhelníkového hranolu.
Co je zvláštního na trojúhelníkovém hranolu?
Když světlo prochází z méně hustého do hustšího média, jako když vstupuje do hranolu, rozděluje se na jednotlivé vlnové délky. Tyto se znovu skládají, když světlo opouští hranol, a pokud jsou dvě hranolové plochy rovnoběžné, pozorovatel vidí, jak se vynoří bílé světlo. Ve skutečnosti jsou při bližším pohledu viditelné tenké červené čáry a tenké fialové čáry. Jsou důkazem mírně odlišných úhlů rozptylu způsobených zpomalením světelného paprsku v hranolovém materiálu.
Když je hranol trojúhelníkový, úhly dopadu při vstupu a odchodu paprsku z hranolu se liší, takže úhly lomu se také liší. Když držíte hranol ve správném úhlu, můžete vidět spektrum tvořené jednotlivými vlnovými délkami.
Rozdíl mezi úhlem dopadajícího paprsku a úhlem vznikajícího paprsku se nazývá úhel odchylky. Tento úhel je v podstatě nulový pro všechny vlnové délky, pokud je hranol obdélníkový. Když tváře nejsou rovnoběžné, každá vlnová délka vystupuje s vlastním charakteristickým úhlem odchylky a pásy pozorované duhy se zvětšují v šířce s rostoucí vzdáleností od hranolu.
Kapky vody mohou fungovat jako hranoly a vytvořit duhu
Nepochybně jste viděli duhu a možná se divíte, proč je můžete vidět, jen když je slunce za vámi a jste v určitém úhlu k mrakům nebo dešťové sprše. Světlo se láme uvnitř kapičky vody, ale kdyby to byl celý příběh, voda by byla mezi vámi a sluncem, a to se obvykle nestává.
Na rozdíl od hranolů jsou kapičky vody kulaté. Dopadající sluneční světlo se láme na rozhraní vzduch / voda a část z nich prochází a vynořuje se z druhé strany, ale to není světlo, které produkuje duhy. Část světla se odráží uvnitř kapičky vody a vystupuje ze stejné strany kapičky. To je světlo, které produkuje duhu.
Světlo ze slunce má sestupnou trajektorii. Světlo může vystupovat z kterékoli části dešťové kapky, ale největší koncentrace má úhel odchylky asi 40 stupňů. Sbírka kapiček, ze kterých světlo vystupuje v tomto konkrétním úhlu, vytváří na obloze kruhový oblouk. Pokud byste byli schopni vidět duhu z letadla, byli byste schopni vidět celý kruh, ale ze země je polovina kruhu odříznuta a vidíte pouze typický půlkruhový oblouk.