Hvad forårsager spredning af hvidt lys?

Lysets natur var en stor kontrovers i videnskaben i 1600'erne, og prismer var midt i stormen. Nogle forskere mente, at lys var et bølgefænomen, og andre troede, det var en partikel. Den engelske fysiker og matematiker Sir Isaac Newton var i den tidligere lejr - uden tvivl dens leder - mens den hollandske filosof Christiaan Huygens ledede oppositionen.

Kontroversen resulterede til sidst i kompromiset om, at lys både er en bølge og en partikel. Denne forståelse var ikke mulig før introduktionen af ​​kvanteteori i 1900'erne, og i næsten 300 år fortsatte forskere med at udføre eksperimenter for at bekræfte deres synspunkt. En af de vigtigste involverede prismer.

Det faktum, at et prisme spreder hvidt lys, der danner et spektrum, kunne forklares med både bølge- og korpuskulær teori. Nu hvor forskere ved, at lys faktisk er sammensat af partikler med bølgeegenskaber kaldet fotoner, har de det en bedre idé om, hvad der forårsager lysdispersion, og det viser sig, at det har mere at gøre med bølgeegenskaber end korpuskulært dem.

Detlysbrydninger grunden til, at et prisme spreder hvidt lys og danner et spektrum. Brydning opstår, fordi lys bevæger sig langsommere i et tæt medium, såsom glas, end det gør i luften. Dannelsen af ​​et spektrum, hvor regnbuen er den synlige komponent, er mulig, fordi hvidt lys er faktisk sammensat af fotoner med en hel række bølgelængder, og hver bølgelængde bryder med forskellige vinkel.

Diffraktion er et fænomen, der opstår, når lys passerer gennem en meget smal spalte. De enkelte fotoner opfører sig som vandbølger, der passerer gennem en smal åbning i en havvæg. Når bølgerne passerer gennem åbningen, bøjer de sig rundt om hjørnerne og spredes ud, og hvis du tillader det bølger for at ramme en skærm, vil de producere et mønster af lyse og mørke linjer kaldet en diffraktion mønster. Linjeseparationen er en funktion af diffraktionsvinklen, bølgelængden af ​​det indfaldende lys og slidsens bredde.

Diffraktion er helt klart et bølgefænomen, men du kan forklare brydning som et resultat af formering af partikler, som Newton gjorde. For at få en nøjagtig idé om, hvad der faktisk sker, skal du forstå, hvad lys faktisk er, og hvordan det interagerer med det medium, det bevæger sig igennem.

Hvis lys var en ægte bølge, ville det have brug for et medium, som det kunne rejse igennem, og universet ville være nødvendigt at blive fyldt med et spøgelsesagtigt stof kaldet æteren, som Aristoteles troede. Michelson-Morley-eksperimentet viste imidlertid, at der ikke findes en sådan etherether. Det viser sig, at det faktisk ikke er nødvendigt at forklare lysudbredelse, selvom lys undertiden opfører sig som en bølge.

Lys er et elektromagnetisk fænomen. Et skiftende elektrisk felt skaber et magnetfelt og omvendt, og hyppigheden af ​​ændringer skaber de impulser, der danner en lysstråle. Lys bevæger sig med en konstant hastighed, når de rejser gennem et vakuum, men når de bevæger sig gennem et medium interagerer impulser med atomerne i mediet, og bølgehastigheden falder.

Jo tættere mediet er, jo langsommere strålen bevæger sig. Forholdet mellem hastigheder af hændelse (v_jeg) og brydes (v_R) lys er en konstant (n) kaldet brydningsindeks for grænsefladen:

Når en lysstråle rammer grænsefladen mellem to medier, ændrer den retning, og mængden af ​​ændring afhænger af n. Hvis indfaldsvinklen erθ_jeg, og brydningsvinklen erθ_R, er forholdet mellem vinkler givet vedSnells lov​:

Der er endnu et puslespil at overveje. Hastigheden af ​​en bølge er et produkt af dens frekvens og dens bølgelængde og frekvensenfaf lyset ændres ikke, når det passerer grænsefladen. Det betyder, at bølgelængden skal ændres for at bevare det forhold, der betegnes medn. Lys med en kortere indfaldende bølgelængde brydes i en større vinkel end lys med en længere bølgelængde.

Hvidt lys er en kombination af lys af fotoner med alle mulige bølgelængder. I det synlige spektrum har rødt lys den længste bølgelængde efterfulgt af orange, gul, grøn, blå, indigo og violet (ROYGBIV). Disse er regnbuens farver, men du kan kun se dem fra et trekantet prisme.

Når lys passerer fra et mindre tæt til et mere tæt medium, som det gør, når det kommer ind i et prisme, opdeles det i dets komponentbølgelængder. Disse rekombineres, når lyset kommer ud fra prismen, og hvis de to prismeoverflader er parallelle, ser en observatør hvidt lys komme frem. Faktisk ved nærmere eftersyn er en tynd rød linje og en tynd violet en synlig. De er tegn på lidt forskellige spredningsvinkler forårsaget af nedbremsning af lysstrålen i prisme-materialet.

Når prismen er trekantet, er indfaldsvinklerne, når strålen kommer ind og forlader prismen, forskellige, så brydningsvinklerne også er forskellige. Når du holder prisme i den rette vinkel, kan du se spektret dannet af de enkelte bølgelængder.

Forskellen mellem vinklen på den indfaldende stråle og den fremkomne stråle kaldes afvigelsesvinklen. Denne vinkel er i det væsentlige nul for alle bølgelængder, når prismen er rektangulær. Når ansigterne ikke er parallelle, kommer hver bølgelængde frem med sin egen karakteristiske afvigelsesvinkel, og båndene i den observerede regnbue øges i bredden med stigende afstand fra prismen.

Du har uden tvivl set en regnbue, og du undrer dig måske over, hvorfor du kun kan se dem, når solen er bag dig, og du er i en bestemt vinkel over skyerne eller til et regnbyge. Lys brydes ikke inde i en vanddråbe, men hvis det var hele historien, ville vandet have været mellem dig og solen, og det er ikke det, der typisk sker.

I modsætning til prismer er vanddråber runde. Hændende sollys brydes ved luft / vand-grænsefladen, og noget af det bevæger sig gennem og kommer ud fra den anden side, men det er ikke lyset, der producerer regnbuer. Noget af lyset reflekteres inde i vanddråben og kommer ud fra den samme side af dråben. Det er lyset, der producerer regnbuen.

Lyset fra solen har en nedadgående bane. Lys kan komme ud fra enhver del af regndråben, men den største koncentration har en afvigningsvinkel på ca. 40 grader. Samlingen af ​​dråber, hvorfra lys kommer ud i denne særlige vinkel, danner en cirkelbue på himlen. Hvis du var i stand til at se regnbuen fra et fly, ville du være i stand til at se en komplet cirkel, men fra jorden er den halve cirkel afskåret, og du ser kun den typiske halvcirkelbue.