Was verursacht die Streuung von weißem Licht?

Die Natur des Lichts war im 17. Jahrhundert eine große Kontroverse in den Wissenschaften, und Prismen standen im Mittelpunkt des Sturms. Einige Wissenschaftler glaubten, dass Licht ein Wellenphänomen sei, und andere hielten es für ein Teilchen. Der englische Physiker und Mathematiker Sir Isaac Newton war im ehemaligen Lager – wohl sein Anführer –, während der niederländische Philosoph Christiaan Huygens die Opposition anführte.

Die Kontroverse führte schließlich zu dem Kompromiss, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist. Dieses Verständnis war bis zur Einführung der Quantentheorie in den 1900er Jahren nicht möglich, und fast 300 Jahre lang führten Wissenschaftler weiterhin Experimente durch, um ihren Standpunkt zu bestätigen. Eines der wichtigsten beteiligten Prismen.

Die Tatsache, dass ein Prisma weißes Licht streut und ein Spektrum bildet, könnte sowohl durch die Wellen- als auch durch die Korpuskulartheorie erklärt werden. Jetzt, da Wissenschaftler wissen, dass Licht tatsächlich aus Teilchen mit Welleneigenschaften besteht, die als Photonen bezeichnet werden, haben sie eine bessere Vorstellung davon, was die Lichtstreuung verursacht, und es stellt sich heraus, dass es mehr mit Welleneigenschaften als mit Korpuskularen zu tun hat Einsen.

DasLichtbrechungist der Grund, warum ein Prisma weißes Licht streut und ein Spektrum bildet. Brechung tritt auf, weil sich Licht in einem dichten Medium wie Glas langsamer ausbreitet als in Luft. Die Bildung eines Spektrums, dessen sichtbarer Anteil der Regenbogen ist, ist möglich, weil weißes Licht tatsächlich aus Photonen mit einer ganzen Reihe von Wellenlängen zusammengesetzt, und jede Wellenlänge bricht an einem anderen Winkel.

Beugung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Licht durch einen sehr schmalen Spalt fällt. Die einzelnen Photonen verhalten sich wie Wasserwellen, die durch eine schmale Öffnung in einem Deich laufen. Wenn die Wellen durch die Öffnung gehen, biegen sie sich um die Ecken und breiten sich aus, und wenn Sie es zulassen Wenn Wellen auf einen Bildschirm treffen, erzeugen sie ein Muster aus hellen und dunklen Linien, das als Beugung bezeichnet wird Muster. Der Linienabstand ist eine Funktion des Beugungswinkels, der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Spaltbreite.

Beugung ist eindeutig ein Wellenphänomen, aber man kann die Brechung durch die Ausbreitung von Teilchen erklären, wie es Newton getan hat. Um eine genaue Vorstellung davon zu bekommen, was tatsächlich passiert, müssen Sie verstehen, was Licht tatsächlich ist und wie es mit dem Medium interagiert, durch das es sich bewegt.

Wenn Licht eine echte Welle wäre, müsste es ein Medium durchqueren, und das Universum müsste mit einer geisterhaften Substanz namens Äther gefüllt sein, wie Aristoteles glaubte. Das Michelson-Morley-Experiment bewies jedoch, dass es keinen solchen Ätheräther gibt. Es stellt sich heraus, dass es eigentlich nicht nötig ist, um die Lichtausbreitung zu erklären, obwohl sich Licht manchmal wie eine Welle verhält.

Licht ist ein elektromagnetisches Phänomen. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld und umgekehrt, und die Frequenz der Änderungen erzeugt die Impulse, die einen Lichtstrahl bilden. Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit durch ein Vakuum, aber wenn es durch ein Medium wandert, wechselwirken die Pulse mit den Atomen im Medium, und die Geschwindigkeit der Welle nimmt ab.

Je dichter das Medium, desto langsamer wandert der Strahl. Das Verhältnis der Einfallsgeschwindigkeiten (v_ich) und gebrochen (v_R) Licht ist eine Konstante (n), die als Brechungsindex für die Grenzfläche bezeichnet wird:

Wenn ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien trifft, ändert er seine Richtung, und das Ausmaß der Änderung hängt von n ab. Wenn der Einfallswinkel istθ_ich, und der und der Brechungswinkel istθ_R, das Winkelverhältnis ist gegeben durchSnells Gesetz​:

Es gibt noch ein Puzzleteil zu berücksichtigen. Die Geschwindigkeit einer Welle ist ein Produkt ihrer Frequenz und ihrer Wellenlänge und der Frequenzfdes Lichts ändert sich beim Passieren der Grenzfläche nicht. Das bedeutet, dass sich die Wellenlänge ändern muss, um das mit bezeichnete Verhältnis zu erhaltennein. Licht mit einer kürzeren einfallenden Wellenlänge wird unter einem größeren Winkel gebrochen als Licht mit einer längeren Wellenlänge.

Weißes Licht ist eine Kombination von Licht von Photonen mit allen möglichen Wellenlängen. Im sichtbaren Spektrum hat rotes Licht die längste Wellenlänge, gefolgt von Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett (ROYGBIV). Dies sind die Farben des Regenbogens, aber Sie sehen sie nur von einem dreieckigen Prisma aus.

Wenn Licht von einem weniger dichten zu einem dichteren Medium übergeht, wie es beim Eintritt in ein Prisma der Fall ist, wird es in seine Wellenlängen aufgespalten. Diese rekombinieren, wenn das Licht das Prisma verlässt, und wenn die beiden Prismenflächen parallel sind, sieht ein Beobachter weißes Licht austreten. Tatsächlich sind bei genauerem Hinsehen eine dünne rote Linie und eine dünne violette zu sehen. Sie zeugen von leicht unterschiedlichen Streuwinkeln, die durch die Verlangsamung des Lichtstrahls im Prismenmaterial verursacht werden.

Wenn das Prisma dreieckig ist, sind die Einfallswinkel beim Eintritt und Austritt des Strahls in das Prisma unterschiedlich, so dass auch die Brechungswinkel unterschiedlich sind. Wenn Sie das Prisma im richtigen Winkel halten, können Sie das Spektrum der einzelnen Wellenlängen sehen.

Die Differenz zwischen dem Winkel des einfallenden Strahls und dem des austretenden Strahls wird als Abweichungswinkel bezeichnet. Dieser Winkel ist für alle Wellenlängen im Wesentlichen null, wenn das Prisma rechteckig ist. Wenn die Flächen nicht parallel sind, tritt jede Wellenlänge mit ihrem eigenen charakteristischen Abweichungswinkel auf, und die Bänder des beobachteten Regenbogens werden mit zunehmendem Abstand vom Prisma breiter.

Sie haben zweifellos einen Regenbogen gesehen und fragen sich vielleicht, warum Sie ihn nur sehen können, wenn die Sonne hinter Ihnen steht und Sie in einem bestimmten Winkel zu den Wolken oder zu einem Regenschauer stehen. Licht wird in einem Wassertropfen gebrochen, aber wenn das die ganze Geschichte wäre, wäre das Wasser zwischen Ihnen und der Sonne, und das passiert normalerweise nicht.

Im Gegensatz zu Prismen sind Wassertropfen rund. Einfallendes Sonnenlicht wird an der Luft/Wasser-Grenzfläche gebrochen, und ein Teil davon wandert durch und tritt von der anderen Seite aus, aber das ist nicht das Licht, das Regenbögen erzeugt. Ein Teil des Lichts wird im Inneren des Wassertropfens reflektiert und tritt auf derselben Seite des Tropfens aus. Das ist das Licht, das den Regenbogen hervorbringt.

Das Licht der Sonne hat eine nach unten gerichtete Flugbahn. Licht kann aus jedem Teil des Regentropfens austreten, aber die größte Konzentration hat einen Abweichungswinkel von etwa 40 Grad. Die Ansammlung von Tröpfchen, aus denen unter diesem bestimmten Winkel Licht austritt, bildet einen Kreisbogen am Himmel. Wenn Sie den Regenbogen von einem Flugzeug aus sehen könnten, könnten Sie einen vollständigen Kreis sehen, aber vom Boden aus ist der halbe Kreis abgeschnitten und Sie sehen nur den typischen Halbkreisbogen.