Τι προκαλεί τη διασπορά του λευκού φωτός;

Η φύση του φωτός ήταν μια μεγάλη διαμάχη στις επιστήμες το 1600, και τα πρίσματα ήταν στο κέντρο της καταιγίδας. Μερικοί επιστήμονες πίστευαν ότι το φως ήταν ένα φαινόμενο κυμάτων και κάποιοι πίστευαν ότι ήταν ένα σωματίδιο. Ο Άγγλος φυσικός και μαθηματικός Sir Isaac Newton βρισκόταν στο πρώην στρατόπεδο - αναμφισβήτητα ο ηγέτης του - ενώ ο Ολλανδός φιλόσοφος Christiaan Huygens ηγήθηκε της αντιπολίτευσης.

Η διαμάχη οδήγησε τελικά στον συμβιβασμό ότι το φως είναι τόσο ένα κύμα όσο και ένα σωματίδιο. Αυτή η κατανόηση δεν ήταν δυνατή μέχρι την εισαγωγή της κβαντικής θεωρίας το 1900 και για σχεδόν 300 χρόνια, οι επιστήμονες συνέχισαν να εκτελούν πειράματα για να επιβεβαιώσουν την άποψή τους. Ένα από τα πιο σημαντικά εμπλεκόμενα πρίσματα.

Το γεγονός ότι ένα πρίσμα διασκορπίζει το λευκό φως σχηματίζοντας ένα φάσμα θα μπορούσε να εξηγηθεί τόσο από τη θεωρία των κυμάτων όσο και από τα σωματικά. Τώρα που οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το φως αποτελείται πραγματικά από σωματίδια με χαρακτηριστικά κύματος που ονομάζονται φωτόνια, έχουν μια καλύτερη ιδέα για το τι προκαλεί διασπορά του φωτός, και αποδεικνύεται ότι έχει να κάνει περισσότερο με τις κυματολογικές ιδιότητες παρά το σωματικό αυτοί.

οδιάθλαση του φωτόςείναι ο λόγος για τον οποίο ένα πρίσμα διασκορπίζει το λευκό φως σχηματίζοντας ένα φάσμα. Η διάθλαση συμβαίνει επειδή το φως ταξιδεύει πιο αργά σε πυκνό μέσο, ​​όπως γυαλί, από ό, τι στον αέρα. Ο σχηματισμός ενός φάσματος, του οποίου το ουράνιο τόξο είναι το ορατό συστατικό, είναι δυνατός επειδή το λευκό φως είναι στην πραγματικότητα αποτελείται από φωτόνια με μια ολόκληρη σειρά μήκους κύματος, και κάθε μήκος κύματος διαθλάται σε διαφορετικό γωνία.

Η περίθλαση είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν το φως διέρχεται από μια πολύ στενή σχισμή. Τα μεμονωμένα φωτόνια συμπεριφέρονται σαν κύματα νερού που περνούν από ένα στενό άνοιγμα σε ένα θαλασσοπούλι. Καθώς τα κύματα περνούν από το άνοιγμα, λυγίζουν γύρω από τις γωνίες και απλώνονται, και αν το επιτρέψετε κύματα για να χτυπήσουν μια οθόνη, θα παράγουν ένα μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών γραμμών που ονομάζεται περίθλαση πρότυπο. Ο διαχωρισμός γραμμής είναι συνάρτηση της γωνίας περίθλασης, του μήκους κύματος του προσπίπτοντος φωτός και του πλάτους της σχισμής.

Η περίθλαση είναι σαφώς ένα φαινόμενο κυμάτων, αλλά μπορείτε να εξηγήσετε τη διάθλαση ως αποτέλεσμα της διάδοσης σωματιδίων, όπως έκανε ο Newton. Για να πάρετε μια ακριβή ιδέα για το τι πραγματικά συμβαίνει, πρέπει να καταλάβετε τι είναι πραγματικά το φως και πώς αλληλεπιδρά με το μέσο στο οποίο ταξιδεύει.

Εάν το φως ήταν ένα πραγματικό κύμα, θα χρειαζόταν ένα μέσο για να ταξιδέψει και το σύμπαν θα πρέπει να γεμίσει με μια φάντασμα ουσία που ονομάζεται αιθέρας, όπως πίστευε ο Αριστοτέλης. Το πείραμα Michelson-Morley απέδειξε ότι δεν υπάρχει τέτοιος αιθέρας. Αποδεικνύεται ότι στην πραγματικότητα δεν χρειάζεται να εξηγήσει τη διάδοση του φωτός, αν και μερικές φορές το φως συμπεριφέρεται ως κύμα.

Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο. Ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο και το αντίστροφο, και η συχνότητα των αλλαγών δημιουργεί τους παλμούς που σχηματίζουν μια δέσμη φωτός. Το φως ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα όταν ταξιδεύει μέσω κενού, αλλά όταν ταξιδεύει μέσα από ένα μέσο, ​​οι παλμοί αλληλεπιδρούν με τα άτομα στο μέσο και η ταχύτητα του κύματος μειώνεται.

Όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, ​​τόσο πιο αργή είναι η διαδρομή. Ο λόγος των ταχυτήτων του συμβάντος (v_Εγώ) και διαθλασμένη (v_Ρ) Το φως είναι μια σταθερά (n) που ονομάζεται δείκτης διάθλασης για τη διεπαφή:

Όταν μια ακτίνα φωτός χτυπά τη διεπαφή μεταξύ δύο μέσων αλλάζει κατεύθυνση και η ποσότητα της αλλαγής εξαρτάται από το n. Εάν η γωνία πρόσπτωσης είναιθ_Εγώ, και η γωνία διάθλασης είναιθ_Ρ, η αναλογία γωνιών δίνεται απόΟ νόμος του Snell​:

Υπάρχει ένα ακόμη κομμάτι του παζλ που πρέπει να λάβετε υπόψη. Η ταχύτητα ενός κύματος είναι προϊόν της συχνότητας και του μήκους κύματος του, και της συχνότηταςφάτου φωτός δεν αλλάζει καθώς περνά τη διεπαφή. Αυτό σημαίνει ότι το μήκος κύματος πρέπει να αλλάξει για να διατηρηθεί ο λόγος που υποδηλώνεται μεν. Το φως με μικρότερο περιστατικό μήκος κύματος διαθλάται σε μεγαλύτερη γωνία από το φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος.

Το λευκό φως είναι ένας συνδυασμός φωτός φωτονίων με όλα τα πιθανά μήκη κύματος. Στο ορατό φάσμα, το κόκκινο φως έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος, ακολουθούμενο από πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, λουλακί και ιώδες (ROYGBIV). Αυτά είναι τα χρώματα του ουράνιου τόξου, αλλά θα τα δείτε μόνο από ένα τριγωνικό πρίσμα.

Όταν το φως περνά από ένα λιγότερο πυκνό σε ένα πιο πυκνό μέσο, ​​όπως συμβαίνει όταν εισέρχεται σε ένα πρίσμα, χωρίζεται στα συστατικά του μήκη κύματος. Αυτά ανασυνδυάζονται όταν το φως βγαίνει από το πρίσμα, και εάν τα δύο πρόσωπα πρίσματος είναι παράλληλα, ένας παρατηρητής βλέπει το λευκό φως να αναδύεται. Στην πραγματικότητα, σε στενότερη επιθεώρηση, μια λεπτή κόκκινη γραμμή και μια λεπτή βιολετί είναι ορατές. Είναι στοιχεία από ελαφρώς διαφορετικές γωνίες διασποράς που προκαλούνται από την επιβράδυνση της δέσμης φωτός στο υλικό του πρίσματος.

Όταν το πρίσμα είναι τριγωνικό, οι γωνίες πρόσπτωσης καθώς η ακτίνα εισέρχεται και φεύγει από το πρίσμα είναι διαφορετικές, έτσι οι γωνίες διάθλασης είναι επίσης διαφορετικές. Όταν κρατάτε το πρίσμα στη σωστή γωνία, μπορείτε να δείτε το φάσμα που σχηματίζεται από τα μεμονωμένα μήκη κύματος.

Η διαφορά μεταξύ της γωνίας της προσπίπτουσας δέσμης και αυτής της αναδυόμενης δέσμης ονομάζεται γωνία απόκλισης. Αυτή η γωνία είναι ουσιαστικά μηδενική για όλα τα μήκη κύματος όταν το πρίσμα είναι ορθογώνιο. Όταν τα πρόσωπα δεν είναι παράλληλα, κάθε μήκος κύματος αναδύεται με τη δική του χαρακτηριστική γωνία απόκλισης και οι ζώνες του παρατηρούμενου ουράνιου τόξου αυξάνονται σε πλάτος με αυξανόμενη απόσταση από το πρίσμα.

Δεν έχετε αμφιβολία δει ένα ουράνιο τόξο και ίσως αναρωτιέστε γιατί μπορείτε να τα δείτε μόνο όταν ο ήλιος είναι πίσω σας και είστε σε μια συγκεκριμένη γωνία προς τα σύννεφα ή σε ένα ντους βροχής. Το φως διαθλάται μέσα σε ένα σταγονίδιο νερού, αλλά αν αυτή ήταν όλη η ιστορία, το νερό θα ήταν ανάμεσα σε εσάς και τον ήλιο, και αυτό δεν συμβαίνει συνήθως.

Σε αντίθεση με τα πρίσματα, τα σταγονίδια νερού είναι στρογγυλά. Το περιστατικό του ηλιακού φωτός διαθλάται στη διεπαφή αέρα / νερού και μερικά από αυτά ταξιδεύουν και βγαίνουν από άλλη πλευρά, αλλά αυτό δεν είναι το φως που παράγει ουράνιο τόξο. Μερικό από το φως αντανακλά μέσα στο σταγονίδιο νερού και αναδύεται από την ίδια πλευρά του σταγονιδίου. Αυτό είναι το φως που παράγει το ουράνιο τόξο.

Το φως από τον ήλιο έχει μια πορεία προς τα κάτω. Το φως μπορεί να εξέλθει από οποιοδήποτε σημείο της σταγόνας βροχής, αλλά η μεγαλύτερη συγκέντρωση έχει γωνία απόκλισης περίπου 40 μοιρών. Η συλλογή σταγονιδίων από τα οποία αναδύεται φως σε αυτήν τη συγκεκριμένη γωνία σχηματίζει ένα κυκλικό τόξο στον ουρανό. Εάν μπορούσατε να δείτε το ουράνιο τόξο από ένα αεροπλάνο, θα μπορούσατε να δείτε έναν πλήρη κύκλο, αλλά από το έδαφος, ο μισός κύκλος είναι κομμένος και βλέπετε μόνο το τυπικό ημικυκλικό τόξο.