¿Qué causa la dispersión de la luz blanca?

La naturaleza de la luz fue una gran controversia en las ciencias en el siglo XVII, y los prismas estaban en el centro de la tormenta. Algunos científicos creían que la luz era un fenómeno ondulatorio y algunos pensaban que era una partícula. El físico y matemático inglés Sir Isaac Newton estuvo en el antiguo campo, posiblemente su líder, mientras que el filósofo holandés Christiaan Huygens encabezó la oposición.

La controversia finalmente resultó en el compromiso de que la luz es tanto una onda como una partícula. Esta comprensión no fue posible hasta la introducción de la teoría cuántica en la década de 1900, y durante casi 300 años, los científicos continuaron realizando experimentos para confirmar su punto de vista. Uno de los prismas involucrados más importantes.

El hecho de que un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro podría explicarse tanto por la teoría ondulatoria como por la corpuscular. Ahora que los científicos saben que la luz está compuesta de partículas con características de onda llamadas fotones, han una mejor idea de qué causa la dispersión de la luz, y resulta que tiene más que ver con las propiedades de las ondas que con las corpusculares unos.

Larefracción de la luzes la razón por la que un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro. La refracción se produce porque la luz viaja más lentamente en un medio denso, como el vidrio, que en el aire. La formación de un espectro, del cual el arco iris es el componente visible, es posible porque la luz blanca es compuesto de fotones con una amplia gama de longitudes de onda, y cada longitud de onda se refracta a una diferente ángulo.

La difracción es un fenómeno que ocurre cuando la luz pasa a través de una rendija muy estrecha. Los fotones individuales se comportan como ondas de agua que atraviesan una abertura estrecha en un malecón. A medida que las ondas pasan a través de la abertura, se doblan alrededor de las esquinas y se extienden, y si permites que el ondas para golpear una pantalla, producirán un patrón de líneas claras y oscuras llamado difracción patrón. La separación de líneas es función del ángulo de difracción, la longitud de onda de la luz incidente y el ancho de la rendija.

La difracción es claramente un fenómeno ondulatorio, pero se puede explicar la refracción como resultado de la propagación de partículas, como hizo Newton. Para tener una idea precisa de lo que está sucediendo realmente, debe comprender qué es la luz y cómo interactúa con el medio a través del cual viaja.

Si la luz fuera una verdadera onda, necesitaría un medio a través del cual viajar, y el universo tendría que estar lleno de una sustancia fantasmal llamada éter, como creía Aristóteles. Sin embargo, el experimento de Michelson-Morley demostró que no existe tal éter éter. Resulta que en realidad no es necesario para explicar la propagación de la luz, aunque la luz a veces se comporta como una onda.

La luz es un fenómeno electromagnético. Un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético y viceversa, y la frecuencia de los cambios crea los pulsos que forman un haz de luz. La luz viaja a una velocidad constante cuando viaja a través del vacío, pero cuando viaja a través de un medio, los pulsos interactúan con los átomos en el medio y la velocidad de la onda disminuye.

Cuanto más denso es el medio, más lento viaja el haz. La razón de velocidades de incidencia (v_I) y refractado (v_R) la luz es una constante (n) llamada índice de refracción para la interfaz:

Cuando un haz de luz incide en la interfaz entre dos medios, cambia de dirección y la cantidad de cambio depende de n. Si el ángulo de incidencia esθ_I, y el y el ángulo de refracción esθ_R, la razón de los ángulos viene dada porLa ley de Snell​:

Hay una pieza más del rompecabezas a considerar. La velocidad de una onda es el producto de su frecuencia y su longitud de onda, y la frecuenciaFde la luz no cambia a medida que pasa por la interfaz. Eso significa que la longitud de onda debe cambiar para preservar la relación denotada pornorte. La luz con una longitud de onda incidente más corta se refracta en un ángulo mayor que la luz con una longitud de onda más larga.

La luz blanca es una combinación de luz de fotones con todas las longitudes de onda posibles. En el espectro visible, la luz roja tiene la longitud de onda más larga, seguida de naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (ROYGBIV). Estos son los colores del arco iris, pero solo los verás desde un prisma triangular.

Cuando la luz pasa de un medio menos denso a uno más denso, como lo hace cuando entra en un prisma, se divide en las longitudes de onda que la componen. Estos se recombinan cuando la luz sale del prisma, y ​​si las dos caras del prisma son paralelas, un observador ve emerger una luz blanca. En realidad, en una inspección más cercana, se ven una delgada línea roja y una delgada violeta. Son evidencia de ángulos de dispersión ligeramente diferentes causados ​​por la ralentización del haz de luz en el material del prisma.

Cuando el prisma es triangular, los ángulos de incidencia cuando el rayo entra y sale del prisma son diferentes, por lo que los ángulos de refracción también son diferentes. Cuando sostiene el prisma en el ángulo adecuado, puede ver el espectro formado por las longitudes de onda individuales.

La diferencia entre el ángulo del haz incidente y el del haz emergente se llama ángulo de desviación. Este ángulo es esencialmente cero para todas las longitudes de onda cuando el prisma es rectangular. Cuando las caras no son paralelas, cada longitud de onda emerge con su propio ángulo de desviación característico, y las bandas del arco iris observado aumentan de ancho al aumentar la distancia desde el prisma.

Sin duda ha visto un arcoíris, y puede que se pregunte por qué solo puede verlos cuando el sol está detrás de usted y está en un ángulo particular con las nubes o con una lluvia. La luz se refracta dentro de una gota de agua, pero si esa fuera toda la historia, el agua estaría entre tú y el sol, y eso no es lo que suele ocurrir.

A diferencia de los prismas, las gotas de agua son redondas. La luz solar incidente se refracta en la interfaz aire / agua, y parte de ella viaja y emerge del otro lado, pero esa no es la luz que produce los arcoíris. Parte de la luz se refleja dentro de la gota de agua y emerge del mismo lado de la gota. Esa es la luz que produce el arco iris.

La luz del sol tiene una trayectoria descendente. La luz puede salir de cualquier parte de la gota de lluvia, pero la mayor concentración tiene un ángulo de desviación de unos 40 grados. La colección de gotas de las que emerge la luz en este ángulo particular forma un arco circular en el cielo. Si pudieras ver el arcoíris desde un avión, podrías ver un círculo completo, pero desde el suelo, la mitad del círculo está cortado y solo ves el arco semicircular típico.