Valguse olemus oli 1600-ndatel aastatel teadustes suur vaidlus ja tormi keskmes olid prismad. Mõned teadlased uskusid, et valgus oli laineline nähtus, ja mõned arvasid, et see oli osake. Inglise füüsik ja matemaatik Sir Isaac Newton viibis endises leeris - väidetavalt selle juhis -, samal ajal kui Hollandi filosoof Christiaan Huygens oli opositsiooni eesotsas.
Vaidluse tulemuseks oli lõpuks kompromiss, et valgus on nii laine kui ka osake. See arusaam oli võimalik alles 1900-ndatel aastatel kvantteooria juurutamiseni ja peaaegu 300 aastat jätkasid teadlased oma seisukoha kinnitamiseks katseid. Üks olulisemaid seotud prismasid.
Seda, et prisma hajutab spektri moodustavat valget valgust, võib seletada nii laine- kui ka korpuskulaarse teooriaga. Nüüd, kui teadlased teavad, et valgus koosneb tegelikult laineomadustega osakestest, mida nimetatakse footoniteks, on neil seda ka parem ettekujutus sellest, mis põhjustab valguse hajumist, ja selgub, et see on rohkem seotud laineomadustega kui korpuskulaarsega ühed.
Murdumine ja difraktsioon tekivad seetõttu, et valgus on laine
Thevalguse murdumineon põhjus, miks prisma hajutab spektri moodustavat valget valgust. Murdumine tekib seetõttu, et valgus liigub tihedas keskkonnas, näiteks klaasis, aeglasemalt kui õhus. Spektri moodustamine, mille nähtavaks komponendiks on vikerkaar, on võimalik, kuna valge valgus on koosneb tegelikult footonitest, millel on terve lainepikkuste vahemik, ja iga lainepikkus murdub erineval nurk.
Difraktsioon on nähtus, mis tekib siis, kui valgus läbib väga kitsa pilu. Üksikud footonid käituvad nagu vees lained, mis läbivad kitsast ava meremüüris. Kui lained läbivad ava, painduvad nad nurkade ümber ja levivad laiali ning kui lubate ekraani löömiseks tekitavad nad heledate ja tumedate joonte mustri, mida nimetatakse difraktsiooniks muster. Jooneeraldus on difraktsiooninurga, langeva valguse lainepikkuse ja pilu laiuse funktsioon.
Difraktsioon on selgelt laineline nähtus, kuid võite selgitada murdumist osakeste leviku tagajärjel, nagu Newton tegi. Selleks, et saada täpne ettekujutus sellest, mis tegelikult toimub, peate mõistma, mis valgus tegelikult on ja kuidas see suhtleb meediumiga, mille kaudu see liigub.
Mõelge valgusele kui elektromagnetilise energia impulssidele
Kui valgus oleks tõeline laine, vajaks see keskkonda, mille kaudu rännata, ja universum peaks olema täidetud kummitusliku ainega, mida nimetatakse eetriks, nagu Aristoteles uskus. Michelson-Morley eksperiment tõestas, et sellist eetrieetrit siiski pole. Selgub, et tegelikult pole seda valguse leviku selgitamiseks vaja, kuigi valgus käitub mõnikord lainena.
Valgus on elektromagnetiline nähtus. Muutuv elektriväli tekitab magnetvälja ja vastupidi ning muutuste sagedus loob impulsid, mis moodustavad valguskiire. Valgus liigub vaakumis liikudes ühtlase kiirusega, kuid keskkonda liikudes mõjutavad impulsid keskkonnas olevaid aatomeid ja laine kiirus väheneb.
Mida tihedam on keskkond, seda aeglasemalt kiir läbib. Intsidentide kiiruste suhe (vMina) ja murdunud (vR) valgus on konstant (n), mida nimetatakse liidese murdumisnäitajaks:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Miks hajutab prisma valget valgust, moodustades spektri
Kui valgusvihk tabab kahe kandja vahelist liidest, muudab see suunda ja muutuse suurus sõltub n-st. Kui langemisnurk onθMinaja murdumisnurk onθR, on nurkade suhe antudSnelli seadus:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Kaaluda tuleb veel üks pusletükk. Laine kiirus on selle sageduse ja lainepikkuse ning sageduse korrutisfliidesest möödudes valguse osa ei muutu. See tähendab, et lainepikkus peab muutuma, et säilitada tähistatud suhen. Lühema langeva lainepikkusega valgus murdub suurema nurga all kui pikema lainepikkusega valgus.
Valge valgus on kõigi võimalike lainepikkustega footonite valguse kombinatsioon. Nähtavas spektris on punase valguse pikim lainepikkus, millele järgneb oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne värv (ROYGBIV). Need on vikerkaare värvid, kuid näete neid ainult kolmnurkse prisma järgi.
Mida erilist on kolmnurkne prisma?
Kui valgus läheb vähem tihedast keskmisest tihedamaks, jaguneb see nagu prismasse sisenemisel komponendi lainepikkusteks. Need rekombineeruvad, kui valgus väljub prismast, ja kui need kaks prisma nägu on paralleelsed, näeb vaatleja valge valguse tekkimist. Tegelikult on lähemal vaatlusel nähtav õhuke punane joon ja õhuke violetne joon. Need on tõestus veidi erinevast hajumisnurgast, mis on tingitud valguskiire aeglustumisest prisma materjalis.
Kui prisma on kolmnurkne, on kiirte sisenemisel ja lahkumisel prisma langemisnurgad erinevad, seega on ka murdumisnurgad erinevad. Kui hoiate prismat õige nurga all, näete üksikute lainepikkuste poolt moodustatud spektrit.
Langeva kiirte ja tekkiva kiire nurga erinevust nimetatakse hälbimisnurgaks. See nurk on sisuliselt null kõigi lainepikkuste korral, kui prisma on ristkülikukujuline. Kui näod pole paralleelsed, tekib iga lainepikkus koos talle iseloomuliku kõrvalekaldenurgaga ja vaadeldava vikerkaare ribad laienevad prisma kauguse suurenemisega.
Veetilgad võivad vikerkaare moodustamiseks toimida nagu prisma
Te olete kahtlemata näinud vikerkaart ja võite mõelda, miks saate neid näha ainult siis, kui päike on selja taga ja olete pilvede või vihmadušši suhtes teatud nurga all. Valgus murdub veepiiskade sees, kuid kui see oleks kogu lugu, oleks vesi olnud teie ja päikese vahel ning tavaliselt seda ei juhtu.
Erinevalt prismadest on veepiisad ümmargused. Langev päikesevalgus murdub õhu / vee liidesel ja osa sellest liigub läbi ja väljub teiselt poolt, kuid see pole valgus, mis tekitab vikerkaari. Osa valgusest peegeldub veepiisku sees ja väljub tilga samast küljest. See on vikerkaare tekitav valgus.
Päikese valgusel on trajektoor allapoole. Valgus võib vihmapiiskade igast osast väljuda, kuid suurima kontsentratsiooni kõrvalekaldenurk on umbes 40 kraadi. Tilkade kogu, millest valgus väljub just selle nurga all, moodustavad taevas ringkaare. Kui teil oleks võimalik vikerkaart lennukist näha, näeksite tervet ringi, kuid maapinnast on pool ringi ära lõigatud ja te näete ainult tüüpilist poolringkaari.