Valon luonne oli suuri kiista tieteissä 1600-luvulla, ja prismat olivat myrskyn keskipisteessä. Jotkut tutkijat uskoivat valon olevan aaltoilmiö, ja toisten mielestä se oli hiukkanen. Englantilainen fyysikko ja matemaatikko Sir Isaac Newton oli entisessä leirissä - luultavasti sen johtaja -, kun taas hollantilainen filosofi Christiaan Huygens johti oppositiota.
Kiista johti lopulta kompromissiin, että valo on sekä aalto että hiukkanen. Tämä ymmärtäminen oli mahdollista vasta kvanttiteorian käyttöönoton jälkeen 1900-luvulla, ja melkein 300 vuotta tutkijat jatkoivat kokeiden tekemistä näkemyksensä vahvistamiseksi. Yksi tärkeimmistä mukana olevista prismoista.
Se, että prisma hajottaa valkoisen valon, muodostaen spektrin, voidaan selittää sekä aalto- että korpuskulaariteorialla. Nyt kun tiedemiehet tietävät, että valo koostuu itse asiassa hiukkasista, joilla on aaltoominaisuuksia, joita kutsutaan fotoneiksi, heillä on parempi käsitys siitä, mikä aiheuttaa valon dispersiota, ja osoittautuu, että sillä on enemmän tekemistä aalto-ominaisuuksien kuin korpuskulaaristen kanssa yhdet.
Taittuminen ja diffraktio tapahtuu, koska valo on aalto
valon taittuminenon syy, miksi prisma hajottaa valkoisen valon muodostaen spektrin. Taittuminen tapahtuu, koska valo kulkee hitaammin tiheässä väliaineessa, kuten lasissa, kuin ilmassa. Spektrin muodostuminen, jonka sateenkaari on näkyvä komponentti, on mahdollista, koska valkoinen valo on koostuu tosiasiassa fotoneista, joilla on koko aallonpituusalue, ja jokainen aallonpituus taittuu eri tavalla kulma.
Diffraktio on ilmiö, joka tapahtuu, kun valo kulkee hyvin kapean raon läpi. Yksittäiset fotonit käyttäytyvät kuin vesiaallot, jotka kulkevat kapean aukon läpi meriseinässä. Kun aallot kulkevat aukon läpi, ne taipuvat kulmien ympäri ja leviävät, ja jos sallit aallot osuakseen näyttöön, ne tuottavat valon ja tumman viivan kuvion, jota kutsutaan diffraktioksi kuvio. Linjaerotus on diffraktiokulman, tulevan valon aallonpituuden ja raon leveyden funktio.
Diffraktio on selvästi aaltoilmiö, mutta voit selittää taittumisen hiukkasten etenemisen seurauksena, kuten Newton teki. Saadaksesi tarkan käsityksen siitä, mitä todella tapahtuu, sinun on ymmärrettävä, mikä valo todella on ja miten se on vuorovaikutuksessa väliaineen kanssa, jonka läpi se kulkee.
Ajattele valoa sähkömagneettisen energian pulsseina
Jos valo olisi todellinen aalto, se tarvitsisi väliaineen, jonka läpi kulkea, ja maailmankaikkeus olisi täytettävä aavemaisella aineella, jota kutsutaan eetteriksi, kuten Aristoteles uskoi. Michelson-Morley-koe osoitti, että sellaista eetterieetteriä ei kuitenkaan ole. On käynyt ilmi, että sitä ei todellakaan tarvita selittämään valon etenemistä, vaikka valo käyttäytyy joskus aaltona.
Valo on sähkömagneettinen ilmiö. Muuttuva sähkökenttä luo magneettikentän ja päinvastoin, ja muutosten taajuus luo pulssit, jotka muodostavat valonsäteen. Valo kulkee vakionopeudella, kun se kulkee tyhjiön läpi, mutta kulkiessaan väliaineen läpi pulssit ovat vuorovaikutuksessa väliaineen atomien kanssa, ja aallon nopeus pienenee.
Mitä tiheämpi väliaine on, sitä hitaammin palkki liikkuu. Tapahtuman nopeuksien suhde (vMinä) ja taittunut (vR) valo on vakio (n), jota kutsutaan rajapinnan taitekertoimeksi:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Miksi prisma hajottaa valkoista valoa muodostaen spektrin
Kun valonsäde osuu kahden väliaineen väliseen rajapintaan, se muuttaa suuntaa ja muutoksen määrä riippuu n: stä. Jos tulokulma onθMinäja taitekulma on jaθR, kulmien suhde saadaanSnellin laki:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
On vielä yksi palapeli. Aallon nopeus on sen taajuuden, aallonpituuden ja taajuuden tulofvalo ei muutu, kun se kulkee rajapinnan läpi. Tämä tarkoittaa, että aallonpituuden on muututtava merkinnällä merkittyjen suhteiden säilyttämiseksin. Lyhyemmän osuvan aallonpituuden omaava valo taittuu suuremmassa kulmassa kuin pidemmän aallonpituuden valo.
Valkoinen valo on yhdistelmä fotonien valoa kaikilla mahdollisilla aallonpituuksilla. Näkyvässä spektrissä punaisella valolla on pisin aallonpituus, jota seuraa oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti (ROYGBIV). Nämä ovat sateenkaaren värejä, mutta näet ne vain kolmiomaisesta prismasta.
Mitä erityistä kolmiomaisessa prismassa on?
Kun valo siirtyy vähemmän tiheästä tiheämpään väliaineeseen, kuten se menee, kun se menee prismaan, se jakautuu komponenttien aallonpituuksiin. Nämä yhdistyvät, kun valo poistuu prismasta, ja jos prisman kaksi pintaa ovat yhdensuuntaiset, tarkkailija näkee valkoisen valon nousevan. Itse asiassa tarkemmin tarkasteltuna ohut punainen viiva ja ohut violetti ovat näkyvissä. Ne ovat todisteita hieman erilaisista dispersiokulmista, jotka johtuvat valonsäteen hidastumisesta prisman materiaalissa.
Kun prisma on kolmiomainen, tulokulmat, kun säde saapuu prismaan ja poistuu siitä, ovat erilaiset, joten myös taitekulmat ovat erilaiset. Kun pidät prismaa oikeassa kulmassa, näet yksittäisten aallonpituuksien muodostaman spektrin.
Tulevan säteen ja tulevan säteen kulman välistä eroa kutsutaan poikkeamakulmaksi. Tämä kulma on olennaisesti nolla kaikilla aallonpituuksilla, kun prisma on suorakulmainen. Kun kasvot eivät ole yhdensuuntaiset, jokainen aallonpituus tulee esiin omalla poikkeavalla kulmallaan, ja havaitun sateenkaaren nauhat kasvavat leveydeksi, kun etäisyys prismaan kasvaa.
Vesipisarat voivat toimia kuten prismat muodostaen sateenkaaren
Olet epäilemättä nähnyt sateenkaaren, ja saatat ihmetellä, miksi näet ne vain, kun aurinko on takanasi ja olet tietyssä kulmassa pilviä tai sadesuihkua vastaan. Valo taittuu vesipisaran sisällä, mutta jos se olisi koko tarina, vesi olisi ollut sinun ja auringon välillä, eikä sitä tyypillisesti tapahdu.
Toisin kuin prismat, vesipisarat ovat pyöreitä. Tuleva auringonvalo taittuu ilman / veden rajapinnassa, ja osa siitä kulkee läpi ja tulee toisesta puolesta, mutta se ei ole valo, joka tuottaa sateenkaaria. Osa valosta heijastuu vesipisaran sisällä ja tulee ulos pisaran samalta puolelta. Se on valo, joka tuottaa sateenkaaren.
Auringon valolla on suunta alaspäin. Valo voi poistua sadepisaran mistä tahansa osasta, mutta suurimman pitoisuuden poikkeamakulma on noin 40 astetta. Kokoelma pisaroita, joista valo tulee ulos tässä kulmassa, muodostavat pyöreän kaaren taivaalla. Jos pystyt näkemään sateenkaaren lentokoneesta, pystyt näkemään kokonaisen ympyrän, mutta maasta puoli ympyrää on katkaistu ja näet vain tyypillisen puoliympyrän kaaren.