La nature de la lumière était une controverse majeure dans les sciences dans les années 1600, et les prismes étaient au centre de la tempête. Certains scientifiques pensaient que la lumière était un phénomène ondulatoire, et certains pensaient qu'il s'agissait d'une particule. Le physicien et mathématicien anglais Sir Isaac Newton faisait partie de l'ancien camp – sans doute son chef – tandis que le philosophe néerlandais Christiaan Huygens était à la tête de l'opposition.
La controverse a finalement abouti au compromis que la lumière est à la fois une onde et une particule. Cette compréhension n'a pas été possible avant l'introduction de la théorie quantique dans les années 1900, et pendant près de 300 ans, les scientifiques ont continué à effectuer des expériences pour confirmer leur point de vue. L'un des prismes impliqués les plus importants.
Le fait qu'un prisme disperse la lumière blanche formant un spectre pourrait s'expliquer à la fois par la théorie ondulatoire et corpusculaire. Maintenant que les scientifiques savent que la lumière est en fait composée de particules aux caractéristiques ondulatoires appelées photons, ils ont une meilleure idée de ce qui cause la dispersion de la lumière, et il s'avère que cela a plus à voir avec les propriétés des ondes que corpusculaires ceux.
La réfraction et la diffraction se produisent parce que la lumière est une onde
leréfraction de la lumièreest la raison pour laquelle un prisme disperse la lumière blanche formant un spectre. La réfraction se produit parce que la lumière se déplace plus lentement dans un milieu dense, comme le verre, que dans l'air. La formation d'un spectre, dont l'arc-en-ciel est la composante visible, est possible car la lumière blanche est en fait composé de photons avec toute une gamme de longueurs d'onde, et chaque longueur d'onde se réfracte à un différent angle.
La diffraction est un phénomène qui se produit lorsque la lumière traverse une fente très étroite. Les photons individuels se comportent comme des vagues d'eau traversant une ouverture étroite dans une digue. Au fur et à mesure que les vagues traversent l'ouverture, elles se courbent dans les coins et s'étalent, et si vous permettez à la vagues pour frapper un écran, elles produiront un motif de lignes claires et sombres appelé diffraction schéma. La séparation des lignes est fonction de l'angle de diffraction, de la longueur d'onde de la lumière incidente et de la largeur de la fente.
La diffraction est clairement un phénomène ondulatoire, mais vous pouvez expliquer la réfraction comme le résultat de la propagation des particules, comme Newton l'a fait. Pour avoir une idée précise de ce qui se passe réellement, vous devez comprendre ce qu'est réellement la lumière et comment elle interagit avec le milieu dans lequel elle voyage.
Considérez la lumière comme des impulsions d'énergie électromagnétique
Si la lumière était une véritable onde, elle aurait besoin d'un moyen pour voyager, et l'univers devrait être rempli d'une substance fantomatique appelée l'éther, comme le croyait Aristote. L'expérience de Michelson-Morley a prouvé qu'un tel éther éther n'existe pas, cependant. Il s'avère qu'il n'est en fait pas nécessaire d'expliquer la propagation de la lumière, même si la lumière se comporte parfois comme une onde.
La lumière est un phénomène électromagnétique. Un champ électrique changeant crée un champ magnétique, et vice versa, et la fréquence des changements crée les impulsions qui forment un faisceau de lumière. La lumière se déplace à une vitesse constante lorsqu'elle se déplace dans le vide, mais lorsqu'elle se déplace dans un milieu, les impulsions interagissent avec les atomes du milieu et la vitesse de l'onde diminue.
Plus le milieu est dense, plus le faisceau se déplace lentement. Le rapport des vitesses d'incident (vje) et réfracté (vR) la lumière est une constante (n) appelée indice de réfraction de l'interface :
n=\frac{v_I}{v_R}
Pourquoi un prisme disperse la lumière blanche formant un spectre
Lorsqu'un faisceau de lumière frappe l'interface entre deux supports, il change de direction et la quantité de changement dépend de n. Si l'angle d'incidence estθje, et le et l'angle de réfraction estθR, le rapport des angles est donné parLa loi de Snell:
n=\frac{\sin{\theta_R}}{\sin{\theta_I}}
Il y a une autre pièce du puzzle à considérer. La vitesse d'une onde est le produit de sa fréquence et de sa longueur d'onde, et la fréquenceFde la lumière ne change pas lorsqu'elle passe l'interface. Cela signifie que la longueur d'onde doit changer pour préserver le rapport indiqué parm. La lumière avec une longueur d'onde incidente plus courte est réfractée à un angle plus grand que la lumière avec une longueur d'onde plus longue.
La lumière blanche est une combinaison de lumière de photons avec toutes les longueurs d'onde possibles. Dans le spectre visible, la lumière rouge a la longueur d'onde la plus longue, suivie de l'orange, du jaune, du vert, du bleu, de l'indigo et du violet (ROYGBIV). Ce sont les couleurs de l'arc-en-ciel, mais vous ne les verrez qu'à partir d'un prisme triangulaire.
Quelle est la particularité d'un prisme triangulaire ?
Lorsque la lumière passe d'un milieu moins dense à un milieu plus dense, comme elle le fait lorsqu'elle pénètre dans un prisme, elle se divise en ses longueurs d'onde composantes. Ceux-ci se recombinent lorsque la lumière sort du prisme, et si les deux faces du prisme sont parallèles, un observateur voit émerger de la lumière blanche. En fait, à y regarder de plus près, une fine ligne rouge et une fine ligne violette sont visibles. Ils témoignent d'angles de dispersion légèrement différents causés par le ralentissement du faisceau lumineux dans le matériau du prisme.
Lorsque le prisme est triangulaire, les angles d'incidence lorsque le faisceau entre et sort du prisme sont différents, de sorte que les angles de réfraction sont également différents. Lorsque vous maintenez le prisme à l'angle approprié, vous pouvez voir le spectre formé par les longueurs d'onde individuelles.
La différence entre l'angle du faisceau incident et celui du faisceau émergent est appelée angle de déviation. Cet angle est essentiellement nul pour toutes les longueurs d'onde lorsque le prisme est rectangulaire. Lorsque les faces ne sont pas parallèles, chaque longueur d'onde émerge avec son propre angle de déviation caractéristique, et les bandes de l'arc-en-ciel observé augmentent en largeur avec la distance croissante du prisme.
Les gouttelettes d'eau peuvent agir comme des prismes pour former un arc-en-ciel
Vous avez sans aucun doute vu un arc-en-ciel et vous vous demandez peut-être pourquoi vous ne pouvez les voir que lorsque le soleil est derrière vous et que vous êtes à un angle particulier par rapport aux nuages ou à une averse. La lumière se réfracte à l'intérieur d'une goutte d'eau, mais si c'était toute l'histoire, l'eau serait entre vous et le soleil, et ce n'est pas ce qui se passe généralement.
Contrairement aux prismes, les gouttelettes d'eau sont rondes. La lumière du soleil incidente se réfracte à l'interface air/eau, et une partie traverse et émerge de l'autre côté, mais ce n'est pas la lumière qui produit les arcs-en-ciel. Une partie de la lumière se réfléchit à l'intérieur de la goutte d'eau et émerge du même côté de la goutte. C'est la lumière qui produit l'arc-en-ciel.
La lumière du soleil a une trajectoire descendante. La lumière peut sortir de n'importe quelle partie de la goutte de pluie, mais la plus grande concentration a un angle de déviation d'environ 40 degrés. La collection de gouttelettes d'où la lumière émerge à cet angle particulier forme un arc de cercle dans le ciel. Si vous pouviez voir l'arc-en-ciel depuis un avion, vous pourriez voir un cercle complet, mais depuis le sol, la moitié du cercle est coupée et vous ne voyez que l'arc semi-circulaire typique.
