A fény természete nagy vitát okozott a tudományban az 1600-as években, és a prizma állt a vihar középpontjában. Egyes tudósok úgy vélték, hogy a fény hullámjelenség, és mások szerint részecske. Sir Isaac Newton angol fizikus és matematikus az egykori táborban volt - vitathatatlanul annak vezetője -, míg Christiaan Huygens holland filozófus vezette az ellenzéket.
A vita végül azt a kompromisszumot eredményezte, hogy a fény egyszerre hullám és részecske is. Ez a megértés csak az 1900-as évek kvantumelméletének bevezetéséig volt lehetséges, és csaknem 300 éven keresztül a tudósok kísérleteket folytattak álláspontjuk megerősítésére. Az egyik legfontosabb érintett prizmák.
Az a tény, hogy egy prizma szétszórja a fehér fényt, spektrumot alkotva, a hullám és a korpuszkuláris elmélettel egyaránt magyarázható. Most, hogy a tudósok tudják, hogy a fény valójában fotonoknak nevezett hullámjellemzőkkel rendelkező részecskékből áll jobb elképzelés arról, hogy mi okozza a fény diszperzióját, és kiderül, hogy ennek több köze van a hullám tulajdonságaihoz, mint a korpuszulárishoz azok.
Törés és diffrakció lép fel, mert a fény hullám
Afénytörésez az oka annak, hogy egy prizma szétszórja a fehér fényt, spektrumot képezve. A fénytörés azért következik be, mert a fény sűrűbb közegben, például üvegben lassabban halad, mint a levegőben. Egy spektrum kialakulása, amelynek a szivárvány a látható alkotóeleme, azért lehetséges, mert a fehér fény valójában fotonokból áll, teljes hullámhossz-tartományban, és mindegyik hullámhossz más-másra tör szög.
A diffrakció olyan jelenség, amely akkor fordul elő, amikor a fény áthalad egy nagyon keskeny résen. Az egyes fotonok úgy viselkednek, mint egy vízfal hullámai, amelyek áthaladnak a tengerpart egy keskeny nyílásán. Amint a hullámok áthaladnak a nyíláson, a sarkok körül meghajlanak és szétterülnek, és ha megengedi a hullámok, hogy megütjenek egy képernyőt, világos és sötét vonalak mintázatát eredményezik, amelyet diffrakciónak neveznek minta. A vonalválasztás a diffrakciós szög, a beeső fény hullámhosszának és a rés szélességének függvénye.
A diffrakció egyértelműen hullámjelenség, de megmagyarázhatja a törést a részecskék terjedésének eredményeként, ahogy Newton tette. Ahhoz, hogy pontos képet kapjon arról, mi történik valójában, meg kell értenie, mi is valójában a fény, és hogyan hat egymással a közeggel, amelyen keresztül halad.
Gondoljon a fényre, mint az elektromágneses energia impulzusaira
Ha a fény valódi hullám lenne, akkor szüksége lenne egy közegre, amelyen keresztül lehet utazni, és a világegyetemet meg kell tölteni egy szellemszerű anyaggal, amelyet éternek hívnak, amint Arisztotelész hitte. A Michelson-Morley-kísérlet bebizonyította, hogy ilyen éter-éter nem létezik. Kiderült, hogy valójában nincs rá szükség a fény terjedésének magyarázatához, annak ellenére, hogy a fény néha hullámként viselkedik.
A fény elektromágneses jelenség. A változó elektromos tér mágneses teret hoz létre, és fordítva, a változások gyakorisága pedig olyan impulzusokat hoz létre, amelyek fénysugarat alkotnak. A fény állandó sebességgel halad, ha vákuumban halad, de egy közegen haladva az impulzusok kölcsönhatásba lépnek a közeg atomjaival, és a hullám sebessége csökken.
Minél sűrűbb a közeg, annál lassabban halad a sugár. Az incidens sebességének aránya (vén) és megtört (vR) a fény állandó (n), amelyet az interfész törésmutatójának nevezünk:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Miért szétszórja a prizma a fehér fényt, spektrumot képezve
Amikor egy fénysugár eléri a két közeg közötti interfészt, az irányt változtat, és a változás mértéke n-től függ. Ha a beesési szögθén, és a és a törés szögeθR, a szögek arányát az adja megSnell törvénye:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Még egy kirakós darabot kell figyelembe venni. A hullám sebessége annak frekvenciájának, hullámhosszának és frekvenciájának szorzatafa fény nem változik, amikor áthalad az interfészen. Ez azt jelenti, hogy a hullámhossznak meg kell változnia, hogy megőrizze an. A rövidebb hullámhosszúságú fény nagyobb szögben törik, mint a hosszabb hullámhosszú fény.
A fehér fény a fotonok fényének kombinációja az összes lehetséges hullámhosszal. A látható spektrumban a vörös fény hullámhossza a leghosszabb, ezt követi a narancs, a sárga, a zöld, a kék, az indigo és az ibolya (ROYGBIV). Ezek a szivárvány színei, de ezeket csak egy háromszög alakú prizmából láthatja.
Mi a különleges egy háromszög alakú prizmában?
Amikor a fény kevésbé sűrűből átmegy egy sűrűbb közegbe, ahogyan a prizma belépésekor, akkor összetevői hullámhosszaira hasad. Ezek akkor rekombinálódnak, amikor a fény kilép a prizmából, és ha a két prizma arc párhuzamos, akkor egy megfigyelő látja, hogy fehér fény jelenik meg. Valójában közelebbről megvizsgálva egy vékony piros vonal és egy vékony ibolya látható. Bizonyítják, hogy a prizma anyagában a fénysugár lelassulása kissé eltérõ szétszóródási szögeket okoz.
Ha a prizma háromszög alakú, akkor a beesési szögek, amikor a gerenda belép és elhagyja a prizmát, különbözőek, ezért a törésszögek is különbözőek. Ha a prizmát a megfelelő szögben tartja, láthatja az egyes hullámhosszak által alkotott spektrumot.
A beeső nyaláb szöge és a kiugró nyaláb szöge közötti eltérést eltérési szögnek nevezzük. Ez a szög lényegében nulla minden hullámhosszon, ha a prizma téglalap alakú. Ha az arcok nem párhuzamosak, akkor mindegyik hullámhossz a saját jellegzetes eltérési szögével jelenik meg, és a megfigyelt szivárvány sávjai a prizmától való távolság növekedésével nőnek.
A vízcseppek a prizmákhoz hasonlóan szivárványt alkothatnak
Kétségkívül láttál szivárványt, és elgondolkodhatsz azon, hogy miért csak akkor láthatod őket, ha a nap mögötted van, és egy bizonyos szögben vagy a felhőkkel vagy az esőzuhannyal szemben. A fény megtörik egy vízcsepp belsejében, de ha ez lenne a teljes történet, akkor a víz közötted és a nap között lett volna, és általában nem ez történik.
A prizmáktól eltérően a vízcseppek kerekek. A beeső napfény megtörik a levegő / víz határfelületén, és némelyik áthalad és átkerül a másik oldalról, de ez nem az a fény, amely szivárványokat produkál. A fény egy része a vízcsepp belsejében visszaverődik, és a csepp ugyanazon oldaláról kerül elő. Ez a fény termeli a szivárványt.
A nap fényének lefelé mutató pályája van. A fény kiléphet az esőcsepp bármely részéről, de a legnagyobb koncentráció esetén az eltérés szöge körülbelül 40 fok. A cseppek gyűjteménye, amelyekből a fény ebben a bizonyos szögben kerül elő, körívet képeznek az égen. Ha látná a szivárványt egy repülőgépről, akkor egy teljes kört látna, de a földtől a fél kör elvágódik, és csak a tipikus félkörívet látja.