Apa Penyebab Dispersi Cahaya Putih?

Sifat cahaya merupakan kontroversi besar dalam sains pada tahun 1600-an, dan prisma menjadi pusat badai. Beberapa ilmuwan percaya cahaya adalah fenomena gelombang, dan beberapa berpikir itu adalah partikel. Fisikawan dan matematikawan Inggris Sir Isaac Newton berada di bekas kubu – bisa dibilang pemimpinnya – sementara filsuf Belanda Christiaan Huygens memimpin oposisi.

Kontroversi akhirnya menghasilkan kompromi bahwa cahaya adalah gelombang dan partikel. Pemahaman ini tidak mungkin sampai pengenalan teori kuantum pada tahun 1900-an, dan selama hampir 300 tahun, para ilmuwan terus melakukan eksperimen untuk mengkonfirmasi sudut pandang mereka. Salah satu prisma yang terlibat paling penting.

Fakta bahwa prisma menyebarkan cahaya putih membentuk spektrum dapat dijelaskan oleh teori gelombang dan sel. Sekarang para ilmuwan tahu bahwa cahaya sebenarnya terdiri dari partikel dengan karakteristik gelombang yang disebut foton, mereka memiliki they ide yang lebih baik tentang apa yang menyebabkan dispersi cahaya, dan ternyata itu lebih berkaitan dengan sifat gelombang daripada sel cor yang.

Itupembiasan cahayaadalah alasan mengapa prisma menyebarkan cahaya putih membentuk spektrum. Pembiasan terjadi karena cahaya merambat lebih lambat dalam medium padat, seperti kaca, daripada di udara. Pembentukan spektrum, di mana pelangi adalah komponen yang terlihat, dimungkinkan karena cahaya putih adalah sebenarnya terdiri dari foton dengan seluruh rentang panjang gelombang, dan setiap panjang gelombang dibiaskan pada sudut yang berbeda sudut.

Difraksi adalah fenomena yang terjadi ketika cahaya melewati celah yang sangat sempit. Foton individu berperilaku seperti gelombang air yang melewati celah sempit di dinding laut. Saat gelombang melewati celah, mereka membengkok di sudut-sudut dan menyebar, dan jika Anda membiarkannya gelombang untuk menyerang layar, mereka akan menghasilkan pola garis terang dan gelap yang disebut difraksi pola. Pemisahan garis merupakan fungsi dari sudut difraksi, panjang gelombang cahaya datang dan lebar celah.

Difraksi jelas merupakan fenomena gelombang, tetapi Anda dapat menjelaskan pembiasan sebagai akibat dari perambatan partikel, seperti yang dilakukan Newton. Untuk mendapatkan gagasan yang akurat tentang apa yang sebenarnya terjadi, Anda perlu memahami apa itu cahaya sebenarnya dan bagaimana ia berinteraksi dengan media yang dilaluinya.

Jika cahaya adalah gelombang sejati, ia akan membutuhkan media untuk melakukan perjalanan, dan alam semesta harus diisi dengan zat hantu yang disebut eter, seperti yang diyakini Aristoteles. Eksperimen Michelson-Morley membuktikan bahwa eter seperti itu tidak ada. Ternyata sebenarnya tidak diperlukan untuk menjelaskan perambatan cahaya, meskipun cahaya terkadang berperilaku sebagai gelombang.

Cahaya adalah fenomena elektromagnetik. Medan listrik yang berubah menciptakan medan magnet, dan sebaliknya, dan frekuensi perubahan menciptakan pulsa yang membentuk seberkas cahaya. Cahaya merambat dengan kecepatan konstan ketika merambat melalui ruang hampa, tetapi ketika merambat melalui medium, pulsa berinteraksi dengan atom-atom dalam medium, dan kecepatan gelombang berkurang.

Semakin padat medium, semakin lambat sinar merambat. Rasio kecepatan kejadian (v_saya) dan dibiaskan (v_R) cahaya adalah konstanta (n) yang disebut indeks bias untuk antarmuka:

Ketika seberkas cahaya mengenai antarmuka antara dua media itu berubah arah, dan jumlah perubahan tergantung pada n. Jika sudut datang adalahθ_saya, dan sudut biasnya adalahθ_R, rasio sudut diberikan olehHukum Snellius​:

Ada satu lagi potongan puzzle yang perlu dipertimbangkan. Kecepatan gelombang adalah produk dari frekuensi dan panjang gelombang, dan frekuensifcahaya tidak berubah saat melewati antarmuka. Itu berarti panjang gelombang harus berubah untuk mempertahankan rasio yang dilambangkan dengantidak. Cahaya dengan panjang gelombang datang yang lebih pendek dibiaskan pada sudut yang lebih besar daripada cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang.

Cahaya putih adalah kombinasi cahaya foton dengan semua panjang gelombang yang mungkin. Dalam spektrum tampak, cahaya merah memiliki panjang gelombang terpanjang, diikuti oleh oranye, kuning, hijau, biru, nila dan ungu (ROYGBIV). Ini adalah warna pelangi, tetapi Anda hanya akan melihatnya dari prisma segitiga.

Ketika cahaya berpindah dari medium yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat, seperti yang terjadi ketika memasuki prisma, ia terpecah menjadi panjang gelombang komponennya. Ini bergabung kembali ketika cahaya keluar dari prisma, dan jika dua wajah prisma sejajar, seorang pengamat melihat cahaya putih muncul. Sebenarnya, pada pemeriksaan lebih dekat, garis merah tipis dan ungu tipis terlihat. Mereka adalah bukti sudut dispersi yang sedikit berbeda yang disebabkan oleh perlambatan berkas cahaya dalam bahan prisma.

Jika prisma berbentuk segitiga, sudut datang saat sinar masuk dan keluar prisma berbeda, sehingga sudut biasnya juga berbeda. Ketika Anda memegang prisma pada sudut yang tepat, Anda dapat melihat spektrum yang dibentuk oleh panjang gelombang individu.

Perbedaan antara sudut sinar datang dan sudut sinar keluar disebut sudut deviasi. Sudut ini pada dasarnya adalah nol untuk semua panjang gelombang ketika prisma berbentuk persegi panjang. Ketika wajah tidak sejajar, setiap panjang gelombang muncul dengan sudut deviasi karakteristiknya sendiri, dan pita pelangi yang diamati bertambah lebar dengan bertambahnya jarak dari prisma.

Anda pasti pernah melihat pelangi, dan Anda mungkin bertanya-tanya mengapa Anda hanya dapat melihatnya saat matahari berada di belakang Anda dan Anda berada pada sudut tertentu terhadap awan atau hujan. Cahaya memang membiaskan di dalam tetesan air, tetapi jika itu adalah keseluruhan cerita, air akan berada di antara Anda dan matahari, dan bukan itu yang biasanya terjadi.

Tidak seperti prisma, tetesan air berbentuk bulat. Sinar matahari yang datang dibiaskan pada antarmuka udara/air, dan beberapa di antaranya memang berjalan melalui dan muncul dari sisi lain, tapi itu bukan cahaya yang menghasilkan pelangi. Beberapa cahaya dipantulkan di dalam tetesan air dan muncul dari sisi tetesan yang sama. Itulah cahaya yang menghasilkan pelangi.

Cahaya dari matahari memiliki lintasan ke bawah. Cahaya dapat keluar dari bagian mana pun dari tetesan hujan, tetapi konsentrasi terbesar memiliki sudut deviasi sekitar 40 derajat. Kumpulan tetesan dari mana cahaya muncul pada sudut tertentu membentuk busur melingkar di langit. Jika Anda dapat melihat pelangi dari pesawat terbang, Anda akan dapat melihat lingkaran penuh, tetapi dari tanah, setengah lingkaran terpotong dan Anda hanya melihat busur setengah lingkaran yang khas.