Fai brillare una luce attraverso un prisma o appendine uno alla finestra in una giornata di sole e vedrai un arcobaleno. È lo stesso arcobaleno che vedi nel cielo perché, in una giornata con un misto di pioggia e sole, ogni goccia di pioggia agisce come un prisma in miniatura. Per i fisici che discutono se la luce sia un'onda o una particella, questo fenomeno è un forte argomento per il primo. In effetti, gli esperimenti con i prismi erano centrali nella formulazione di Issac Newton della teoria dell'ottica e della natura ondulatoria della luce.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
La luce bianca si rifrange quando passa attraverso un prisma. Ogni lunghezza d'onda si rifrange con un angolo diverso e la luce emergente forma un arcobaleno.
La rifrazione e l'arcobaleno
La rifrazione è un fenomeno che si verifica quando un raggio di luce bianca passa attraverso l'interfaccia tra l'aria e un mezzo più denso, come il vetro o l'acqua. La luce viaggia più lentamente in un mezzo più denso, quindi cambia direzione o si rifrange quando passa attraverso l'interfaccia. La luce bianca è una miscela di tutte le lunghezze d'onda della luce e ciascuna lunghezza d'onda si rifrange con un angolo leggermente diverso. Pertanto, quando il raggio emerge dal mezzo più denso, è stato suddiviso nelle sue lunghezze d'onda componenti. Quelli che puoi vedere formano il familiare arcobaleno.
L'indice di rifrazione
L'angolo di rifrazione in un particolare mezzo è definito dal suo indice di rifrazione, che è a proprietà derivata dividendo la velocità della luce nel vuoto per la velocità della luce in quel particolare medio. Quando la luce passa da un mezzo all'altro, l'angolo di rifrazione può essere ricavato dividendo gli indici di rifrazione dei due mezzi. Questa relazione è nota come Legge di Snell, dal nome del fisico del XVII secolo che la scoprì.
Molti altri materiali oltre al vetro producono arcobaleni. Diamante, ghiaccio, quarzo trasparente e glicerina sono solo alcuni esempi. L'ampiezza dell'arcobaleno è funzione dell'indice di rifrazione, che varia direttamente con la densità del materiale. Puoi persino vedere un arcobaleno quando la luce passa dall'acqua attraverso un cristallo trasparente o un pezzo di vetro e torna nell'acqua.
I colori dell'arcobaleno
Sebbene tradizionalmente identifichiamo un arcobaleno con sette colori componenti, in realtà è un continuum senza confini discreti da una tonalità all'altra. Fu Newton a dividere arbitrariamente lo spettro in sette colori in ossequio agli antichi greci, che credevano che sette fosse un numero mistico. I colori sono, in ordine dalla lunghezza d'onda più lunga alla più corta, rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola. Se stai cercando un modo per ricordare l'ordine, usa l'acronimo ROYGBIV, pronunciato roy-gee-biv, o prova questo mnemonico: ROYGAve BettioViolet.
La frequenza della lunghezza d'onda aumenta man mano che si procede attraverso l'arcobaleno dal rosso al viola. Ciò significa che anche l'energia dei singoli fotoni – o pacchetti d'onde – aumenta, perché i due sono direttamente correlati dalla legge di Planck.