אופי האור היה מחלוקת מרכזית במדעים בשנות ה 1600, והמנסרות היו במרכז הסערה. חלק מהמדענים האמינו שאור הוא תופעת גל, ויש שחשבו שזה חלקיק. הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי סר אייזק ניוטון היה במחנה לשעבר - ככל הנראה מנהיגו - ואילו הפילוסוף ההולנדי כריסטיאן הויגנס עמד בראש האופוזיציה.
המחלוקת הביאה בסופו של דבר לפשרה שאור הוא גם גל וגם חלקיק. הבנה זו לא הייתה אפשרית עד להכנסת תורת הקוונטים בשנות ה -20, ובמשך כמעט 300 שנה, המדענים המשיכו לבצע ניסויים כדי לאשש את נקודת מבטם. אחת המנסרות החשובות ביותר.
העובדה שמנסרה מפזרת אור לבן ויוצר ספקטרום יכולה להיות מוסברת הן על ידי התיאור הגל והן על ידי התיאוריה הגופנית. כעת, כמדענים יודעים כי האור מורכב למעשה מחלקיקים בעלי מאפייני גל הנקראים פוטונים, יש להם מושג טוב יותר לגבי הגורמים לפיזור אור, ומתברר שזה קשור יותר לתכונות גל מאשר לגוף יחידות.
השבירה וההפרעה מתרחשים מכיוון שהאור הוא גל
השבירת אורהיא הסיבה לכך שמנסרה מפזרת אור לבן ויוצר ספקטרום. השבירה מתרחשת מכיוון שאור נע לאט יותר במדיום צפוף, כמו זכוכית, מאשר באוויר. היווצרות ספקטרום, שקשת הקשת היא המרכיב הנראה לעין, אפשרית מכיוון שאור לבן הוא למעשה מורכב מפוטונים עם מגוון שלם של אורכי גל, וכל אורך גל נשבר באחר זָוִית.
הפרעה היא תופעה המתרחשת כאשר האור עובר דרך חריץ צר מאוד. הפוטונים האישיים מתנהגים כמו גלי מים העוברים דרך פתח צר בים. כאשר הגלים עוברים דרך הפתח, הם מתכופפים בפינות ומתפשטים, ואם מאפשרים את גלים כדי לפגוע במסך, הם יפיקו דפוס של קווים בהירים וכהים הנקראים עקיפה תבנית. הפרדת הקווים היא פונקציה של זווית העקיפה, אורך הגל של האור הפולש ורוחב החריץ.
דיפרקציה היא ללא ספק תופעת גל, אך ניתן להסביר שבירה כתוצאה מהתפשטות חלקיקים, כפי שעשה ניוטון. כדי לקבל מושג מדויק על מה שקורה בפועל, עליכם להבין מהו אור בעצם וכיצד הוא מתקשר עם המדיום דרכו הוא נע.
חשבו על האור כקטבים של אנרגיה אלקטרומגנטית
אם האור היה גל אמיתי, הוא היה זקוק למדיום דרכו לנסוע, והיקום היה צריך להיות מלא בחומר רפאים שנקרא אתר, כפי שאמין אריסטו. הניסוי של מיכלסון-מורלי הוכיח כי לא קיים אתר אתרים כזה. מתברר שלמעשה אין צורך להסביר את התפשטות האור, למרות שלעתים האור מתנהג כגל.
אור הוא תופעה אלקטרומגנטית. שדה חשמלי משתנה יוצר שדה מגנטי, ולהיפך, ותדירות השינויים יוצרת את הפולסים שיוצרים קרן אור. האור נע במהירות קבועה בעת נסיעה דרך ואקום, אך בעת נסיעה במדיום הדופקים מתקשרים עם האטומים במדיום, ומהירות הגל פוחתת.
ככל שהמדיום צפוף יותר, כך הקורה נעה לאט יותר. היחס בין מהירויות האירוע (vאני) ושבר (נר) אור הוא קבוע (n) הנקרא אינדקס השבירה עבור הממשק:
n = \ frac {v_I} {v_R}
מדוע מנסרה מפיצה אור לבן היוצר ספקטרום
כאשר קרן אור פוגעת בממשק בין שני מדיות היא משנה כיוון, וכמות השינוי תלויה ב- n. אם זווית ההיארעות היאθאני, וזווית השבירה היאθר, יחס הזוויות ניתן על ידיחוק סנל:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
יש לקחת עוד חתיכת פאזל. מהירות הגל היא תוצר של התדר שלו ואורכו הגל, והתדרfהאור אינו משתנה כשהוא עובר את הממשק. כלומר אורך הגל חייב להשתנות כדי לשמור על היחס המסומן על ידינ. אור עם אורך גל תקוע קצר יותר נשבר בזווית גדולה יותר מאשר אור באורך גל ארוך יותר.
אור לבן הוא שילוב של אור של פוטונים עם כל אורכי הגל האפשריים. בספקטרום הגלוי, לאור אדום יש את אורך הגל הארוך ביותר, ואחריו כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול (ROYGBIV). אלה צבעי הקשת, אך תראה אותם רק ממנסרה משולשת.
מה מיוחד בפריזמה משולשת?
כאשר האור עובר ממדיום פחות צפוף למדיום צפוף יותר, כפי שהוא עובר כאשר הוא נכנס לפריזמה, הוא מתפצל לאורכי הגל המרכיבים אותו. אלה משולבים מחדש כאשר האור יוצא מהפריזמה, ואם שני פני המנסרה מקבילים, צופה רואה אור לבן מגיח. למעשה, בבדיקה מקרוב נראים קו אדום דק וסגול דק. הם עדות לזוויות פיזור מעט שונות הנגרמות על ידי האטת קרן האור בחומר הפריזמה.
כאשר המנסרה משולשת, זוויות ההתרחשות כאשר הקורה נכנסת ויוצאת מהפריזמה שונות, כך שגם זוויות השבירה שונות. כאשר אתה מחזיק את המנסרה בזווית המתאימה, אתה יכול לראות את הספקטרום שנוצר על ידי אורכי הגל האינדיבידואליים.
ההבדל בין זווית הקורה הנגועה לזו של הקורה המתהווה נקרא זווית הסטייה. זווית זו היא למעשה אפס לכל אורכי הגל כאשר הפריזמה מלבנית. כאשר הפרצופים אינם מקבילים, כל אורך גל יוצא עם זווית הסטייה האופיינית לו, ורצועות הקשת הנצפית מתרחבות ברוחב עם הגדלת המרחק מהפריזמה.
טיפות מים יכולות להתנהג כמו מנסרות ליצירת קשת
אין ספק שראיתם קשת, ואולי תהיתם מדוע תוכלו לראות אותם רק כשהשמש מאחוריכם ואתם בזווית מסוימת לעננים או למקלחת גשם. אור נשבר בתוך טיפת מים, אבל אם זה היה כל הסיפור, המים היו בינך לבין השמש, וזה לא מה שקורה בדרך כלל.
שלא כמו מנסרות, טיפות מים עגולות. אור שמש תקרי נשבר בממשק האוויר / מים, וחלקו אכן עובר ויצוץ מהצד השני, אבל זה לא האור שמייצר קשתות. חלק מהאור משתקף בתוך טיפת המים ויוצא מאותו הצד של הטיפה. זה האור שמייצר את הקשת.
לאור השמש מסלול כלפי מטה. האור יכול לצאת מכל חלק של טיפת הגשם, אך לריכוז הגדול ביותר יש זווית סטייה של כ- 40 מעלות. אוסף הטיפות שממנו בא האור בזווית מסוימת זו יוצר קשת מעגלית בשמיים. אם הייתם מסוגלים לראות את הקשת ממטוס, הייתם יכולים לראות מעגל שלם, אך מהקרקע חצי המעגל מנותק ורואים רק את הקשת החצי-מעגלית האופיינית.