光の性質は1600年代の科学で大きな論争であり、プリズムは嵐の中心にありました。 光は波動現象だと信じている科学者もいれば、粒子だと思っている科学者もいます。 イギリスの物理学者で数学者のアイザックニュートン卿は、おそらくその指導者である前の陣営にいましたが、オランダの哲学者クリスティアーンホイヘンスが反対派を率いました。
論争は結局、光が波と粒子の両方であるという妥協をもたらしました。 この理解は1900年代に量子論が導入されるまで不可能であり、ほぼ300年間、科学者は自分たちの視点を確認するために実験を続けました。 最も重要な関連プリズムの1つ。
プリズムが白色光を分散させてスペクトルを形成するという事実は、波動説と光の粒子説の両方で説明できます。 科学者たちは、光が実際には光子と呼ばれる波動特性を持つ粒子で構成されていることを知ったので、 何が光の分散を引き起こすのかについてのより良い考え、そしてそれは粒子よりも波の特性に関係していることがわかります もの。
光は波であるため、屈折と回折が発生します
ザ・光の屈折プリズムが白色光を分散させてスペクトルを形成する理由です。 屈折は、光が空気中よりもガラスなどの高密度媒体内をゆっくりと移動するために発生します。 虹が可視成分であるスペクトルの形成は、白色光が 実際には、全波長範囲の光子で構成されており、各波長は異なる波長で屈折します。 角度。
回折は、光が非常に狭いスリットを通過するときに発生する現象です。 個々の光子は、護岸の狭い開口部を通過する水の波のように動作します。 波が開口部を通過すると、波は角を曲がって広がります。 画面に当たる波は、回折と呼ばれる明るい線と暗い線のパターンを生成します パターン。 線の分離は、回折角、入射光の波長、およびスリットの幅の関数です。
回折は明らかに波動現象ですが、ニュートンが行ったように、粒子の伝播の結果としての屈折を説明することができます。 実際に何が起こっているのかを正確に把握するには、光が実際に何であるか、そして光が通過する媒体とどのように相互作用するかを理解する必要があります。
光を電磁エネルギーのパルスと考えてください
光が真の波であるとすれば、それは通過する媒体を必要とし、アリストテレスが信じていたように、宇宙はエーテルと呼ばれる幽霊のような物質で満たされなければならないでしょう。 しかし、マイケルソン-モーリー実験は、そのようなエーテルエーテルが存在しないことを証明しました。 光が波のように振る舞うこともありますが、実際には光の伝播を説明する必要はありません。
光は電磁現象です。 変化する電場は磁場を生成し、逆もまた同様であり、変化の周波数は光線を形成するパルスを生成します。 光は真空中を移動するときは一定の速度で移動しますが、媒体中を移動するときはパルスが媒体内の原子と相互作用し、波の速度が低下します。
媒体の密度が高いほど、ビームの移動は遅くなります。 入射速度の比率（v私）および屈折（vR）光は、インターフェースの屈折率と呼ばれる定数（n）です。
n = \ frac {v_I} {v_R}
プリズムがスペクトルを形成する白色光を分散させる理由
光のビームが2つの媒体間の界面に当たると、方向が変わり、変化の量はnに依存します。 入射角がθ私、および屈折角はθR、角度の比率は次の式で与えられます。スネルの法則:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
考慮すべきパズルのピースがもう1つあります。 波の速度は、その周波数とその波長、および周波数の積です。fインターフェースを通過しても、光の量は変化しません。 つまり、で示される比率を維持するには、波長を変更する必要があります。n. 入射波長が短い光は、波長が長い光よりも大きな角度で屈折します。
白色光は、考えられるすべての波長の光子の光の組み合わせです。 可視スペクトルでは、赤色光の波長が最も長く、次にオレンジ、黄色、緑、青、藍、紫（ROYGBIV）が続きます。 これらは虹の色ですが、三角柱からしか見えません。
三角柱の何が特別なのですか？
光がプリズムに入るときのように、密度の低い媒体から密度の高い媒体に光が通過すると、その成分の波長に分割されます。 これらは、光がプリズムを出るときに再結合し、2つのプリズム面が平行である場合、観察者は白色光が現れるのを確認します。 実際、よく見ると、細い赤い線と細い紫の線が見えます。 これらは、プリズム材料内の光ビームの減速によって引き起こされるわずかに異なる分散角度の証拠です。
プリズムが三角形の場合、ビームがプリズムに出入りするときの入射角が異なるため、屈折角も異なります。 プリズムを適切な角度で保持すると、個々の波長によって形成されるスペクトルを見ることができます。
入射ビームの角度と入射ビームの角度の差は、偏角と呼ばれます。 プリズムが長方形の場合、この角度はすべての波長で本質的にゼロです。 面が平行でない場合、各波長は独自の特徴的な偏角で現れ、観測された虹のバンドはプリズムからの距離が増すにつれて幅が広がります。
水滴はプリズムのように振る舞って虹を形成することができます
あなたは間違いなく虹を見たでしょう、そしてあなたは太陽があなたの後ろにあり、あなたが雲やレインシャワーに対して特定の角度にいるときだけそれらを見ることができるのはなぜか疑問に思うかもしれません。 光は水滴の中で屈折しますが、それが全体の話であるならば、水はあなたと太陽の間にあるでしょう、そしてそれは通常起こることではありません。
プリズムとは異なり、水滴は丸いです。 入射太陽光は空気と水の界面で屈折し、その一部は通過して反対側から出てきますが、それは虹を生み出す光ではありません。 光の一部は水滴の内部で反射し、水滴の同じ側から出てきます。 それが虹を生み出す光です。
太陽からの光は下向きの軌道を持っています。 光は雨滴のどの部分からも出ることができますが、最大濃度の偏角は約40度です。 この特定の角度で光が出る液滴の集まりは、空に円弧を形成します。 飛行機から虹を見ることができれば、完全な円を見ることができますが、地面からは、円の半分が切り取られ、典型的な半円の弧しか見えません。