Kas sukelia baltos šviesos sklaidą?

Šviesos pobūdis buvo didelis ginčas moksluose 1600 m., O audros centre buvo prizmės. Kai kurie mokslininkai tikėjo, kad šviesa yra bangų reiškinys, o kai kurie manė, kad tai yra dalelė. Anglų fizikas ir matematikas seras Isaacas Newtonas buvo buvusioje stovykloje - neabejotinai jos lyderis -, o olandų filosofas Christiaanas Huygensas vadovavo opozicijai.

Ginčas galiausiai sukėlė kompromisą, kad šviesa yra ir banga, ir dalelė. Šis supratimas buvo neįmanomas iki kvantinės teorijos įvedimo 1900-aisiais ir beveik 300 metų mokslininkai tęsė eksperimentus, kad patvirtintų savo požiūrį. Viena iš svarbiausių prizmių.

Tai, kad prizmė išsklaido baltą šviesą, formuojančią spektrą, galima paaiškinti tiek bangų, tiek kūno dalelių teorija. Dabar, kai mokslininkai žino, kad šviesa iš tikrųjų susideda iš dalelių, turinčių bangų charakteristikas, vadinamas fotonais, jie turi geresnė idėja, kas sukelia šviesos sklaidą, ir, pasirodo, tai labiau susiję su bangų savybėmis, o ne su korpusu vieni.

Thešviesos lūžisyra priežastis, dėl kurios prizmė išsklaido baltą šviesą, formuodama spektrą. Refrakcija įvyksta todėl, kad tankioje terpėje, pavyzdžiui, stikle, šviesa sklinda lėčiau, nei ore. Spektro, kurio matomas komponentas yra vaivorykštė, susidarymas yra įmanomas, nes balta šviesa yra iš tikrųjų susideda iš fotonų, turinčių visą bangos ilgių diapazoną, ir kiekvienas bangos ilgis laužia skirtingai kampu.

Difrakcija yra reiškinys, atsirandantis, kai šviesa praeina per labai siaurą plyšį. Atskiri fotonai elgiasi kaip vandens bangos, praeinančios per siaurą angą jūros sienoje. Kai bangos praeina pro angą, jos pasilenkia už kampų ir išsiskleidžia, o jei leidžiate bangos, norėdami pataikyti į ekraną, jie sukurs šviesių ir tamsių linijų modelį, vadinamą difrakcija raštas. Linijų atskyrimas yra difrakcijos kampo, krintančios šviesos bangos ilgio ir plyšio pločio funkcija.

Difrakcija akivaizdžiai yra bangos reiškinys, tačiau galite paaiškinti lūžimą dėl dalelių plitimo, kaip tai padarė Niutonas. Norėdami tiksliai suprasti, kas iš tikrųjų vyksta, turite suprasti, kas iš tikrųjų yra šviesa ir kaip ji sąveikauja su terpe, per kurią ji keliauja.

Jei šviesa būtų tikra banga, jai reikėtų terpės, per kurią galėtų keliauti, ir visata turėtų būti užpildyta vaiduokliška medžiaga, vadinama eteriu, kaip tikėjo Aristotelis. Michelsono-Morley eksperimentas įrodė, kad tokio eterio eterio nėra. Pasirodo, kad iš tikrųjų nereikia paaiškinti šviesos sklidimo, nors šviesa kartais elgiasi kaip banga.

Šviesa yra elektromagnetinis reiškinys. Kintantis elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką ir atvirkščiai, o pokyčių dažnis sukuria impulsus, kurie suformuoja šviesos pluoštą. Šviesa sklinda pastoviu greičiu keliaujant per vakuumą, tačiau keliaujant per terpę impulsai sąveikauja su terpe esančiais atomais, o bangos greitis mažėja.

Kuo tankesnė terpė, tuo lėčiau spindulys juda. Įvykio greičio santykis (t_Aš) ir lūžęs (t_R) šviesa yra pastovioji (n), vadinama sąsajos lūžio rodikliu:

Kai šviesos pluoštas patenka į sąsają tarp dviejų terpių, jis keičia kryptį, o pokyčių dydis priklauso nuo n. Jei kritimo kampas yraθ_Ašir lūžio kampas yraθ_R, kampų santykį pateikiaSnello dėsnis​:

Yra dar vienas galvosūkis, kurį reikia apsvarstyti. Bangos greitis yra jos dažnio, bangos ilgio ir dažnio sandaugafšviesos nesikeičia praeinant sąsają. Tai reiškia, kad bangos ilgis turi keistis, kad būtų išsaugotas santykis, žymimasn. Šviesa su trumpesniu bangos ilgiu lūžta didesniu kampu nei ilgesnio bangos ilgio.

Balta šviesa yra fotonų šviesos derinys su visais įmanomais bangos ilgiais. Matomame spektre raudonoji šviesa turi ilgiausią bangos ilgį, paskui oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė (ROYGBIV). Tai vaivorykštės spalvos, tačiau jas pamatysite tik iš trikampės prizmės.

Šviesai pereinant iš mažiau tankios į tankesnę terpę, kaip ir patekus į prizmę, ji skyla į komponentinius bangos ilgius. Jie rekombinuojasi, kai šviesa išeina iš prizmės, o jei du prizmės veidai yra lygiagretūs, stebėtojas mato, kaip atsiranda balta šviesa. Iš tikrųjų, atidžiau apžiūrėjus, matoma plona raudona linija ir plona violetinė. Jie įrodo šiek tiek skirtingus sklaidos kampus, atsiradusius dėl šviesos pluošto sulėtėjimo prizmės medžiagoje.

Kai prizmė yra trikampė, kritimo kampai, kai spindulys įeina ir išeina į prizmę, yra skirtingi, todėl lūžio kampai taip pat yra skirtingi. Laikydami prizmę tinkamu kampu, galite pamatyti spektrą, kurį sudaro atskirų bangos ilgių.

Skirtumas tarp krintančio pluošto kampo ir kylančio pluošto kampo vadinamas nukrypimo kampu. Šis kampas iš esmės yra nulis visiems bangos ilgiams, kai prizmė yra stačiakampė. Kai veidai nėra lygiagretūs, kiekvienas bangos ilgis atsiranda su jam būdingu nuokrypio kampu, o stebimos vaivorykštės juostos didėja, didėjant atstumui nuo prizmės.

Be abejo, matėte vaivorykštę ir jums gali kilti klausimas, kodėl jas galite pamatyti tik tada, kai saulė yra už jūsų ir esate tam tikru kampu į debesis ar lietaus dušą. Šviesa lūžta vandens lašelyje, tačiau jei visa tai būtų istorija, vanduo būtų buvęs tarp jūsų ir saulės, o paprastai taip nėra.

Skirtingai nuo prizmių, vandens lašeliai yra apvalūs. Krintanti saulės šviesa lūžta oro / vandens sąsajoje, o kai kurios jos keliauja ir išlenda iš kitos pusės, tačiau tai nėra ta šviesa, kuri sukuria vaivorykštes. Dalis šviesos atsispindi vandens lašelio viduje ir išeina iš tos pačios lašelio pusės. Tai šviesa, kuri sukuria vaivorykštę.

Saulės šviesa turi trajektoriją žemyn. Šviesa gali išeiti iš bet kurios lietaus lašo dalies, tačiau didžiausios koncentracijos nuokrypio kampas yra apie 40 laipsnių. Lašelių kolekcija, iš kurios šiuo konkrečiu kampu atsiranda šviesa, danguje suformuoja apvalų lanką. Jei iš lėktuvo galėtumėte pamatyti vaivorykštę, galėtumėte pamatyti visą ratą, tačiau nuo žemės pusė apskritimo yra nukirsta ir matote tik tipišką pusapvalį lanką.