Wat veroorzaakt de verspreiding van wit licht?

De aard van licht was een grote controverse in de wetenschappen in de jaren 1600, en prisma's vormden het middelpunt van de storm. Sommige wetenschappers geloofden dat licht een golfverschijnsel was, en sommigen dachten dat het een deeltje was. De Engelse fysicus en wiskundige Sir Isaac Newton zat in het voormalige kamp - misschien wel de leider ervan - terwijl de Nederlandse filosoof Christiaan Huygens de oppositie leidde.

De controverse resulteerde uiteindelijk in het compromis dat licht zowel een golf als een deeltje is. Dit begrip was niet mogelijk tot de introductie van de kwantumtheorie in de jaren 1900, en bijna 300 jaar lang bleven wetenschappers experimenten uitvoeren om hun standpunt te bevestigen. Een van de belangrijkste betrokken prisma's.

Het feit dat een prisma wit licht verspreidt en een spectrum vormt, kan worden verklaard door zowel de golf- als de corpusculaire theorie. Nu wetenschappers weten dat licht eigenlijk bestaat uit deeltjes met golfkarakteristieken die fotonen worden genoemd, hebben ze een beter idee van wat lichtverstrooiing veroorzaakt, en het blijkt dat het meer te maken heeft met golfeigenschappen dan met corpusculaire degenen.

Debreking van lichtis de reden waarom een ​​prisma wit licht verspreidt en een spectrum vormt. Breking treedt op omdat licht langzamer reist in een dicht medium, zoals glas, dan in lucht. De vorming van een spectrum, waarvan de regenboog de zichtbare component is, is mogelijk omdat wit licht is eigenlijk samengesteld uit fotonen met een hele reeks golflengten, en elke golflengte breekt op een andere hoek.

Diffractie is een fenomeen dat optreedt wanneer licht door een zeer smalle spleet gaat. De afzonderlijke fotonen gedragen zich als watergolven die door een nauwe opening in een zeewering gaan. Als de golven door de opening gaan, buigen ze om de hoeken en verspreiden zich, en als je de you golven om een ​​scherm te raken, produceren ze een patroon van lichte en donkere lijnen, diffractie genaamd patroon. De lijnscheiding is een functie van de diffractiehoek, de golflengte van het invallende licht en de breedte van de spleet.

Diffractie is duidelijk een golfverschijnsel, maar je kunt breking verklaren als gevolg van de voortplanting van deeltjes, zoals Newton deed. Om een ​​nauwkeurig idee te krijgen van wat er werkelijk gebeurt, moet je begrijpen wat licht eigenlijk is en hoe het interageert met het medium waardoor het reist.

Als licht een echte golf zou zijn, zou het een medium nodig hebben om doorheen te reizen, en het universum zou gevuld moeten zijn met een spookachtige substantie die de ether wordt genoemd, zoals Aristoteles geloofde. Het Michelson-Morley-experiment bewees echter dat zo'n etherether niet bestaat. Het blijkt dat het eigenlijk niet nodig is om lichtvoortplanting te verklaren, ook al gedraagt ​​licht zich soms als een golf.

Licht is een elektromagnetisch fenomeen. Een veranderend elektrisch veld creëert een magnetisch veld en vice versa, en de frequentie van de veranderingen creëert de pulsen die een lichtstraal vormen. Licht reist met een constante snelheid wanneer het door een vacuüm reist, maar wanneer het door een medium reist, werken de pulsen samen met de atomen in het medium en neemt de snelheid van de golf af.

Hoe dichter het medium, hoe langzamer de straal reist. De verhouding van snelheden van incident (v_ik) en gebroken (v_R) licht is een constante (n) die de brekingsindex voor de interface wordt genoemd:

Wanneer een lichtstraal de interface tussen twee media raakt, verandert deze van richting en de hoeveelheid verandering is afhankelijk van n. Als de invalshoek isθ_ik, en de en de brekingshoek isθ_R, de verhouding van hoeken wordt gegeven doorWet van Snell​:

Er is nog een puzzelstukje om over na te denken. De snelheid van een golf is een product van de frequentie en de golflengte, en de frequentiefvan het licht verandert niet als het de interface passeert. Dat betekent dat de golflengte moet veranderen om de verhouding te behouden die wordt aangegeven metnee. Licht met een kortere invallende golflengte wordt onder een grotere hoek gebroken dan licht met een langere golflengte.

Wit licht is een combinatie van licht van fotonen met alle mogelijke golflengten. In het zichtbare spectrum heeft rood licht de langste golflengte, gevolgd door oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet (ROYGBIV). Dit zijn de kleuren van de regenboog, maar je ziet ze alleen vanuit een driehoekig prisma.

Wanneer licht van een minder dicht naar een meer dicht medium gaat, zoals wanneer het een prisma binnengaat, splitst het zich in zijn samenstellende golflengten. Deze recombineren wanneer het licht het prisma verlaat, en als de twee prismavlakken evenwijdig zijn, ziet een waarnemer wit licht verschijnen. Bij nader inzien zijn er eigenlijk een dunne rode lijn en een dunne violette lijn zichtbaar. Ze zijn het bewijs van enigszins verschillende spreidingshoeken die worden veroorzaakt door de vertraging van de lichtstraal in het prismamateriaal.

Wanneer het prisma driehoekig is, zijn de invalshoeken wanneer de bundel het prisma binnenkomt en verlaat verschillend, dus de brekingshoeken zijn ook verschillend. Als je het prisma in de juiste hoek houdt, kun je het spectrum zien dat wordt gevormd door de individuele golflengten.

Het verschil tussen de hoek van de invallende bundel en die van de uittredende bundel wordt de afwijkingshoek genoemd. Deze hoek is in wezen nul voor alle golflengten wanneer het prisma rechthoekig is. Wanneer de vlakken niet evenwijdig zijn, komt elke golflengte naar voren met zijn eigen karakteristieke afwijkingshoek, en de banden van de waargenomen regenboog nemen in breedte toe met toenemende afstand tot het prisma.

Je hebt ongetwijfeld een regenboog gezien, en je vraagt ​​je misschien af ​​waarom je ze alleen kunt zien als de zon achter je staat en je in een bepaalde hoek staat met de wolken of een regenbui. Licht breekt wel in een waterdruppel, maar als dat het hele verhaal was, zou het water tussen jou en de zon zijn geweest, en dat is niet wat er normaal gesproken gebeurt.

In tegenstelling tot prisma's zijn waterdruppels rond. Invallend zonlicht breekt op het grensvlak lucht/water, en een deel ervan reist er doorheen en komt aan de andere kant weer tevoorschijn, maar dat is niet het licht dat regenbogen produceert. Een deel van het licht reflecteert in de waterdruppel en komt uit dezelfde kant van de druppel. Dat is het licht dat de regenboog produceert.

Het licht van de zon heeft een neerwaartse baan. Licht kan uit elk deel van de regendruppel komen, maar de grootste concentratie heeft een afwijkingshoek van ongeveer 40 graden. De verzameling druppeltjes waaruit licht onder deze bepaalde hoek naar buiten komt, vormt een cirkelvormige boog in de lucht. Als je de regenboog vanuit een vliegtuig zou kunnen zien, zou je een volledige cirkel kunnen zien, maar vanaf de grond is de halve cirkel afgesneden en zie je alleen de typische halfronde boog.