Lysets natur var en stor kontrovers i vitenskapene på 1600-tallet, og prismer var midt i stormen. Noen forskere mente at lys var et bølgefenomen, og noen trodde det var en partikkel. Den engelske fysikeren og matematikeren Sir Isaac Newton var i den tidligere leiren - uten tvil dens leder - mens den nederlandske filosofen Christiaan Huygens ledet opposisjonen.
Kontroversen resulterte til slutt i kompromisset om at lys både er en bølge og en partikkel. Denne forståelsen var ikke mulig før introduksjonen av kvanteteori på 1900-tallet, og i nesten 300 år fortsatte forskere å utføre eksperimenter for å bekrefte deres synspunkt. En av de viktigste involverte prismer.
Det faktum at et prisme sprer hvitt lys som danner et spektrum, kan forklares med både bølge- og korpuskulær teori. Nå som forskere vet at lys faktisk er sammensatt av partikler med bølgefunksjoner som kalles fotoner, har de det en bedre ide om hva som forårsaker lysdispersjon, og det viser seg at det har mer å gjøre med bølgeegenskaper enn korpuskulær de.
Bryting og diffraksjon oppstår fordi lys er en bølge
Delysbrytninger grunnen til at et prisme sprer hvitt lys og danner et spektrum. Brekning oppstår fordi lys beveger seg saktere i et tett medium, for eksempel glass, enn det gjør i luft. Dannelsen av et spektrum, som regnbuen er den synlige komponenten av, er mulig fordi hvitt lys er faktisk sammensatt av fotoner med et bredt spekter av bølgelengder, og hver bølgelengde bryter med forskjellige vinkel.
Diffraksjon er et fenomen som oppstår når lys passerer gjennom en veldig smal spalte. De enkelte fotonene oppfører seg som vannbølger som passerer gjennom en smal åpning i en havvegg. Når bølgene passerer gjennom åpningen, bøyer de seg rundt hjørnene og sprer seg, og hvis du tillater det bølger for å treffe en skjerm, vil de produsere et mønster av lyse og mørke linjer som kalles diffraksjon mønster. Linjeseparasjonen er en funksjon av diffraksjonsvinkelen, bølgelengden til det innfallende lyset og spaltenes bredde.
Diffraksjon er helt klart et bølgefenomen, men du kan forklare brytning som et resultat av forplantning av partikler, slik Newton gjorde. For å få en nøyaktig ide om hva som faktisk skjer, må du forstå hva lys faktisk er og hvordan det samhandler med mediet det beveger seg gjennom.
Tenk på lys som pulser av elektromagnetisk energi
Hvis lyset var en sann bølge, ville det trenge et medium å reise gjennom, og universet måtte fylles med et spøkelsesaktig stoff som kalles eteren, slik Aristoteles mente. Michelson-Morley-eksperimentet viste imidlertid at det ikke eksisterer en slik etereter. Det viser seg at det faktisk ikke er nødvendig å forklare lysutbredelse, selv om lys noen ganger oppfører seg som en bølge.
Lys er et elektromagnetisk fenomen. Et skiftende elektrisk felt skaper et magnetfelt, og omvendt, og frekvensen av endringene skaper pulser som danner en lysstråle. Lys beveger seg med konstant hastighet når det beveges gjennom et vakuum, men når det beveger seg gjennom et medium, påvirker pulser med atomene i mediet, og hastigheten på bølgen avtar.
Jo tettere mediet er, desto langsommere beveger strålen seg. Forholdet mellom hastigheter for hendelsen (vJeg) og brytet (vR) lys er en konstant (n) kalt brytningsindeks for grensesnittet:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Hvorfor et prisme sprer hvitt lys som danner et spektrum
Når en lysstråle treffer grensesnittet mellom to medier, endrer den retning, og endringsmengden er avhengig av n. Hvis innfallsvinkelen erθJeg, og brytningsvinkelen erθR, er forholdet mellom vinkler gitt avSnells lov:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Det er en puslespillbit å vurdere. Hastigheten til en bølge er et produkt av frekvensen og bølgelengden og frekvensenfav lyset endres ikke når det passerer grensesnittet. Det betyr at bølgelengden må endres for å bevare forholdet betegnet medn. Lys med kortere innfallende bølgelengde brytes i større vinkel enn lys med lengre bølgelengde.
Hvitt lys er en kombinasjon av lys av fotoner med alle mulige bølgelengder. I det synlige spekteret har rødt lys den lengste bølgelengden, etterfulgt av oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett (ROYGBIV). Dette er regnbuens farger, men du vil bare se dem fra et trekantet prisme.
Hva er spesielt med et trekantet prisme?
Når lys går fra et mindre tett til et tettere medium, som det gjør når det kommer inn i et prisme, deler det seg i komponentens bølgelengder. Disse rekombineres når lyset kommer ut fra prismen, og hvis de to prismeoverflatene er parallelle, ser en observatør hvitt lys komme frem. Egentlig, ved nærmere ettersyn, er en tynn rød linje og en tynn fiolett en synlig. De er bevis på litt forskjellige spredningsvinkler forårsaket av bremsing av lysstrålen i prisme-materialet.
Når prismen er trekantet, er innfallsvinklene forskjellige når bjelken kommer inn og ut av prismen, så brytningsvinklene er også forskjellige. Når du holder prismen i riktig vinkel, kan du se spekteret som dannes av de enkelte bølgelengdene.
Forskjellen mellom vinkelen på den innfallende strålen og den til den fremvoksende strålen kalles avviksvinkelen. Denne vinkelen er i det vesentlige null for alle bølgelengder når prismen er rektangulær. Når ansiktene ikke er parallelle, kommer hver bølgelengde ut med sin egen karakteristiske avviksvinkel, og båndene til den observerte regnbuen øker i bredden med økende avstand fra prismen.
Vanndråper kan fungere som prismer for å danne en regnbue
Du har uten tvil sett en regnbue, og du lurer kanskje på hvorfor du bare kan se dem når solen er bak deg og du er i en bestemt vinkel mot skyene eller til en regndusj. Lys bryter inn i en vanndråpe, men hvis det var hele historien, ville vannet ha vært mellom deg og solen, og det er ikke det som vanligvis skjer.
I motsetning til prismer er vanndråper runde. Uhellende sollys brytes ved luft / vann-grensesnittet, og noe av det beveger seg gjennom og kommer ut fra andre siden, men det er ikke lyset som gir regnbuer. Noe av lyset reflekteres inne i vanndråpen og kommer ut fra samme side av dråpen. Det er lyset som produserer regnbuen.
Lyset fra solen har en nedadgående bane. Lys kan komme ut fra hvilken som helst del av regndråpen, men den største konsentrasjonen har en avviksvinkel på omtrent 40 grader. Samlingen av dråper som lys kommer ut fra i denne spesielle vinkelen, danner en sirkelbue på himmelen. Hvis du klarte å se regnbuen fra et fly, ville du kunne se en komplett sirkel, men fra bakken er halvparten av sirkelen kuttet av, og du ser bare den typiske halvcirkelbuen.