Natura światła była głównym przedmiotem kontrowersji w nauce w XVII wieku, a pryzmaty znajdowały się w centrum burzy. Niektórzy naukowcy wierzyli, że światło jest zjawiskiem falowym, a niektórzy sądzili, że jest to cząsteczka. Angielski fizyk i matematyk Sir Isaac Newton był w byłym obozie – prawdopodobnie jego liderem – podczas gdy holenderski filozof Christiaan Huygens stał na czele opozycji.
Kontrowersje doprowadziły w końcu do kompromisu, że światło jest zarówno falą, jak i cząstką. Takie zrozumienie nie było możliwe do czasu wprowadzenia teorii kwantowej w XX wieku i przez prawie 300 lat naukowcy kontynuowali przeprowadzanie eksperymentów, aby potwierdzić swój punkt widzenia. Jeden z najważniejszych zaangażowanych pryzmatów.
Fakt, że pryzmat rozprasza światło białe, tworząc widmo, można wyjaśnić zarówno teorią falową, jak i korpuskularną. Teraz, gdy naukowcy wiedzą, że światło w rzeczywistości składa się z cząstek o charakterystyce falowej zwanych fotonami, mają lepsze wyobrażenie o tym, co powoduje rozproszenie światła i okazuje się, że ma to więcej wspólnego z właściwościami falowymi niż korpuskularnymi te.
Załamanie i dyfrakcja, ponieważ światło jest falą
załamanie światłajest powodem, dla którego pryzmat rozprasza białe światło tworząc widmo. Refrakcja występuje, ponieważ światło porusza się wolniej w gęstym ośrodku, takim jak szkło, niż w powietrzu. Utworzenie widma, którego widzialnym składnikiem jest tęcza, jest możliwe, ponieważ białe światło jest faktycznie składa się z fotonów o całym zakresie długości fal, a każda długość fali załamuje się w innym kąt.
Dyfrakcja to zjawisko, które występuje, gdy światło przechodzi przez bardzo wąską szczelinę. Poszczególne fotony zachowują się jak fale wodne przechodzące przez wąski otwór w falochronie. Gdy fale przechodzą przez otwór, zaginają się na rogach i rozchodzą, a jeśli pozwolisz fale uderzające w ekran tworzą wzór jasnych i ciemnych linii zwany dyfrakcją wzór. Separacja linii jest funkcją kąta dyfrakcji, długości fali padającego światła i szerokości szczeliny.
Dyfrakcja jest wyraźnie zjawiskiem falowym, ale można wyjaśnić załamanie jako wynik propagacji cząstek, tak jak zrobił to Newton. Aby uzyskać dokładne wyobrażenie o tym, co się właściwie dzieje, musisz zrozumieć, czym właściwie jest światło i jak wchodzi w interakcję z medium, przez które się przemieszcza.
Pomyśl o świetle jako impulsach energii elektromagnetycznej
Gdyby światło było prawdziwą falą, potrzebowałoby ośrodka do przemieszczania się, a wszechświat musiałby być wypełniony upiorną substancją zwaną eterem, jak sądził Arystoteles. Eksperyment Michelsona-Morleya dowiódł jednak, że taki eter eterowy nie istnieje. Okazuje się, że właściwie nie jest to potrzebne do wyjaśnienia propagacji światła, mimo że światło czasami zachowuje się jak fala.
Światło to zjawisko elektromagnetyczne. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne i odwrotnie, a częstotliwość zmian tworzy impulsy, które tworzą wiązkę światła. Światło przemieszcza się ze stałą prędkością podczas podróży przez próżnię, ale podczas podróży przez ośrodek impulsy oddziałują z atomami w ośrodku i prędkość fali maleje.
Im gęstsze medium, tym wolniej porusza się wiązka. Stosunek prędkości incydentu (vja) i załamany (vR) światło jest stałą (n) nazywaną współczynnikiem załamania dla interfejsu:
n=\frac{v_I}{v_R}
Dlaczego pryzmat rozprasza białe światło, tworząc widmo
Kiedy wiązka światła uderza w interfejs między dwoma mediami, zmienia kierunek, a wielkość zmiany zależy od n. Jeśli kąt padania wynosiθja, a i kąt załamania wynosiθR, stosunek kątów wyrażony jest wzoremPrawo Snella:
n=\frac{\sin{\theta_R}}{\sin{\theta_I}}
Jest jeszcze jeden element układanki do rozważenia. Prędkość fali jest iloczynem jej częstotliwości i długości fali oraz częstotliwościfaświatła nie zmienia się, gdy przechodzi przez interfejs. Oznacza to, że długość fali musi się zmienić, aby zachować stosunek oznaczony przeznie. Światło o krótszej długości fali padającej jest załamywane pod większym kątem niż światło o większej długości fali.
Światło białe to połączenie światła fotonów o wszystkich możliwych długościach fal. W zakresie widzialnym najdłuższą falę ma światło czerwone, a następnie pomarańczowe, żółte, zielone, niebieskie, indygo i fioletowe (ROYGBIV). To są kolory tęczy, ale zobaczysz je tylko przez trójkątny pryzmat.
Co jest specjalnego w trójkątnym pryzmacie?
Kiedy światło przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości do bardziej gęstego, jak to ma miejsce, gdy wchodzi do pryzmatu, dzieli się na składowe długości fal. Łączą się one ponownie, gdy światło wychodzi z pryzmatu, a jeśli dwie powierzchnie pryzmatu są równoległe, obserwator widzi, jak wyłania się białe światło. Właściwie po bliższym przyjrzeniu się widać cienka czerwona linia i cienka fioletowa. Świadczą o nieco innych kątach dyspersji spowodowanych spowolnieniem wiązki światła w materiale pryzmatycznym.
Gdy pryzmat jest trójkątny, kąty padania wiązki wchodzącej i wychodzącej z pryzmatu są różne, więc kąty załamania są również różne. Trzymając pryzmat pod odpowiednim kątem, można zobaczyć widmo utworzone przez poszczególne długości fal.
Różnica między kątem wiązki padającej i wyłaniającej się nazywana jest kątem odchylenia. Kąt ten jest zasadniczo zerowy dla wszystkich długości fal, gdy pryzmat jest prostokątny. Gdy twarze nie są równoległe, każda długość fali pojawia się z charakterystycznym dla siebie kątem odchylenia, a pasma obserwowanej tęczy zwiększają swoją szerokość wraz ze wzrostem odległości od pryzmatu.
Kropelki wody mogą działać jak pryzmaty, tworząc tęczę
Bez wątpienia widziałeś tęczę i możesz się zastanawiać, dlaczego widzisz ją tylko wtedy, gdy słońce jest za tobą i jesteś pod określonym kątem do chmur lub deszczu. Światło załamuje się w kropli wody, ale gdyby to była cała historia, woda byłaby między tobą a słońcem, a to zwykle się nie dzieje.
W przeciwieństwie do pryzmatów krople wody są okrągłe. Padające światło słoneczne załamuje się na granicy powietrze/woda, a część z nich przechodzi i wychodzi z drugiej strony, ale to nie jest światło, które wytwarza tęcze. Część światła odbija się wewnątrz kropli wody i wychodzi z tej samej strony kropli. To światło wytwarza tęczę.
Światło słoneczne ma trajektorię w dół. Światło może wyjść z dowolnej części kropli deszczu, ale największe skupienie ma kąt odchylenia około 40 stopni. Zbiór kropelek, z których pada światło pod tym kątem, tworzy na niebie kolisty łuk. Gdybyś mógł zobaczyć tęczę z samolotu, byłbyś w stanie zobaczyć pełne koło, ale z ziemi połowa koła jest odcięta i widzisz tylko typowy półokrągły łuk.