O que causa a dispersão da luz branca?

A natureza da luz foi uma grande controvérsia nas ciências nos anos 1600, e os prismas estavam no centro da tempestade. Alguns cientistas acreditavam que a luz era um fenômeno ondulatório e outros pensavam que era uma partícula. O físico e matemático inglês Sir Isaac Newton estava no primeiro campo - indiscutivelmente seu líder - enquanto o filósofo holandês Christiaan Huygens encabeçava a oposição.

A controvérsia acabou resultando no acordo de que a luz é tanto uma onda quanto uma partícula. Esse entendimento não foi possível até a introdução da teoria quântica em 1900, e por quase 300 anos, os cientistas continuaram a realizar experimentos para confirmar seu ponto de vista. Um dos prismas envolvidos mais importantes.

O fato de um prisma dispersar luz branca formando um espectro pode ser explicado pela teoria ondulatória e corpuscular. Agora que os cientistas sabem que a luz é na verdade composta de partículas com características de onda chamadas fótons, eles têm uma ideia melhor do que causa a dispersão da luz, e acontece que tem mais a ver com propriedades de onda do que corpuscular uns.

Orefração da luzé a razão pela qual um prisma dispersa a luz branca formando um espectro. A refração ocorre porque a luz viaja mais lentamente em um meio denso, como o vidro, do que no ar. A formação de um espectro, do qual o arco-íris é o componente visível, é possível porque a luz branca é na verdade, composto de fótons com uma ampla gama de comprimentos de onda, e cada comprimento de onda refrata em um diferente ângulo.

A difração é um fenômeno que ocorre quando a luz passa por uma fenda muito estreita. Os fótons individuais se comportam como ondas de água passando por uma abertura estreita em um paredão. Conforme as ondas passam pela abertura, elas se dobram nos cantos e se espalham, e se você permitir que ondas para atingir uma tela, eles irão produzir um padrão de linhas claras e escuras chamado de difração padronizar. A separação da linha é função do ângulo de difração, do comprimento de onda da luz incidente e da largura da fenda.

A difração é claramente um fenômeno de onda, mas você pode explicar a refração como resultado da propagação de partículas, como Newton fez. Para ter uma ideia precisa do que realmente está acontecendo, você precisa entender o que a luz realmente é e como ela interage com o meio pelo qual viaja.

Se a luz fosse uma onda verdadeira, ela precisaria de um meio para viajar, e o universo teria de ser preenchido com uma substância fantasmagórica chamada éter, como acreditava Aristóteles. O experimento Michelson-Morley provou que não existe tal éter etérico, entretanto. Acontece que na verdade não é necessário explicar a propagação da luz, embora a luz às vezes se comporte como uma onda.

A luz é um fenômeno eletromagnético. Um campo elétrico mutável cria um campo magnético e vice-versa, e a frequência das mudanças cria os pulsos que formam um feixe de luz. A luz viaja a uma velocidade constante quando viaja através do vácuo, mas quando viaja através de um meio, os pulsos interagem com os átomos no meio, e a velocidade da onda diminui.

Quanto mais denso o meio, mais lento o feixe viaja. A razão das velocidades de incidente (v_eu) e refratado (v_R) a luz é uma constante (n) chamada de índice de refração para a interface:

Quando um feixe de luz atinge a interface entre dois meios, ele muda de direção e a quantidade de mudança depende de n. Se o ângulo de incidência forθ_eu, e o e o ângulo de refração éθ_R, a proporção dos ângulos é dada porLei de Snell​:

Há mais uma peça do quebra-cabeça a considerar. A velocidade de uma onda é um produto de sua frequência e seu comprimento de onda, e a frequênciafda luz não muda ao passar pela interface. Isso significa que o comprimento de onda deve mudar para preservar a proporção denotada porn. A luz com um comprimento de onda incidente mais curto é refratada em um ângulo maior do que a luz com um comprimento de onda mais longo.

A luz branca é uma combinação de luz de fótons com todos os comprimentos de onda possíveis. No espectro visível, a luz vermelha tem o comprimento de onda mais longo, seguida por laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta (ROYGBIV). Estas são as cores do arco-íris, mas você só as verá de um prisma triangular.

Quando a luz passa de um meio menos denso para um mais denso, como acontece quando entra em um prisma, ela se divide em seus comprimentos de onda componentes. Eles se recombinam quando a luz sai do prisma, e se as duas faces do prisma são paralelas, um observador vê a luz branca emergir. Na verdade, em uma inspeção mais próxima, uma linha vermelha fina e uma violeta fina são visíveis. Eles são evidências de ângulos ligeiramente diferentes de dispersão causados ​​pela desaceleração do feixe de luz no material do prisma.

Quando o prisma é triangular, os ângulos de incidência conforme o feixe entra e sai do prisma são diferentes, portanto, os ângulos de refração também são diferentes. Quando você segura o prisma no ângulo correto, pode ver o espectro formado pelos comprimentos de onda individuais.

A diferença entre o ângulo do feixe incidente e o do feixe emergente é chamada de ângulo de desvio. Esse ângulo é essencialmente zero para todos os comprimentos de onda quando o prisma é retangular. Quando as faces não são paralelas, cada comprimento de onda emerge com seu próprio ângulo de desvio característico, e as faixas do arco-íris observado aumentam de largura com o aumento da distância do prisma.

Sem dúvida, você viu um arco-íris e pode estar se perguntando por que só consegue vê-los quando o sol está atrás de você e você está em um ângulo específico em relação às nuvens ou a uma chuva. A luz refrata dentro de uma gota de água, mas se essa fosse a história toda, a água estaria entre você e o sol, e isso não é o que normalmente acontece.

Ao contrário dos prismas, as gotas de água são redondas. A luz solar incidente refrata na interface ar / água, e parte dela viaja e emerge do outro lado, mas essa não é a luz que produz arco-íris. Parte da luz reflete dentro da gota d'água e emerge do mesmo lado da gota. Essa é a luz que produz o arco-íris.

A luz do sol tem uma trajetória descendente. A luz pode sair de qualquer parte da gota de chuva, mas a maior concentração tem um ângulo de desvio de cerca de 40 graus. A coleção de gotículas das quais a luz emerge neste ângulo específico forma um arco circular no céu. Se você pudesse ver o arco-íris de um avião, seria capaz de ver um círculo completo, mas do solo metade do círculo é cortado e você só vê o arco semicircular típico.