Природа света вызвала серьезные разногласия в науках 1600-х годов, и призмы были в центре шторма. Некоторые ученые полагали, что свет - это волновое явление, а некоторые думали, что это частица. Английский физик и математик сэр Исаак Ньютон был в бывшем лагере - возможно, его лидером - в то время как голландский философ Христиан Гюйгенс возглавил оппозицию.
Споры в конечном итоге привели к компромиссу, согласно которому свет - это одновременно волна и частица. Это понимание было невозможно до появления квантовой теории в 1900-х годах, и в течение почти 300 лет ученые продолжали проводить эксперименты, чтобы подтвердить свою точку зрения. Одна из самых важных призм.
Тот факт, что призма рассеивает белый свет, формируя спектр, можно объяснить как волновой, так и корпускулярной теорией. Теперь, когда ученые знают, что свет на самом деле состоит из частиц с волновыми характеристиками, называемыми фотонами, у них есть лучшее представление о том, что вызывает рассеивание света, и оказывается, что это больше связано с волновыми свойствами, чем с корпускулярными единицы.
Преломление и дифракция возникают потому, что свет - это волна
Впреломление светаэто причина, по которой призма рассеивает белый свет, образуя спектр. Преломление возникает из-за того, что свет распространяется медленнее в плотной среде, такой как стекло, чем в воздухе. Формирование спектра, видимым компонентом которого является радуга, возможно, потому что белый свет фактически состоит из фотонов с целым диапазоном длин волн, и каждая длина волны преломляется на разных угол.
Дифракция - это явление, которое возникает, когда свет проходит через очень узкую щель. Отдельные фотоны ведут себя как волны на воде, проходящие через узкое отверстие в дамбе. Когда волны проходят через отверстие, они загибаются за углы и распространяются, и если вы позволите волны, падающие на экран, они образуют узор из светлых и темных линий, называемый дифракцией шаблон. Разделение линий зависит от угла дифракции, длины волны падающего света и ширины щели.
Дифракция - это явно волновое явление, но вы можете объяснить преломление как результат распространения частиц, как это делал Ньютон. Чтобы получить точное представление о том, что на самом деле происходит, вам нужно понять, что такое свет на самом деле и как он взаимодействует со средой, через которую он распространяется.
Думайте о свете как о импульсах электромагнитной энергии
Если бы свет был настоящей волной, ему потребовалась бы среда, через которую он мог бы путешествовать, и вселенная должна была бы быть заполнена призрачной субстанцией, называемой эфиром, как считал Аристотель. Однако эксперимент Майкельсона-Морли доказал, что такого эфирного эфира не существует. Оказывается, на самом деле это не нужно для объяснения распространения света, хотя свет иногда ведет себя как волна.
Свет - это электромагнитное явление. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот, а частота изменений создает импульсы, которые образуют луч света. Свет распространяется с постоянной скоростью при прохождении через вакуум, но при движении через среду импульсы взаимодействуют с атомами в среде, и скорость волны уменьшается.
Чем плотнее среда, тем медленнее движется луч. Отношение скоростей падающих (vя) и преломленные (vр) свет - это константа (n), называемая показателем преломления границы раздела:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Почему призма рассеивает белый свет, формируя спектр
Когда луч света попадает на поверхность раздела между двумя средами, он меняет направление, и величина изменения зависит от n. Если угол паденияθя, а угол преломленияθр, отношение углов определяется выражениемЗакон Снеллиуса:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Есть еще один кусочек головоломки, который стоит рассмотреть. Скорость волны - это произведение ее частоты и длины волны, а частотажсвета не меняется при прохождении через интерфейс. Это означает, что длина волны должна измениться, чтобы сохранить соотношение, обозначенноеп. Свет с более короткой длиной волны преломляется под большим углом, чем свет с большей длиной волны.
Белый свет - это комбинация света фотонов со всеми возможными длинами волн. В видимом спектре наибольшую длину волны имеет красный свет, за ним идут оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый (ROYGBIV). Это цвета радуги, но вы увидите их только через треугольную призму.
Что особенного в треугольной призме?
Когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную, как это происходит при попадании в призму, он разделяется на составляющие его длины волн. Они рекомбинируют, когда свет выходит из призмы, и если две грани призмы параллельны, наблюдатель видит появление белого света. Собственно, при ближайшем рассмотрении видны тонкая красная линия и тонкая фиолетовая. Они свидетельствуют о несколько разных углах рассеивания, вызванных замедлением светового луча в материале призмы.
Когда призма имеет треугольную форму, углы падения луча на входе и выходе из призмы разные, поэтому углы преломления также разные. Когда вы держите призму под правильным углом, вы можете видеть спектр, образованный отдельными длинами волн.
Разница между углом падающего луча и выходящего луча называется углом отклонения. Этот угол практически равен нулю для всех длин волн, когда призма прямоугольная. Когда грани не параллельны, каждая длина волны проявляется со своим собственным характерным углом отклонения, и полосы наблюдаемой радуги увеличиваются в ширине с увеличением расстояния от призмы.
Капли воды могут действовать как призмы, образуя радугу
Вы, несомненно, видели радугу, и вам может быть интересно, почему вы можете видеть их только тогда, когда солнце находится позади вас, и вы находитесь под определенным углом к облакам или ливневому дождю. Свет действительно преломляется внутри капли воды, но если бы это было все, вода была бы между вами и солнцем, а это обычно не происходит.
В отличие от призм, капли воды имеют круглую форму. Падающий солнечный свет преломляется на границе раздела воздух / вода, и часть его действительно проходит и выходит с другой стороны, но это не тот свет, который производит радугу. Часть света отражается внутри капли воды и выходит с той же стороны капли. Это свет, который производит радугу.
Свет от солнца имеет нисходящую траекторию. Свет может выходить из любой части капли дождя, но наибольшая концентрация имеет угол отклонения около 40 градусов. Набор капель, из которых выходит свет под определенным углом, образует в небе дугу окружности. Если бы вы могли видеть радугу с самолета, вы бы увидели полный круг, но с земли половина круга обрезается, и вы видите только типичную полукруглую дугу.