Povaha svetla bola vo vedách hlavným kontroverzným prejavom v 1600-tych rokoch a hranoly boli v strede búrky. Niektorí vedci verili, že svetlo je vlnový jav a niekto si myslel, že ide o časticu. Anglický fyzik a matematik Sir Isaac Newton bol v bývalom tábore - pravdepodobne jeho vodca -, zatiaľ čo holandský filozof Christiaan Huygens stál v čele opozície.
Táto polemika nakoniec vyústila do kompromisu, že svetlo je vlna aj častica. Toto pochopenie bolo možné až po zavedení kvantovej teórie v 20. rokoch 20. storočia a takmer 300 rokov vedci pokračovali v experimentoch, aby potvrdili svoj názor. Jeden z najdôležitejších zahrnutých hranolov.
Skutočnosť, že hranol rozptyľuje biele svetlo tvoriace spektrum, sa dala vysvetliť vlnovou aj korpuskulárnou teóriou. Teraz, keď vedci vedia, že svetlo je v skutočnosti zložené z častíc s vlnovými charakteristikami nazývanými fotóny, majú ich lepšia predstava o tom, čo spôsobuje rozptyl svetla, a ukázalo sa, že to má viac spoločné s vlnovými vlastnosťami ako s korpuskulárnym tie.
Lom a difrakcia sa vyskytujú, pretože svetlo je vlna
Thelom svetlaje dôvod, prečo hranol rozptyľuje biele svetlo tvoriace spektrum. K lomu dochádza, pretože svetlo sa pohybuje pomalšie v hustom médiu, napríklad v skle, ako vo vzduchu. Vytvorenie spektra, ktorého viditeľnou zložkou je dúha, je možné, pretože je to biele svetlo v skutočnosti sa skladá z fotónov s celým rozsahom vlnových dĺžok a každá vlnová dĺžka sa láme pri inej uhol.
Difrakcia je jav, ktorý nastáva, keď svetlo prechádza veľmi úzkou štrbinou. Jednotlivé fotóny sa správajú ako vodné vlny prechádzajúce úzkym otvorom v morskej stene. Keď vlny prechádzajú otvorom, ohýbajú sa okolo rohov a rozširujú sa, a ak to dovolíte vlny dopadajúce na obrazovku, vytvoria vzor svetlých a tmavých čiar nazývaných difrakcia vzor. Oddelenie čiar je funkciou difrakčného uhla, vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla a šírky štrbiny.
Difrakcia je zjavne vlnový jav, ale môžete vysvetliť lom v dôsledku šírenia častíc, ako to urobil Newton. Ak chcete získať presnú predstavu o tom, čo sa v skutočnosti deje, musíte pochopiť, čo to svetlo v skutočnosti je a ako interaguje s médiom, cez ktoré prechádza.
Predstavte si svetlo ako impulzy elektromagnetickej energie
Ak by svetlo bolo skutočnou vlnou, potrebovalo by médium, cez ktoré by mohlo cestovať, a vesmír by musel byť naplnený strašidelnou látkou zvanou éter, ako veril Aristoteles. Michelson-Morleyov experiment však dokázal, že taký éter éter neexistuje. Ukazuje sa, že v skutočnosti nie je potrebné vysvetľovať šírenie svetla, aj keď sa svetlo niekedy správa ako vlna.
Svetlo je elektromagnetický jav. Meniace sa elektrické pole vytvára magnetické pole a naopak a frekvencia zmien vytvára impulzy, ktoré tvoria lúč svetla. Svetlo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou pri prechode vákuom, ale pri prechode médiom pulzy interagujú s atómami v médiu a rýchlosť vlny klesá.
Čím je médium hustejšie, tým pomalšie lúč prechádza. Pomer rýchlostí incidentu (vJa) a lámané (vR) svetlo je konštanta (n), ktorá sa nazýva index lomu rozhrania:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Prečo hranol rozptyľuje biele svetlo tvoriace spektrum
Keď lúč svetla zasiahne rozhranie medzi dvoma médiami, zmení smer a veľkosť zmeny závisí od n. Ak je uhol dopaduθJa, a a uhol lomu jeθR, pomer uhlov je danýSnellov zákon:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Je tu ešte jeden kúsok puzzle, ktorý treba zvážiť. Rýchlosť vlny je súčinom jej frekvencie a jej vlnovej dĺžky a frekvenciefsvetla sa nemení, keď prechádza rozhraním. To znamená, že vlnová dĺžka sa musí meniť, aby sa zachoval pomer označený akon. Svetlo s kratšou dopadajúcou vlnovou dĺžkou sa láme pod väčším uhlom ako svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou.
Biele svetlo je kombináciou svetla fotónov so všetkými možnými vlnovými dĺžkami. Vo viditeľnom spektre má červené svetlo najdlhšiu vlnovú dĺžku, po ktorom nasleduje oranžové, žlté, zelené, modré, indigo a fialové svetlo (ROYGBIV). Toto sú farby dúhy, ale uvidíte ich iba z trojuholníkového hranola.
Čo je zvláštne na trojuholníkovom hranole?
Keď svetlo prechádza z menej hustého do hustejšieho média, ako to robí pri vstupe do hranola, štiepi sa na jednotlivé zložky vlnových dĺžok. Tieto sa znovu spájajú, keď svetlo vychádza z hranola, a ak sú dve plochy hranolu rovnobežné, pozorovateľ vidí, ako vychádzajú biele svetlo. V skutočnosti je pri bližšom pohľade viditeľná tenká červená čiara a tenká fialová čiara. Sú dôkazom mierne odlišných uhlov rozptylu spôsobených spomalením svetelného lúča v hranolovom materiáli.
Keď je hranol trojuholníkový, uhly dopadu pri vstupe a výstupe lúča z hranola sa líšia, takže aj uhly lomu sa líšia. Keď držíte hranol v správnom uhle, môžete vidieť spektrum tvorené jednotlivými vlnovými dĺžkami.
Rozdiel medzi uhlom dopadajúceho lúča a uhlom vznikajúceho lúča sa nazýva uhol odchýlky. Ak je hranol obdĺžnikový, je tento uhol v podstate nulový pre všetky vlnové dĺžky. Keď tváre nie sú rovnobežné, každá vlnová dĺžka vychádza s vlastným charakteristickým uhlom odchýlky a pásy pozorovanej dúhy sa zväčšujú v šírke s rastúcou vzdialenosťou od hranola.
Kvapky vody môžu pôsobiť ako hranoly a vytvárať dúhu
Dúhu ste nepochybne videli a možno sa pýtate, prečo ich vidíte iba vtedy, keď je slnko za vami a ste v určitom uhle k oblakom alebo k dažďovej sprche. Svetlo sa láme vo vnútri vodnej kvapky, ale ak by to bol celý príbeh, voda by bola medzi vami a slnkom, a to sa zvyčajne nestáva.
Na rozdiel od hranolov sú kvapky vody okrúhle. Dopadajúce slnečné svetlo sa láme na rozhraní vzduch / voda. Niektoré z nich skutočne cestujú a vychádzajú z druhej strany, ale to nie je svetlo, ktoré produkuje dúhy. Časť svetla sa odráža vo vnútri vodnej kvapky a vystupuje z rovnakej strany kvapky. To je svetlo, ktoré produkuje dúhu.
Svetlo zo slnka má trajektóriu smerom nadol. Svetlo môže vychádzať z ktorejkoľvek časti dažďovej kvapky, ale najväčšia koncentrácia má uhol odchýlky asi 40 stupňov. Súbor kvapiek, z ktorých vychádza svetlo pod týmto konkrétnym uhlom, vytvára na oblohe kruhový oblúk. Keby ste boli schopní vidieť dúhu z lietadla, videli by ste celý kruh, ale zo zeme je polovica kruhu odrezaná a vidíte iba typický polkruhový oblúk.
