Narava svetlobe je bila glavna spornost v znanosti v 1600-ih, prizme pa so bile v središču nevihte. Nekateri znanstveniki so verjeli, da je svetloba valni pojav, nekateri pa delci. V nekdanjem taborišču je bil angleški fizik in matematik Sir Isaac Newton - verjetno njegov vodja -, medtem ko je nizozemski filozof Christiaan Huygens vodil opozicijo.
Spor je na koncu privedel do kompromisa, da je svetloba hkrati val in delec. To razumevanje ni bilo mogoče do uvedbe kvantne teorije v 19. stoletju in skoraj 300 let so znanstveniki nadaljevali s poskusi, da bi potrdili svoje stališče. Ena najpomembnejših prizm.
Dejstvo, da prizma razprši belo svetlobo, ki tvori spekter, bi lahko razložili tako z valovno kot s korpuskularno teorijo. Zdaj, ko znanstveniki vedo, da je svetloba dejansko sestavljena iz delcev z valovnimi značilnostmi, imenovanimi fotoni, jih imajo boljša ideja o tem, kaj povzroča razpršitev svetlobe, in izkazalo se je, da je to bolj povezano z lastnostmi valov kot pa s telesom tistih.
Lom in difrakcija se pojavita, ker je svetloba val
Thelom svetlobeje razlog, da prizma razprši belo svetlobo in tvori spekter. Do loma pride, ker svetloba v gostem mediju, kot je steklo, potuje počasneje kot v zraku. Nastanek spektra, katerega mavrica je vidna komponenta, je mogoč, ker je bela svetloba dejansko sestavljen iz fotonov s celo vrsto valovnih dolžin in vsaka valovna dolžina se lomi pri drugačni kota.
Difrakcija je pojav, ki se pojavi, ko svetloba prehaja skozi zelo ozko režo. Posamezni fotoni se obnašajo kot vodni valovi, ki prehajajo skozi ozko odprtino v morskem zidu. Ko valovi prehajajo skozi odprtino, se upognejo okoli vogalov in se razširijo, in če dovolite valovi, ki udarijo na zaslon, bodo ustvarili vzorec svetlih in temnih črt, imenovan difrakcija vzorec. Ločevanje črt je funkcija kota difrakcije, valovne dolžine vpadajoče svetlobe in širine reže.
Difrakcija je očitno valovni pojav, vendar lomljenje lahko razložite kot rezultat širjenja delcev, kot je to storil Newton. Da bi dobili natančno predstavo o tem, kaj se dejansko dogaja, morate razumeti, kaj pravzaprav je svetloba in kako deluje z medijem, skozi katerega potuje.
Mislite na svetlobo kot na impulze elektromagnetne energije
Če bi bila svetloba pravi val, bi potrebovala medij, skozi katerega bi lahko potovala, vesolje pa bi moralo biti napolnjeno z duhovno snovjo, imenovano eter, kot je verjel Aristotel. Poskus Michelson-Morley je dokazal, da tak eter eter ne obstaja. Izkazalo se je, da dejansko ni treba razlagati širjenja svetlobe, čeprav se svetloba včasih obnaša kot val.
Svetloba je elektromagnetni pojav. Spreminjajoče se električno polje ustvarja magnetno polje in obratno, frekvenca sprememb pa impulze, ki tvorijo svetlobni žarek. Med potovanjem skozi vakuum svetloba potuje s konstantno hitrostjo, med potovanjem skozi medij pa impulzi komunicirajo z atomi v mediju in hitrost vala se zmanjša.
Čim gostejši je medij, počasneje potuje žarek. Razmerje hitrosti incidenta (vjaz) in lomljen (vR) svetloba je konstanta (n), ki se imenuje indeks loma za vmesnik:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Zakaj prizma razprši belo svetlobo, ki tvori spekter
Ko žarek svetlobe udari v vmesnik med dvema medijema, spremeni smer in količina spremembe je odvisna od n. Če je vpadni kotθjaz, in lomni kot jeθR, razmerje kotov je dano zSnelllov zakon:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Upoštevati je treba še eno sestavljanko. Hitrost vala je zmnožek njegove frekvence in valovne dolžine ter frekvencefsvetlobe se ne spremeni, ko prehaja vmesnik. To pomeni, da se mora valovna dolžina spremeniti, da se ohrani razmerje, označeno zn. Svetloba s krajšo vpadno valovno dolžino se lomi pod večjim kotom kot svetloba z daljšo valovno dolžino.
Bela svetloba je kombinacija svetlobe fotonov z vsemi možnimi valovnimi dolžinami. V vidnem spektru ima najdaljšo valovno dolžino rdeča svetloba, ki ji sledijo oranžna, rumena, zelena, modra, indigo in vijolična (ROYGBIV). To so mavrične barve, vendar jih boste videli le iz trikotne prizme.
Kaj je posebnega pri trikotni prizmi?
Ko svetloba prehaja iz manj gostega v bolj gost medij, tako kot pri vstopu v prizmo, se razdeli na svoje valovne dolžine. Ti se rekombinirajo, ko svetloba zapusti prizmo in če sta dve prizmini ploskvi vzporedni, opazovalec opazi, da prihaja bela svetloba. Pravzaprav sta ob natančnejšem pregledu vidni tanka rdeča črta in tanka vijolična. So dokaz nekoliko drugačnih kotov disperzije, ki jih povzroča upočasnitev svetlobnega žarka v prizmatičnem materialu.
Kadar je prizma trikotna, so vpadni koti, ko žarek vstopa in izstopa iz prizme, različni, zato so različni tudi lomni koti. Ko držite prizmo pod ustreznim kotom, lahko vidite spekter, ki ga tvorijo posamezne valovne dolžine.
Razlika med kotom padajočega in nastajajočega žarka se imenuje kot odklona. Ta kot je v bistvu nič za vse valovne dolžine, če je prizma pravokotna. Kadar obrazi niso vzporedni, se vsaka valovna dolžina pojavi s svojim značilnim kotom odklona, pasovi opazovane mavrice pa se povečujejo v širino z naraščajočo oddaljenostjo od prizme.
Kapljice vode lahko delujejo kot prizme in tvorijo mavrico
Mavrico ste nedvomno videli in morda se sprašujete, zakaj jih lahko vidite le, ko je sonce za vami in ste pod določenim kotom proti oblakom ali deževni plohi. Svetloba se v vodni kapljici lomi, toda če bi bila to celotna zgodba, bi bila voda med vami in soncem, kar pa se običajno ne zgodi.
Za razliko od prizm so kapljice vode okrogle. Naključna sončna svetloba se lomi na vmesniku zrak / voda, nekateri pa potujejo skozi in izstopajo z druge strani, vendar to ni svetloba, ki ustvarja mavrice. Nekaj svetlobe se odraža znotraj vodne kapljice in izhaja z iste strani kapljice. To je svetloba, ki ustvarja mavrico.
Sončna svetloba ima usmeritev navzdol. Svetloba lahko izstopi iz katerega koli dela dežne kaplje, toda največja koncentracija ima kot odklona približno 40 stopinj. Zbirka kapljic, iz katerih izhaja svetloba pod tem določenim kotom, tvori krožni lok na nebu. Če bi lahko videli mavrico z letala, bi lahko videli celoten krog, toda s tal je polovica kroga odrezana in vidite le tipičen polkrožni lok.