Ljusets natur var en stor kontrovers i vetenskapen på 1600-talet, och prismerna låg i centrum av stormen. Vissa forskare trodde att ljus var ett vågfenomen, och andra tyckte att det var en partikel. Den engelska fysikern och matematikern Sir Isaac Newton var i det tidigare lägret - förmodligen dess ledare - medan den holländska filosofen Christiaan Huygens ledde oppositionen.
Kontroversen resulterade så småningom i kompromissen att ljus är både en våg och en partikel. Denna förståelse var inte möjlig förrän introduktionen av kvantteori på 1900-talet, och i nästan 300 år fortsatte forskare att utföra experiment för att bekräfta deras synvinkel. En av de viktigaste inblandade prismerna.
Det faktum att ett prisma sprider vitt ljus som bildar ett spektrum kan förklaras av både våg- och korpuskulär teori. Nu när forskare vet att ljus faktiskt består av partiklar med vågegenskaper som kallas fotoner, har de det en bättre uppfattning om vad som orsakar ljusspridning, och det visar sig att det har mer att göra med vågegenskaper än korpuskulärt de.
Brytning och diffraktion uppstår eftersom ljus är en våg
Debrytning av ljusär anledningen till att ett prisma sprider vitt ljus som bildar ett spektrum. Refraktion inträffar eftersom ljuset rör sig långsammare i ett tätt medium, såsom glas, än det gör i luften. Bildandet av ett spektrum, av vilket regnbågen är den synliga komponenten, är möjlig eftersom vitt ljus är det faktiskt sammansatt av fotoner med en hel rad våglängder, och varje våglängd bryts olika vinkel.
Diffraktion är ett fenomen som uppstår när ljus passerar genom en mycket smal slits. De enskilda fotonerna beter sig som vattenvågor som passerar genom en smal öppning i en sjövägg. När vågorna passerar genom öppningen böjer de sig runt hörnen och sprider sig, och om du tillåter vågor för att träffa en skärm, kommer de att producera ett mönster av ljusa och mörka linjer som kallas diffraktion mönster. Linjeseparationen är en funktion av diffraktionsvinkeln, våglängden för det infallande ljuset och slitsens bredd.
Diffraktion är helt klart ett vågfenomen, men du kan förklara brytning som ett resultat av förökning av partiklar, som Newton gjorde. För att få en exakt uppfattning om vad som faktiskt händer måste du förstå vad ljuset faktiskt är och hur det interagerar med mediet genom vilket det färdas.
Tänk på ljus som pulser av elektromagnetisk energi
Om ljuset var en riktig våg skulle det behöva ett medium för att färdas, och universum måste fyllas med ett spökliknande ämne som kallas etern, som Aristoteles trodde. Michelson-Morley-experimentet visade dock att det inte finns någon sådan etereter. Det visar sig att det faktiskt inte behövs för att förklara ljusutbredning, även om ljus ibland beter sig som en våg.
Ljus är ett elektromagnetiskt fenomen. Ett förändrat elektriskt fält skapar ett magnetfält, och vice versa, och förändringarnas frekvens skapar pulserna som bildar en ljusstråle. Ljus rör sig med konstant hastighet när man reser genom ett vakuum, men när man reser genom ett medium interagerar pulserna med atomerna i mediet och vågens hastighet minskar.
Ju tätare mediet är, desto långsammare strålar det. Förhållandet mellan hastigheter för infall (vJag) och bryts (vR) ljus är en konstant (n) som kallas brytningsindex för gränssnittet:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Varför ett prisma sprider vitt ljus som bildar ett spektrum
När en ljusstråle träffar gränssnittet mellan två medier ändrar den riktning och mängden förändring är beroende av n. Om infallsvinkeln ärθJag, och brytningsvinkeln ärθR, förhållandet mellan vinklar ges avSnells lag:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Det finns ytterligare en pusselbit att tänka på. En vågs hastighet är en produkt av dess frekvens och dess våglängd och frekvensenfljuset ändras inte när det passerar gränssnittet. Det betyder att våglängden måste ändras för att bevara det förhållande som betecknas medn. Ljus med en kortare infallande våglängd bryts vid en större vinkel än ljus med en längre våglängd.
Vitt ljus är en kombination av ljus från fotoner med alla möjliga våglängder. I det synliga spektrumet har rött ljus den längsta våglängden, följt av orange, gul, grön, blå, indigo och violett (ROYGBIV). Dessa är regnbågens färger, men du ser dem bara från ett triangulärt prisma.
Vad är speciellt med ett triangulärt prisma?
När ljus passerar från ett mindre tätt till ett tätare medium, som det gör när det går in i ett prisma, delas det i dess komponent våglängder. Dessa rekombineras när ljuset går ut ur prisma, och om de två prismaansikten är parallella, ser en observatör att vitt ljus dyka upp. Egentligen vid närmare granskning syns en tunn röd linje och en tunn violett. De är bevis på lite olika spridningsvinklar som orsakas av att ljusstrålen saktar ner i prismamaterialet.
När prisma är triangulärt är infallsvinklarna när strålen kommer in och lämnar prisma olika, så brytningsvinklarna är också olika. När du håller prismaet i rätt vinkel kan du se det spektrum som bildas av de enskilda våglängderna.
Skillnaden mellan vinkeln på den infallande strålen och den framväxande strålen kallas avvikelsevinkel. Denna vinkel är i princip noll för alla våglängder när prisma är rektangulärt. När ansiktena inte är parallella dyker varje våglängd ut med sin egen karaktäristiska avvikelse, och den observerade regnbågens band ökar i bredd med ökande avstånd från prisma.
Vattendroppar kan fungera som prismer för att bilda en regnbåge
Du har utan tvekan sett en regnbåge och du kanske undrar varför du bara kan se dem när solen är bakom dig och du är i en viss vinkel mot molnen eller en regndusch. Ljus bryts inuti en vattendroppe, men om det var hela historien skulle vattnet ha varit mellan dig och solen, och det är inte det som vanligtvis händer.
Till skillnad från prismer är vattendroppar runda. Incidentellt solljus bryts vid luft / vatten-gränssnittet, och en del av det rör sig genom och dyker upp från andra sidan, men det är inte ljuset som ger regnbågar. En del av ljuset reflekteras inuti vattendroppen och dyker upp från samma sida av droppen. Det är ljuset som producerar regnbågen.
Ljuset från solen har en nedåtgående bana. Ljus kan komma ut från vilken del av regndroppen som helst, men den största koncentrationen har en avvikelsevinkel på cirka 40 grader. Samlingen av droppar från vilka ljus dyker upp i denna speciella vinkel bildar en cirkelbåge på himlen. Om du kunde se regnbågen från ett flygplan skulle du kunna se en hel cirkel, men från marken är halva cirkeln avskuren och du ser bara den typiska halvcirkelbågen.