ธรรมชาติของแสงเป็นการโต้เถียงกันครั้งใหญ่ในวิทยาศาสตร์ในช่วงทศวรรษ 1600 และปริซึมเป็นจุดศูนย์กลางของพายุ นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าแสงเป็นปรากฏการณ์คลื่น และบางคนคิดว่ามันเป็นอนุภาค นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ เซอร์ ไอแซก นิวตัน เคยอยู่ในค่ายเดิม – ซึ่งอาจเป็นผู้นำได้ – ในขณะที่นักปรัชญาชาวดัตช์ คริสเตียน ฮอยเกนส์ เป็นหัวหน้าฝ่ายค้าน
ความขัดแย้งในที่สุดส่งผลให้เกิดการประนีประนอมว่าแสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค ความเข้าใจนี้เป็นไปไม่ได้จนกว่าจะมีการแนะนำทฤษฎีควอนตัมในปี 1900 และเป็นเวลาเกือบ 300 ปีที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงทำการทดลองเพื่อยืนยันมุมมองของพวกเขา หนึ่งในปริซึมที่เกี่ยวข้องมากที่สุด
ความจริงที่ว่าปริซึมกระจายแสงสีขาวที่ก่อตัวเป็นสเปกตรัมสามารถอธิบายได้ทั้งจากทฤษฎีคลื่นและรูปร่าง ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์รู้แล้วว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคที่มีลักษณะคลื่นที่เรียกว่าโฟตอน พวกมันมี มีความคิดที่ดีกว่าว่าอะไรทำให้เกิดการกระจายของแสง และปรากฏว่าเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของคลื่นมากกว่า corpuscular คน
การหักเหและการเลี้ยวเบนเกิดขึ้นเนื่องจากแสงเป็นคลื่น
การหักเหของแสงเป็นสาเหตุที่ทำให้ปริซึมกระจายแสงสีขาวเป็นสเปกตรัม การหักเหเกิดขึ้นเนื่องจากแสงเดินทางได้ช้ากว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง เช่น แก้ว มากกว่าในอากาศ การก่อตัวของสเปกตรัมซึ่งมีรุ้งเป็นองค์ประกอบที่มองเห็นได้นั้นเป็นไปได้เพราะแสงสีขาวคือ ประกอบด้วยโฟตอนที่มีความยาวคลื่นเต็มช่วง และความยาวคลื่นแต่ละช่วงหักเหที่ต่างกัน มุม.
การเลี้ยวเบนเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงส่องผ่านช่องแคบที่แคบมาก โฟตอนแต่ละตัวมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นน้ำที่ไหลผ่านช่องแคบๆ ในกำแพงทะเล เมื่อคลื่นผ่านช่องเปิด คลื่นจะโค้งงอและแผ่ออก และหากคุณยอมให้ คลื่นกระทบหน้าจอ จะสร้างรูปแบบของเส้นแสงและความมืดที่เรียกว่าการเลี้ยวเบน รูปแบบ การแยกเส้นเป็นฟังก์ชันของมุมเลี้ยวเบน ความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ และความกว้างของรอยแยก
การเลี้ยวเบนเห็นได้ชัดว่าเป็นปรากฏการณ์คลื่น แต่คุณสามารถอธิบายการหักเหของแสงอันเป็นผลมาจากการแพร่กระจายของอนุภาคได้เช่นเดียวกับที่นิวตันทำ เพื่อให้ได้แนวคิดที่ถูกต้องเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริง คุณต้องเข้าใจว่าแสงคืออะไรและแสงโต้ตอบกับตัวกลางที่เดินทางอย่างไร
คิดว่าแสงเป็นพัลส์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า
หากแสงเป็นคลื่นที่แท้จริง มันจะต้องมีตัวกลางในการเคลื่อนที่ และจักรวาลจะต้องเต็มไปด้วยสสารแห่งวิญญาณที่เรียกว่าอีเธอร์ ตามที่อริสโตเติลเชื่อ การทดลองของ Michelson-Morley พิสูจน์ว่าไม่มีอีเทอร์อีเทอร์ดังกล่าวอยู่จริง ปรากฎว่าจริง ๆ แล้วไม่จำเป็นต้องอธิบายการแพร่กระจายของแสง แม้ว่าบางครั้งแสงจะทำตัวเป็นคลื่นก็ตาม
แสงเป็นปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็ก และในทางกลับกัน และความถี่ของการเปลี่ยนแปลงจะสร้างพัลส์ที่สร้างลำแสง แสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่เมื่อเดินทางผ่านสุญญากาศ แต่เมื่อเดินทางผ่านตัวกลาง พัลส์จะมีปฏิกิริยากับอะตอมในตัวกลาง และความเร็วของคลื่นจะลดลง
ยิ่งสื่อมีความหนาแน่นมากเท่าใด ลำแสงก็จะยิ่งเคลื่อนที่ช้าลงเท่านั้น อัตราส่วนความเร็วของเหตุการณ์ (vผม) และหักเห (vR) แสงเป็นค่าคงที่ (n) เรียกว่าดัชนีการหักเหของแสงสำหรับอินเทอร์เฟซ:
n=\frac{v_I}{v_R}
ทำไมปริซึมกระจายแสงสีขาวกลายเป็นสเปกตรัม White
เมื่อลำแสงกระทบส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางทั้งสอง มันจะเปลี่ยนทิศทาง และปริมาณของการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับ n ถ้ามุมตกกระทบคือθผมและ และ และ มุมหักเหคือθR, อัตราส่วนของมุมถูกกำหนดโดยกฎของสเนลล์:
n=\frac{\sin{\theta_R}}{\sin{\theta_I}}
มีอีกชิ้นปริศนาที่ต้องพิจารณา ความเร็วของคลื่นเป็นผลคูณของความถี่และความยาวคลื่นของมัน และความถี่ฉของแสงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อผ่านอินเทอร์เฟซ นั่นหมายความว่าความยาวคลื่นจะต้องเปลี่ยนเพื่อรักษาอัตราส่วนที่แสดงโดยน. แสงที่มีความยาวคลื่นตกกระทบน้อยกว่าจะหักเหที่มุมมากกว่าแสงที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า
แสงสีขาวคือการรวมกันของแสงโฟตอนกับความยาวคลื่นที่เป็นไปได้ทั้งหมด ในสเปกตรัมที่มองเห็น แสงสีแดงมีความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด รองลงมาคือสีส้ม สีเหลือง สีเขียว สีฟ้า สีคราม และสีม่วง (ROYGBIV) นี่คือสีของรุ้ง แต่คุณจะเห็นได้จากปริซึมสามเหลี่ยมเท่านั้น
มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับปริซึมสามเหลี่ยม?
เมื่อแสงผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า เช่นเดียวกับเมื่อเข้าสู่ปริซึม มันจะแยกออกเป็นความยาวคลื่นของส่วนประกอบ สิ่งเหล่านี้รวมตัวกันอีกครั้งเมื่อแสงออกจากปริซึม และหากใบหน้าปริซึมทั้งสองขนานกัน ผู้สังเกตจะเห็นแสงสีขาวปรากฏขึ้น ที่จริงแล้ว เมื่อตรวจสอบอย่างใกล้ชิด จะมองเห็นเส้นสีแดงบางๆ และเส้นสีม่วงบางๆ สิ่งเหล่านี้เป็นหลักฐานของมุมที่แตกต่างกันเล็กน้อยของการกระจายตัวที่เกิดจากการชะลอตัวของลำแสงในวัสดุปริซึม
เมื่อปริซึมเป็นรูปสามเหลี่ยม มุมตกกระทบเมื่อลำแสงเข้าและออกจากปริซึมจะต่างกัน ดังนั้นมุมการหักเหของแสงจึงแตกต่างกันด้วย เมื่อคุณถือปริซึมไว้ที่มุมที่เหมาะสม คุณจะเห็นสเปกตรัมที่เกิดจากความยาวคลื่นแต่ละช่วง
ความแตกต่างระหว่างมุมของลำแสงตกกระทบกับของลำแสงฉุกเฉินเรียกว่ามุมเบี่ยงเบน มุมนี้เป็นศูนย์สำหรับความยาวคลื่นทั้งหมดเมื่อปริซึมเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เมื่อใบหน้าไม่ขนานกัน ความยาวคลื่นแต่ละช่วงก็จะมีมุมเบี่ยงเบนลักษณะเฉพาะของมันเอง และแถบของรุ้งที่สังเกตพบจะเพิ่มความกว้างตามระยะห่างจากปริซึมที่เพิ่มขึ้น
หยดน้ำสามารถทำหน้าที่เหมือนปริซึมเพื่อสร้างสายรุ้ง
คุณไม่ต้องสงสัยเลยว่าเห็นรุ้งกินน้ำ และคุณอาจสงสัยว่าทำไมคุณจึงมองเห็นได้เฉพาะเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ข้างหลังคุณ และคุณอยู่ในมุมที่เจาะจงกับเมฆหรือฝนที่ตกโปรยปราย แสงหักเหในหยดน้ำ แต่ถ้านั่นคือเรื่องราวทั้งหมด น้ำจะอยู่ระหว่างคุณกับดวงอาทิตย์ และนั่นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นตามปกติ
หยดน้ำมีลักษณะกลมไม่เหมือนปริซึม แสงแดดที่ตกกระทบจะหักเหที่ส่วนติดต่อของอากาศ/น้ำ และบางส่วนก็เคลื่อนผ่านและโผล่ออกมาจากอีกด้านหนึ่ง แต่นั่นไม่ใช่แสงที่สร้างรุ้งกินน้ำ แสงบางส่วนสะท้อนแสงภายในหยดน้ำและโผล่ออกมาจากด้านเดียวกันของหยดน้ำ นั่นคือแสงที่สร้างรุ้งกินน้ำ
แสงจากดวงอาทิตย์มีวิถีโคจรลง แสงสามารถออกจากส่วนใดส่วนหนึ่งของน้ำฝนได้ แต่ความเข้มข้นสูงสุดจะมีมุมเบี่ยงเบนประมาณ 40 องศา กลุ่มของหยดน้ำที่แสงออกมาที่มุมนี้ทำให้เกิดส่วนโค้งเป็นวงกลมในท้องฟ้า หากคุณสามารถเห็นรุ้งกินน้ำจากเครื่องบิน คุณจะสามารถเห็นวงกลมทั้งหมด แต่จากพื้นดิน วงกลมครึ่งหนึ่งถูกตัดออก และคุณจะเห็นเพียงส่วนโค้งครึ่งวงกลมทั่วไปเท่านั้น
