Природа світла була головною суперечкою в науці в 1600-х роках, і призми були в центрі шторму. Деякі вчені вважали, що світло є хвильовим явищем, а деякі - частинкою. Англійський фізик і математик сер Ісаак Ньютон перебував у колишньому таборі - можливо, його керівник - тоді як голландський філософ Крістіан Гюйгенс очолював опозицію.
Суперечка врешті-решт призвела до компромісу з тим, що світло - це і хвиля, і частинка. Це розуміння було неможливим до впровадження квантової теорії в 1900-х роках, і майже 300 років вчені продовжували проводити експерименти, щоб підтвердити свою точку зору. Одна з найважливіших призм.
Той факт, що призма розсіює біле світло, утворюючи спектр, можна пояснити як хвильовою, так і корпускулярною теорією. Тепер, коли вчені знають, що світло насправді складається з частинок з хвильовими характеристиками, які називаються фотонами, вони їх мають краще уявлення про те, що спричиняє дисперсію світла, і виявляється, що це більше пов’язано з властивостями хвиль, ніж корпускулярними ті.
Заломлення та дифракція трапляються через те, що світло - це хвиля
заломлення світлає причиною того, чому призма розсіює біле світло, утворюючи спектр. Заломлення відбувається тому, що світло рухається повільніше в щільному середовищі, такому як скло, ніж у повітрі. Утворення спектра, видимим компонентом якого є веселка, можливе, оскільки це біле світло насправді складається з фотонів із цілим діапазоном довжин хвиль, і кожна довжина хвилі заломлюється при різній кут.
Дифракція - явище, яке виникає, коли світло проходить через дуже вузьку щілину. Окремі фотони поводяться як водяні хвилі, що проходять через вузький отвір на морській стіні. Коли хвилі проходять через отвір, вони згинаються навколо кутів і поширюються, і якщо ви дозволяєте хвилі, щоб вразити екран, вони витворять візерунок світлих і темних ліній, який називається дифракцією візерунок. Поділ лінії є функцією кута дифракції, довжини хвилі падаючого світла та ширини щілини.
Дифракція - це явно хвильове явище, але ви можете пояснити рефракцію в результаті поширення частинок, як це зробив Ньютон. Щоб отримати точне уявлення про те, що насправді відбувається, потрібно зрозуміти, що насправді є світло і як воно взаємодіє із середовищем, через яке воно подорожує.
Подумайте про світло як про імпульси електромагнітної енергії
Якби світло було справжньою хвилею, йому було б потрібно середовище, через яке можна було б подорожувати, і Всесвіт повинен був би бути наповнений примарною речовиною, званою ефіром, як вважав Арістотель. Експеримент Майкельсона-Морлі довів, що такого ефірного ефіру не існує. Виявляється, насправді це не потрібно для пояснення поширення світла, хоча світло іноді поводиться як хвиля.
Світло - це електромагнітне явище. Змінюване електричне поле створює магнітне поле, і навпаки, а частота змін створює імпульси, що утворюють пучок світла. Світло рухається з постійною швидкістю під час подорожі через вакуум, але при подорожі середовищем імпульси взаємодіють з атомами в середовищі, і швидкість хвилі зменшується.
Чим щільніше середовище, тим повільніше промінь рухається. Співвідношення швидкостей падіння (vЯ) і заломлений (стР) світло - це константа (n), що називається показником заломлення для інтерфейсу:
n = \ frac {v_I} {v_R}
Чому призма розсіює біле світло, утворюючи спектр
Коли промінь світла потрапляє в межу між двома середовищами, він змінює напрямок, і величина змін залежить від n. Якщо кут падіння становитьθЯ, а кут заломлення становитьθР, відношення кутів заданоЗакон Снелла:
n = \ frac {\ sin {\ theta_R}} {\ sin {\ theta_I}}
Є ще одна частина головоломки, яку слід розглянути. Швидкість хвилі є добутком її частоти, довжини хвилі та частотиfсвітла не змінюється при проходженні інтерфейсу. Це означає, що довжина хвилі повинна змінюватися, щоб зберегти коефіцієнт, позначенийп. Світло з коротшою довжиною хвилі падаючого заломлюється під більшим кутом, ніж світло з більшою довжиною хвилі.
Біле світло - це поєднання світла фотонів з усіма можливими довжинами хвиль. У видимому спектрі червоне світло має найдовшу довжину хвилі, за ним слідують помаранчевий, жовтий, зелений, синій, індиго та фіолетовий (ROYGBIV). Це кольори веселки, але ви побачите їх лише з трикутної призми.
Що особливого у трикутній призмі?
Коли світло переходить від менш щільного до більш щільного середовища, як це відбувається при попаданні в призму, воно розпадається на довжини хвиль, що складаються. Вони рекомбінують, коли світло виходить із призми, і якщо дві грані призми паралельні, спостерігач бачить, як виходить біле світло. Власне, при детальному огляді видно тонку червону лінію і тонку фіолетову. Вони є свідченням дещо інших кутів дисперсії, спричинених уповільненням світлового променя в матеріалі призми.
Коли призма трикутна, кути падіння, коли промінь входить і виходить із призми, різні, тому кути заломлення також різні. Коли ви тримаєте призму під правильним кутом, ви можете побачити спектр, утворений окремими довжинами хвиль.
Різниця між кутом падаючого променя і виходить пучка називається кутом відхилення. Цей кут по суті дорівнює нулю для всіх довжин хвиль, коли призма прямокутна. Коли грані не паралельні, кожна довжина хвилі виникає зі своїм характерним кутом відхилення, а смуги спостережуваної веселки збільшуються в ширину із збільшенням відстані від призми.
Крапельки води можуть діяти як призми, утворюючи веселку
Ви, без сумніву, бачили веселку, і вам може бути цікаво, чому ви можете бачити їх лише тоді, коли сонце позаду вас, і ви перебуваєте під певним кутом до хмар або дощового зливи. Світло заломлюється всередині краплини води, але якби це була вся історія, вода була б між вами та сонцем, і це не те, що зазвичай трапляється.
На відміну від призм, краплі води круглі. Випадкове сонячне світло заломлюється на межі взаємодії повітря / вода, і частина з них проходить і виходить з іншого боку, але це не світло, яке виробляє веселки. Частина світла відбивається всередині краплі води і виходить з тієї ж сторони краплі. Це світло, яке виробляє веселку.
Світло від сонця має траєкторію вниз. Світло може виходити з будь-якої частини дощової краплі, але найбільша концентрація має кут відхилення близько 40 градусів. Сукупність крапель, з яких світло виходить під цим конкретним кутом, утворює кругову дугу на небі. Якби ви змогли побачити веселку з літака, ви змогли б побачити повне коло, але з землі половина кола відрізана, і ви бачите лише типову півкругову дугу.