Conţinut
- Refracția și difracția au loc pentru că lumina este un val
- Gândiți-vă la lumină ca la impulsuri de energie electromagnetică
- De ce o prismă risipește lumina albă formând un spectru
- Ce este special despre o prismă triunghiulară?
- Picăturile de apă pot acționa ca prisme pentru a forma un curcubeu
Natura luminii a fost o controversă majoră în științe în anii 1600, iar prismele au fost în centrul furtunii. Unii oameni de știință au crezut că lumina este un fenomen val, iar unii au crezut că este o particulă. Fizicianul și matematicianul englez Sir Isaac Newton se afla în fosta tabără - probabil liderul său - în timp ce filosoful olandez Christiaan Huygens a condus opoziția.
Controversa a dus în cele din urmă la compromisul că lumina este atât o undă cât și o particulă. Această înțelegere nu a fost posibilă până la introducerea teoriei cuantice în anii 1900 și, timp de aproape 300 de ani, oamenii de știință au continuat să efectueze experimente pentru a-și confirma punctul de vedere. Una dintre cele mai importante prisme implicate.
Faptul că o prismă împrăștie lumina albă formând un spectru ar putea fi explicat atât prin teoria undelor, cât și prin cea corpusculară. Acum, că oamenii de știință știu că lumina este compusă de fapt din particule cu caracteristici de undă numite fotoni, ei au o idee mai bună despre ceea ce provoacă dispersia luminii și se dovedește că are mai mult de-a face cu proprietățile undelor decât cele corpusculare.
Refracția și difracția au loc pentru că lumina este un val
refracția luminii este motivul pentru care o prismă dispersează lumina albă formând un spectru. Refracția are loc deoarece lumina călătorește mai lent într-un mediu dens, cum ar fi sticla, decât în aer. Formarea unui spectru, din care curcubeul este componenta vizibilă, este posibilă deoarece lumina albă este de fapt compusă din fotoni cu o gamă întreagă de lungimi de undă și fiecare lungime de undă se refractă într-un unghi diferit.
Difracția este un fenomen care apare atunci când lumina trece printr-o fanta foarte îngustă. Fotonii individuali se comportă ca valurile de apă care trec printr-o deschidere îngustă într-un paravan de mare. Pe măsură ce valurile trec prin deschidere, acestea se apleacă în jurul colțurilor și se răspândesc, iar dacă permiteți undelor să lovească un ecran, acestea vor produce un model de linii ușoare și întunecate numit model de difracție. Separarea liniei este o funcție a unghiului de difracție, a lungimii de undă a luminii incidente și a lățimii fantei.
Difracția este în mod clar un fenomen de val, dar puteți explica refracția ca urmare a propagării particulelor, așa cum a făcut Newton. Pentru a vă face o idee exactă despre ce se întâmplă de fapt, trebuie să înțelegeți ce este lumina de fapt și cum interacționează cu mediul prin care călătorește.
Gândiți-vă la lumină ca la impulsuri de energie electromagnetică
Dacă lumina ar fi un val adevărat, ar avea nevoie de un mediu prin care să călătorească, iar universul ar trebui să fie umplut cu o substanță fantomatică numită eter, așa cum credea Aristotel. Experimentul Michelson-Morley a dovedit că nu există un astfel de eter eteric. Se dovedește că nu este nevoie de fapt pentru a explica propagarea luminii, chiar dacă uneori lumina se comportă ca o undă.
Lumina este un fenomen electromagnetic. Un câmp electric în schimbare creează un câmp magnetic și invers, iar frecvența modificărilor creează impulsurile care formează un fascicul de lumină. Lumina călătorește cu o viteză constantă atunci când călătorește printr-un vid, dar atunci când călătorește printr-un mediu pulsurile interacționează cu atomii din mediu, iar viteza undei scade.
Cu cât mediul este mai dens, cu atât fasciculul circulă mai lent. Raportul dintre vitezele incidentului (veu) și refractat (vR) lumina este o constantă (n) numită indicele de refracție pentru interfață:
n = veu/ vR
De ce o prismă risipește lumina albă formând un spectru
Când un fascicul de lumină atinge interfața dintre două suporturi, acesta schimbă direcția, iar cantitatea de schimbare depinde de n. Dacă unghiul de incidență este θeu, iar și unghiul de refracție este θR, raportul unghiurilor este dat de Legea vânturilor:
sinθR/ sinθeu = n
Există încă o piesă de puzzle care trebuie luată în considerare. Viteza unei unde este un produs al frecvenței și lungimii de undă și a frecvenței f a luminii nu se schimbă pe măsură ce trece interfața. Aceasta înseamnă că lungimea de undă trebuie să se schimbe pentru a păstra raportul notat cu n. Lumina cu o lungime de undă incidentă mai scurtă este refractată la un unghi mai mare decât lumina cu o lungime de undă mai lungă.
Lumina albă este o combinație de lumină de fotoni cu toate lungimile de undă posibile. În spectrul vizibil, lumina roșie are cea mai lungă lungime de undă, urmată de portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet (ROYGBIV). Acestea sunt culorile curcubeului, dar le veți vedea doar dintr-o prismă triunghiulară.
Ce este special despre o prismă triunghiulară?
Când lumina trece de la un mediu mai puțin dens la un mediu mai dens, așa cum se întâmplă atunci când intră într-o prismă, aceasta se împarte în lungimile de undă ale componentelor sale. Acestea se recombină atunci când lumina iese din prismă și dacă cele două fețe ale prismei sunt paralele, un observator vede să apară lumina albă. De fapt, la o inspecție mai atentă, sunt vizibile o linie roșie subțire și una subțire violetă. Ele sunt dovezi ale unghiurilor de dispersie ușor diferite cauzate de încetinirea fasciculului de lumină în materialul prismatic.
Când prisma este triunghiulară, unghiurile de incidență pe măsură ce fasciculul intră și iese din prismă sunt diferite, astfel încât unghiurile de refracție sunt de asemenea diferite. Când mențineți prisma în unghiul corespunzător, puteți vedea spectrul format de lungimile de undă individuale.
Diferența dintre unghiul fasciculului incident și cel al fasciculului emergent se numește unghiul de deviere. Acest unghi este esențial zero pentru toate lungimile de undă atunci când prisma este dreptunghiulară. Când fețele nu sunt paralele, fiecare lungime de undă apare cu unghiul său de deviere caracteristic, iar benzile curcubeului observate cresc în lățime cu distanța crescândă de prismă.
Picăturile de apă pot acționa ca prisme pentru a forma un curcubeu
Fără îndoială, nu ați văzut un curcubeu și este posibil să vă întrebați de ce le puteți vedea doar când soarele este în spatele dvs. și sunteți într-un anumit unghi cu norii sau cu un duș de ploaie. Lumina refractă în interiorul unei picături de apă, dar dacă aceasta ar fi toată povestea, apa ar fi între voi și soare, și nu asta se întâmplă de obicei.
Spre deosebire de prisme, picăturile de apă sunt rotunde. Lumina solară incidentă se refractă la interfața aer / apă, iar o parte din acestea se deplasează și ies din altă parte, dar aceasta nu este lumina care produce curcubee. O parte din lumină se reflectă în picăturile de apă și apare din aceeași parte a picăturii. Aceasta este lumina care produce curcubeul.
Lumina de la soare are o traiectorie descendentă. Lumina poate ieși din orice parte a picăturii de ploaie, dar cea mai mare concentrație are un unghi de deviere de aproximativ 40 de grade. Colecția de picături din care iese lumina în acest unghi particular formează un arc circular pe cer. Dacă ai putea vedea curcubeul dintr-un avion, ai putea vedea un cerc complet, dar de la sol, jumătate din cerc este tăiat și nu vezi decât arcul tipic semicircular.