Τι προκαλεί τη διασπορά του Λευκού Φωτός;

Περιεχόμενο

• Η διάθλαση και η διάθλαση οφείλονται στο γεγονός ότι το φως είναι κύμα
• Σκεφτείτε το φως ως παλμούς της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας
• Γιατί ένα πρίσμα διασκορπίζει λευκό φως σχηματίζοντας ένα φάσμα
• Τι είναι το Ειδικό Σχετικά με ένα Τριγωνικό Πρίσμα;
• Τα σταγονίδια νερού μπορούν να λειτουργήσουν σαν πρίσματα για να σχηματίσουν ένα ουράνιο τόξο

Η φύση του φωτός ήταν μια μεγάλη διαμάχη στις επιστήμες της δεκαετίας του 1600 και τα πρίσματα βρίσκονταν στο επίκεντρο της καταιγίδας. Μερικοί επιστήμονες πίστευαν ότι το φως ήταν ένα φαινόμενο κύματος, και κάποιοι νόμιζαν ότι ήταν ένα σωματίδιο. Ο αγγλικός φυσικός και μαθηματικός Sir Isaac Newton ήταν στο πρώην στρατόπεδο - αναμφισβήτητα ο ηγέτης του - ενώ ο ολλανδός φιλόσοφος Christiaan Huygens ήταν επικεφαλής της αντιπολίτευσης.

Η διαμάχη τελικά κατέληξε στο συμβιβασμό ότι το φως είναι τόσο κύμα όσο και σωματίδιο. Αυτή η κατανόηση δεν ήταν δυνατή μέχρι την εισαγωγή της κβαντικής θεωρίας στη δεκαετία του 1900 και για σχεδόν 300 χρόνια οι επιστήμονες συνέχισαν να πραγματοποιούν πειράματα για να επιβεβαιώσουν την άποψή τους. Ένα από τα σημαντικότερα εμπλεκόμενα πρίσματα.

Το γεγονός ότι ένα πρίσμα διασκορπίζει το λευκό φως που σχηματίζει ένα φάσμα θα μπορούσε να εξηγηθεί τόσο από την κυματομορφή όσο και από την θεωρία των σωμάτων. Τώρα που οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι το φως αποτελείται στην πραγματικότητα από σωματίδια με χαρακτηριστικά κύματος που ονομάζονται φωτόνια, έχουν μια καλύτερη ιδέα για το τι προκαλεί τη διασπορά του φωτός και αποδεικνύεται ότι έχει περισσότερη σχέση με τις κυματικές ιδιότητες από τις κυτταρικές.

Η διάθλαση και η διάθλαση οφείλονται στο γεγονός ότι το φως είναι κύμα

ο διάθλαση φωτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα πρίσμα διασκορπίζει λευκό φως σχηματίζοντας ένα φάσμα. Η διάθλαση συμβαίνει επειδή το φως ταξιδεύει πιο αργά σε ένα πυκνό μέσο, ​​όπως το γυαλί, από ό, τι στον αέρα. Ο σχηματισμός ενός φάσματος, του οποίου το ουράνιο τόξο είναι το ορατό συστατικό, είναι δυνατό επειδή το λευκό φως αποτελείται πραγματικά από φωτόνια με μια ολόκληρη σειρά μήκους κύματος και κάθε μήκος κύματος διαθλάται σε διαφορετική γωνία.

Η διάθλαση είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν το φως περνά μέσα από μια πολύ στενή σχισμή. Τα μεμονωμένα φωτόνια συμπεριφέρονται όπως τα κύματα νερού που περνούν μέσα από ένα στενό άνοιγμα σε μια θάλασσα. Καθώς τα κύματα περνούν μέσα από το άνοιγμα, κάμπτονται γύρω από τις γωνίες και απλώνονται και αν αφήσετε τα κύματα να χτυπήσουν μια οθόνη, θα παράγουν ένα μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών γραμμών που ονομάζεται περίγραμμα περίθλασης. Ο διαχωρισμός των γραμμών είναι συνάρτηση της γωνίας περίθλασης, του μήκους κύματος του προσπίπτοντος φωτός και του πλάτους της σχισμής.

Η διάθλαση είναι σαφώς φαινόμενο κύματος, αλλά μπορείτε να εξηγήσετε τη διάθλαση ως αποτέλεσμα της διάδοσης των σωματιδίων, όπως έκανε ο Νεύτωνας. Για να πάρετε μια ακριβή ιδέα για το τι πραγματικά συμβαίνει, πρέπει να καταλάβετε ποιο είναι το φως και πώς αλληλεπιδρά με το μέσο μέσω του οποίου ταξιδεύει.

Σκεφτείτε το φως ως παλμούς της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας

Αν το φως ήταν ένα πραγματικό κύμα, θα χρειαζόταν ένα μέσο για να ταξιδέψει και το σύμπαν θα έπρεπε να γεμίσει με μια φανταστική ουσία που ονομάζεται αιθέρας, όπως πίστευε ο Αριστοτέλης. Το πείραμα Michelson-Morley απέδειξε ότι δεν υπάρχει τέτοιος αιθερικός αιθέρας. Αποδεικνύεται ότι στην πραγματικότητα δεν χρειάζεται να εξηγηθεί η διάδοση του φωτός, αν και το φως μερικές φορές συμπεριφέρεται ως κύμα.

Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο. Ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο και το αντίστροφο και η συχνότητα των αλλαγών δημιουργεί τους παλμούς που σχηματίζουν δέσμη φωτός. Το φως ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα όταν ταξιδεύει μέσα από ένα κενό, αλλά όταν ταξιδεύει μέσα από ένα μέσο, ​​οι παλμοί αλληλεπιδρούν με τα άτομα στο μέσο και μειώνεται η ταχύτητα του κύματος.

Όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, ​​τόσο πιο αργή η δέσμη διανύει. Η αναλογία των ταχυτήτων του περιστατικού (v_Εγώ) και διαθλάστηκε (v_R) το φως είναι μια σταθερά (n) που ονομάζεται δείκτης διάθλασης για τη διεπαφή:

n = v_Εγώ/ v_R

Γιατί ένα πρίσμα διασκορπίζει λευκό φως σχηματίζοντας ένα φάσμα

Όταν μια δέσμη φωτός χτυπά στη διεπιφάνεια μεταξύ δύο μέσων αλλάζει κατεύθυνση και η ποσότητα της αλλαγής εξαρτάται από το n. Εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι θ_Εγώ, και η και η γωνία της διάθλασης είναι θ_R, ο λόγος γωνιών δίνεται από Snells Law:

sin_R/ sinθ_Εγώ = n

Υπάρχει ακόμη ένα κομμάτι παζλ για να εξετάσει. Η ταχύτητα ενός κύματος είναι προϊόν της συχνότητας, του μήκους κύματος και της συχνότητας φά του φωτός δεν αλλάζει καθώς περνά τη διεπαφή. Αυτό σημαίνει ότι το μήκος κύματος πρέπει να αλλάξει για να διατηρηθεί η αναλογία που υποδηλώνεται με n. Το φως με μικρότερο μήκος κύματος προσπίπτει σε μεγαλύτερη γωνία από το φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος.

Το λευκό φως είναι ένας συνδυασμός φωτός των φωτονίων με όλα τα πιθανά μήκη κύματος. Στο ορατό φάσμα, το κόκκινο φως έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος, ακολουθούμενο από πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, ινδικό και βιολετί (ROYGBIV). Αυτά είναι τα χρώματα του ουράνιου τόξου, αλλά τα βλέπετε μόνο από ένα τριγωνικό πρίσμα.

Τι είναι το Ειδικό Σχετικά με ένα Τριγωνικό Πρίσμα;

Όταν το φως περνά από ένα λιγότερο πυκνό σε ένα πυκνότερο μέσο, ​​όπως συμβαίνει όταν εισέρχεται σε ένα πρίσμα, χωρίζεται στα μήκη κύματος των συστατικών του. Αυτά ανασυνδυάζονται όταν το φως βγαίνει από το πρίσμα, και αν τα δύο προσόψεις είναι παράλληλα, ο παρατηρητής βλέπει το λευκό φως να αναδύεται. Στην πραγματικότητα, κατά την προσεκτικότερη επιθεώρηση, είναι ορατή μια λεπτή κόκκινη γραμμή και μια λεπτή βιολετί. Είναι ενδείξεις ελαφρώς διαφορετικών γωνιών διασποράς που προκαλούνται από την επιβράδυνση της δέσμης φωτός στο υλικό πρίσματος.

Όταν το πρίσμα είναι τριγωνικό, οι γωνίες πρόσπτωσης καθώς η δέσμη εισέρχεται και φεύγει από το πρίσμα είναι διαφορετικές, έτσι οι γωνίες διάθλασης είναι επίσης διαφορετικές. Όταν κρατάτε το πρίσμα στην κατάλληλη γωνία, μπορείτε να δείτε το φάσμα που σχηματίζεται από τα μεμονωμένα μήκη κύματος.

Η διαφορά μεταξύ της γωνίας της προσπίπτουσας δέσμης και αυτής της αναδυόμενης δέσμης ονομάζεται γωνία απόκλισης. Αυτή η γωνία είναι ουσιαστικά μηδέν για όλα τα μήκη κύματος όταν το πρίσμα είναι ορθογώνιο. Όταν τα πρόσωπα δεν είναι παράλληλα, κάθε μήκος κύματος εμφανίζεται με τη δική του χαρακτηριστική γωνία απόκλισης και οι ταινίες του παρατηρούμενου ουράνιου τόξου αυξάνονται σε πλάτος με αυξανόμενη απόσταση από το πρίσμα.

Τα σταγονίδια νερού μπορούν να λειτουργήσουν σαν πρίσματα για να σχηματίσουν ένα ουράνιο τόξο

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι έχετε δει ένα ουράνιο τόξο και ίσως να αναρωτιέστε γιατί μπορείτε να τα δείτε μόνο όταν ο ήλιος είναι πίσω σας και είστε σε μια συγκεκριμένη γωνία με τα σύννεφα ή με ένα ντους βροχής. Το φως διαθλάται μέσα σε ένα σταγονίδιο νερού, αλλά αν αυτό ήταν ολόκληρη η ιστορία, το νερό θα ήταν ανάμεσα σε εσένα και τον ήλιο και αυτό δεν συμβαίνει συνήθως.

Σε αντίθεση με τα πρίσματα, τα σταγονίδια νερού είναι στρογγυλά. Το φως του ήλιου διαθλάται στη διεπαφή αέρα / νερού και μερικά από αυτά διαπερνούν και εξέρχονται από την άλλη πλευρά, αλλά αυτό δεν είναι το φως που παράγει ουράνια τόξα. Μερικά από τα φώτα αντανακλώνται μέσα στο σταγονίδιο νερού και εξέρχονται από την ίδια πλευρά του σταγονιδίου. Αυτό είναι το φως που παράγει το ουράνιο τόξο.

Το φως από τον ήλιο έχει μια καθοδική τροχιά. Το φως μπορεί να βγει από οποιοδήποτε μέρος της βροχής, αλλά η μεγαλύτερη συγκέντρωση έχει γωνία απόκλισης περίπου 40 μοιρών. Η συλλογή των σταγονιδίων από τα οποία αναδύεται το φως σε αυτή τη συγκεκριμένη γωνία σχηματίζει ένα κυκλικό τόξο στον ουρανό. Αν μπορούσατε να δείτε το ουράνιο τόξο από ένα αεροπλάνο, θα μπορούσατε να δείτε έναν πλήρη κύκλο, αλλά από το έδαφος, ο μισός κύκλος αποκόπτεται και βλέπετε μόνο το τυπικό ημικυκλικό τόξο.