Sisältö
- Taittuminen ja diffraktio tapahtuvat, koska valo on aalto
- Ajattele valoa sähkömagneettisen energian pulssina
- Miksi prisma hajottaa spektrin muodostavan valkoisen valon
- Mitä erityistä kolmiomaisesta prismasta?
- Vesipisarat voivat toimia kuten prismat muodostaen sateenkaarin
Valon luonne oli merkittävä tieteen kiistaa 1600-luvulla, ja prismat olivat myrskyn keskellä. Jotkut tutkijat uskoivat, että valo oli aalto-ilmiö, ja jotkut pitivät sitä hiukkasena. Englantilainen fyysikko ja matemaatikko Sir Isaac Newton oli entisessä leirissä - luultavasti sen johtaja -, kun taas hollantilainen filosofi Christiaan Huygens johti oppositiota.
Kiista johti lopulta kompromissiin siitä, että valo on sekä aalto että hiukkas. Tämä ymmärtäminen ei ollut mahdollista, ennen kuin kvanttiteoria otettiin käyttöön 1900-luvulla, ja lähes 300 vuotta tutkijat jatkoivat kokeiluja näkemyksensä vahvistamiseksi. Yksi tärkeimmistä mukana olevista prismoista.
Se tosiasia, että prisma hajottaa spektrin muodostavan valkoisen valon, voitaisiin selittää sekä aalto- että verisuoniteorialla. Nyt kun tutkijat tietävät, että valo koostuu tosiasiassa hiukkasista, joiden aallon ominaisuuksia kutsutaan fotoneiksi, heillä on parempi käsitys siitä, mikä aiheuttaa valon leviämistä, ja osoittautuu, että sillä on enemmän tekemistä aalto-ominaisuuksien kanssa kuin ruumiinsisäisesti.
Taittuminen ja diffraktio tapahtuvat, koska valo on aalto
valon taittuminen on syy, miksi prisma hajottaa valkoisen valon muodostaen spektrin. Taittuminen tapahtuu, koska valo kulkee hitaammin tiheässä väliaineessa, kuten lasissa, kuin ilmassa. Spektrin, josta sateenkaari on näkyvä komponentti, muodostuminen on mahdollista, koska valkoinen valo koostuu todellisuudessa fotoneista, joilla on koko aallonpituusalue, ja jokainen aallonpituus taittuu eri kulmassa.
Diffraktio on ilmiö, joka tapahtuu, kun valo kulkee hyvin kapean raon läpi. Yksittäiset fotonit käyttäytyvät kuin vesiaallot, jotka kulkevat kapean aukon läpi seinässä. Kun aallot kulkevat aukon läpi, ne taipuvat kulmien ympäri ja levittäytyvät, ja jos annat aaltojen iskeä näytölle, ne tuottavat vaaleiden ja tummien viivojen kuvion, jota kutsutaan diffraktiokuvioksi. Viivojen erotus on diffraktiokulman, tulevan valon aallonpituuden ja raon leveyden funktio.
Diffraktio on selvästi aaltoilmiö, mutta voit selittää taittumisen hiukkasten etenemisen seurauksena, kuten Newton teki. Saadaksesi tarkan kuvan siitä, mitä todellisuudessa tapahtuu, sinun on ymmärrettävä, mikä valo todella on ja kuinka se toimii vuorovaikutuksessa väliaineen kanssa, jonka kautta se kulkee.
Ajattele valoa sähkömagneettisen energian pulssina
Jos valo olisi todellinen aalto, se tarvitsee väliaineen, jonka läpi kulkee, ja maailmankaikkeus olisi täynnä haamumaisella aineella, jota kutsutaan eetteriksi, kuten Aristoteles uskoi. Michelson-Morley-kokeilu osoitti, että sellaista eetterieetteriä ei kuitenkaan ole olemassa. Osoittautuu, että sitä ei todellakaan tarvitse selittää valon etenemiselle, vaikka valo toisinaan käyttäytyy kuin aalto.
Valo on sähkömagneettinen ilmiö. Muuttuva sähkökenttä luo magneettikentän, ja päinvastoin, ja muutosten taajuus luo pulssit, jotka muodostavat valonsäteen. Valo liikkuu vakionopeudella tyhjiön läpi matkustettaessa, mutta väliaineen läpi kulkeutuessa pulssit ovat vuorovaikutuksessa väliaineen atomien kanssa ja aallon nopeus laskee.
Mitä tiheämpi väliaine, sitä hitaammin palkki kulkee. Tulonopeuden suhde (vminä) ja refraktoitu (vR) valo on vakio (n), jota kutsutaan rajapinnan taitekerrokseksi:
n = vminä/ tilavuusR
Miksi prisma hajottaa spektrin muodostavan valkoisen valon
Kun valonsäde osuu kahden median väliseen rajapintaan, se muuttaa suuntaa, ja muutoksen määrä riippuu arvosta n. Jos esiintymiskulma on θminä, ja taitekulma on θR, kulmasuhde saadaan muodossa Snells-laki:
sinθR/ sinθminä = n
Theres vielä yksi palapelin pala harkitsemaan. Aallon nopeus on sen taajuuden, aallonpituuden ja taajuuden tulos f valon määrä ei muutu, kun se kulkee rajapinnan läpi. Tämä tarkoittaa, että aallonpituuden on muututtava, jotta voidaan säilyttää suhde, jota merkitään n. Valo, jolla on lyhyempi esiintyvä aallonpituus, taittuu suuremmalla kulmalla kuin pidemmän aallonpituuden omaava valo.
Valkoinen valo on yhdistelmä fotonien valoa kaikilla mahdollisilla aallonpituuksilla. Näkyvässä spektrissä punaisella valolla on pisin aallonpituus, jota seuraa oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti (ROYGBIV). Nämä ovat sateenkaaren värejä, mutta näet ne vain kolmiomaisesta prismasta.
Mitä erityistä kolmiomaisesta prismasta?
Kun valo siirtyy vähemmän tiheästä tiheämpään väliaineeseen, kuten se tapahtuu prismaan tullessaan, se jakautuu komponenttien aallonpituuksiin. Nämä yhdistyvät, kun valo poistuu prismasta, ja jos kaksi prisman pintaa ovat yhdensuuntaiset, tarkkailija näkee valkoisen valon ilmestyvän. Itse asiassa tarkemmassa tarkastuksessa ohut punainen viiva ja ohut violetti ovat näkyvissä. Ne ovat todisteita hieman erilaisista hajontakulmista, jotka johtuvat valonsäteen hidastumisesta prismamateriaalissa.
Kun prisma on kolmionmuotoinen, tulokulmat säteen tullessa ja poistuessaan prismasta ovat erilaisia, joten myös taitekulmat ovat erilaisia. Kun pidät prismaa oikeassa kulmassa, näet yksittäisten aallonpituuksien muodostaman spektrin.
Laskevan palkin ja syntyvän säteen kulman välistä eroa kutsutaan poikkeamiskulmaksi. Tämä kulma on olennaisesti nolla kaikilla aallonpituuksilla, kun prisma on suorakaiteen muotoinen. Kun pinnat ovat rinnakkain, jokaisella aallonpituudella esiintyy oma ominainen poikkeamakulma, ja havaitun sateenkaaren kaistat kasvavat leveyteen kasvaessaan etäisyyttä prismasta.
Vesipisarat voivat toimia kuten prismat muodostaen sateenkaarin
Olet epäilemättä nähnyt sateenkaaren, ja saatat ihmetellä, miksi näet heidät vain, kun aurinko on takana ja olet tietyssä kulmassa pilvien tai sadekuuron kanssa. Valo taittuu vesipisaroiden sisällä, mutta jos se olisi koko tarina, vesi olisi ollut sinun ja auringon välissä, eikä niin, mitä yleensä tapahtuu.
Toisin kuin prismat, vesipisarat ovat pyöreitä. Sattuva auringonvalo taittuu ilman / veden rajapinnalta, ja osa siitä kulkee ja tulee ulos toiselta puolelta, mutta se ei ole sateenkaarien tuottava valo. Osa valosta heijastaa vesipisaroiden sisällä ja tulee ulos pisaroiden samalta puolelta. Se on valo, joka tuottaa sateenkaaren.
Auringonvalolla on laskeva suunta. Valo voi poistua mistä tahansa sadepisaran kohdasta, mutta suurimman pitoisuuden kallistuskulma on noin 40 astetta. Pisarakokoelma, josta valo ilmaantuu tässä kulmassa, muodostaa pyöreän kaaren taivaalla. Jos pystyisit näkemään sateenkaaren lentokoneesta, näet kokonaisen ympyrän, mutta maasta puoli ympyrää on katkaistu ja näet vain tyypillisen puoliympyrän kaarin.