Съдържание
- Пречупването и дифракцията възникват, защото светлината е вълна
- Мислете за светлината като за импулси от електромагнитна енергия
- Защо призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър
- Какво е специално за триъгълната призма?
- Водните капчици могат да действат като призми, за да образуват дъга
Природата на светлината е била основна полемика в науките през 1600 г., а призмите са били в центъра на бурята. Някои учени смятали, че светлината е вълново явление, а някои смятат, че е частица. Английският физик и математик сър Айзък Нютон беше в бившия лагер - вероятно е негов лидер - докато холандският философ Кристиян Хюйгенс оглави опозицията.
Противоречието в крайна сметка доведе до компромиса, че светлината е едновременно вълна и частица. Това разбиране не беше възможно до въвеждането на квантовата теория през 1900 г. и почти 300 години учените продължиха да извършват експерименти, за да потвърдят своята гледна точка. Една от най-важните участващи призми.
Фактът, че призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър, може да се обясни както с теорията на вълната, така и с корпускула. Сега, когато учените знаят, че светлината всъщност е съставена от частици с вълнови характеристики, наречени фотони, те имат по-добра представа какво причинява разсейването на светлината и се оказва, че тя има повече общо с вълновите свойства, отколкото корпускуларните.
Пречупването и дифракцията възникват, защото светлината е вълна
Най- пречупване на светлината е причината призма да разпръсне бяла светлина, образувайки спектър. Пречупването се случва, защото светлината пътува по-бавно в гъста среда, например стъкло, отколкото във въздуха. Образуването на спектър, от който дъгата е видимият компонент, е възможно, тъй като бялата светлина всъщност е съставена от фотони с цял диапазон от дължини на вълната и всяка дължина на вълната се пречупва под различен ъгъл.
Дифракцията е явление, което се случва, когато светлината преминава през много тясна цепка. Отделните фотони се държат като водни вълни, преминаващи през тесен отвор в морска стена. Докато вълните преминават през отвора, те се огъват около ъглите и се разпространяват и ако позволите на вълните да ударят екран, те ще произведат модел от светли и тъмни линии, наречен дифракционен модел. Разделянето на линията е функция на дифракционния ъгъл, дължината на вълната на падащата светлина и ширината на процепа.
Дифракцията очевидно е вълново явление, но можете да обясните пречупването в резултат на разпространението на частици, както направи Нютон. За да добиете точна представа за това какво всъщност се случва, трябва да разберете какво всъщност е светлината и как тя взаимодейства със средата, през която пътува.
Мислете за светлината като за импулси от електромагнитна енергия
Ако светлината беше истинска вълна, щеше да й е необходима среда, чрез която да пътува и Вселената ще трябва да бъде изпълнена с призрачна субстанция, наречена етер, както вярваше Аристотел. Експериментът на Микелсън-Морли доказа, че не съществува такъв етер. Оказва се, че всъщност не е необходимо да се обяснява разпространението на светлината, въпреки че понякога светлината се държи като вълна.
Светлината е електромагнитно явление. Променящото се електрическо поле създава магнитно поле и обратно, а честотата на промените създава импулсите, които образуват лъч светлина. Светлината пътува с постоянна скорост, когато пътува през вакуум, но когато пътува през среда, импулсите взаимодействат с атомите в средата и скоростта на вълната намалява.
Колкото по-плътна е средата, толкова по-бавно се движи лъчът. Съотношението на скоростите на падане (vаз) и пречупена (vR) светлината е константа (n), наречена индекс на пречупване на интерфейса:
n = vаз/ обемR
Защо призма разпръсква бяла светлина, образувайки спектър
Когато светлинен лъч удари интерфейса между две медии, той променя посоката и количеството на промяна зависи от n. Ако ъгълът на падане е θаз, и ъгълът на пречупване е θR, съотношението на ъглите се дава от Закон за Snells:
sinθR/ sinθаз = n
Има още едно парче пъзел за разглеждане. Скоростта на една вълна е произведение на нейната честота и дължината на вълната и честотата е на светлината не се променя при преминаване на интерфейса. Това означава, че дължината на вълната трябва да се промени, за да се запази съотношението, обозначено с н, Светлината с по-къса падаща дължина на вълната се пречупва под по-голям ъгъл от светлината с по-голяма дължина на вълната.
Бялата светлина е комбинация от светлина на фотони с всички възможни дължини на вълната. Във видимия спектър червената светлина има най-дългата дължина на вълната, следвана от оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово (ROYGBIV). Това са цветовете на дъгата, но ще ги видите само от триъгълна призма.
Какво е специално за триъгълната призма?
Когато светлината преминава от по-малко плътна към по-плътна среда, както се случва при навлизане в призма, тя се разделя на своите компоненти дължини на вълната. Те се комбинират, когато светлината излезе от призмата и ако двете лица на призмата са успоредни, наблюдател вижда бяла светлина. Всъщност при по-внимателна проверка се виждат тънка червена линия и тънка виолетова. Те са доказателство за леко различни ъгли на дисперсия, причинени от забавянето на светлинния лъч в материала на призмата.
Когато призмата е триъгълна, ъглите на падене, когато лъчът влиза и излиза от призмата, са различни, така че ъглите на пречупване също са различни. Когато държите призмата под правилния ъгъл, можете да видите спектъра, формиран от отделните дължини на вълната.
Разликата между ъгъла на падащия лъч и този на възникващия лъч се нарича ъгъл на отклонение. Този ъгъл е по същество нулев за всички дължини на вълната, когато призмата е правоъгълна. Когато лицата не са успоредни, всяка дължина на вълната се появява със свой характерен ъгъл на отклонение и лентите на наблюдаваната дъга се увеличават на ширина с увеличаване на разстоянието от призмата.
Водните капчици могат да действат като призми, за да образуват дъга
Несъмнено сте виждали дъга и може би се чудите защо можете да ги видите само когато слънцето е зад вас и сте под определен ъгъл спрямо облаците или дъждовния душ. Светлината не се пречупва във водната капчица, но ако това беше цялата история, водата щеше да е между вас и слънцето, а това обикновено не се случва.
За разлика от призмите, водните капчици са кръгли. Случайната слънчева светлина се пречупва на интерфейса въздух / вода, а някои от тях преминават и излизат от другата страна, но това не е светлината, която произвежда дъги. Част от светлината се отразява вътре във водната капчица и излиза от същата страна на капчицата. Това е светлината, която произвежда дъгата.
Светлината от слънцето има низходяща траектория. Светлината може да излезе от всяка част на дъждовната капка, но най-голямата концентрация има ъгъл на отклонение от около 40 градуса. Колекцията от капчици, от която светлината изплува под този конкретен ъгъл, образува кръгова дъга в небето. Ако успяхте да видите дъгата от самолет, щяхте да видите пълен кръг, но от земята половината окръжност е отрязана и виждате само типичната полукръгла дъга.