Sisu
- Murdumine ja difraktsioon esinevad seetõttu, et valgus on laine
- Mõelge valgust kui elektromagnetilise energia impulsse
- Miks prisma hajub spektrit moodustavat valget valgust
- Mis on erilist kolmnurkse prisma kohta?
- Veepiisad võivad vikerkaare moodustamiseks toimida nagu prismad
Valguse olemus oli 1600. aastatel teaduses suur poleemika ja tormi keskmes olid prismad. Mõnede teadlaste arvates oli valgus laine fenomen ja mõned arvasid, et see on osake. Inglise füüsik ja matemaatik Sir Isaac Newton viibis endises leeris - väidetavalt selle juhina -, samal ajal kui Hollandi filosoof Christiaan Huygens juhtis opositsiooni.
Vaidluse tulemuseks oli lõpuks kompromiss, et valgus on nii laine kui ka osake. See mõistmine polnud võimalik kuni kvantteooria juurutamiseni 1900. aastatel ja peaaegu 300 aastat jätkasid teadlased eksperimente, et kinnitada oma seisukohta. Üks olulisemaid kaasatud prismasid.
Seda, et prisma hajub spektrit moodustava valge valguse, saab seletada nii laine- kui ka korpuskulaarse teooriaga. Nüüd, kui teadlased teavad, et valgus koosneb tegelikult osakestest, mille laineomadusi nimetatakse footoniteks, on neil parem ettekujutus valguse hajutatust põhjustavatest teguritest ja selgub, et sellel on rohkem pistmist laineomadustega kui kehasisestel.
Murdumine ja difraktsioon esinevad seetõttu, et valgus on laine
valguse murdumine on põhjus, miks prisma hajub spektrit moodustava valge valguse. Murdumine toimub seetõttu, et tihedas keskkonnas, näiteks klaasis, liigub valgus aeglasemalt kui õhus. Spektri moodustamine, mille nähtav komponent on vikerkaar, on võimalik, kuna valge valgus koosneb tegelikult terve lainepikkuse vahemikuga footonitest ja iga lainepikkus murdub erineva nurga all.
Difraktsioon on nähtus, mis tekib siis, kui valgus läbib väga kitsa pilu. Üksikud footonid käituvad nagu veelained, mis läbivad mereseinas asuva kitsa ava. Kui lained läbivad ava, painduvad nad ümber nurkade ja levivad laiali. Kui lubate lainetel ekraanile kriipsutada, tekitavad nad heledate ja tumedate joonte mustri, mida nimetatakse difraktsioonimustriks. Joonte eraldamine on difraktsiooninurga, langeva valguse lainepikkuse ja pilu laiuse funktsioon.
Difraktsioon on selgelt lainete nähtus, kuid osakeste levimise tagajärjel murdumist saate selgitada, nagu tegi Newton. Et saada täpset ettekujutust sellest, mis tegelikult toimub, peate mõistma, mis valgus tegelikult on ja kuidas see suhtleb meediumiga, mille kaudu ta liigub.
Mõelge valgust kui elektromagnetilise energia impulsse
Kui valgus oleks tõeline laine, vajaks see rändamiseks keskkonda ja universum peaks olema täidetud kummitusliku ainega, mida nimetatakse eetriks, nagu Aristoteles uskus. Michelson-Morley eksperiment tõestas, et sellist eetrieetrit pole siiski olemas. Selgub, et tegelikult pole seda vaja valguse leviku selgitamiseks, ehkki valgus käitub mõnikord lainetena.
Valgus on elektromagnetiline nähtus. Muutuv elektriväli loob magnetvälja ja vastupidi ning muutuste sagedus loob impulsse, mis moodustavad valguskiire. Valgus liigub vaakumis liikudes ühtlase kiirusega, kuid läbi keskmise rännates interakteeruvad impulsid keskkonnas olevate aatomitega ja laine kiirus väheneb.
Mida tihedam on keskkond, seda aeglasemalt tala liigub. Juhtumiskiiruste suhe (vMina) ja refrakteeritud (vR) tuli on konstant (n), mida nimetatakse liidese murdumisnäitajaks:
n = vMina/ vR
Miks prisma hajub spektrit moodustavat valget valgust
Kui valguskiir tabab kahe kandja vahelist liidest, muudab see suunda ja muutuse suurus sõltub n-st. Kui langemisnurk on θMina, ja murdumisnurk on θR, antakse nurkade suhe järgmiselt: SNellide seadus:
sinθR/ sinθMina = n
Seal on veel üks pusletükk, mida kaaluda. Laine kiirus on selle sageduse, lainepikkuse ja sageduse korrutis f valguse väärtus ei muutu, kui see liidest läbi läheb. See tähendab, et lainepikkus peab muutuma, et säilitada suhet tähisega n. Lühema langeva lainepikkusega valgus murdub suurema nurga all kui pikema lainepikkusega valgus.
Valge tuli on kõigi võimalike lainepikkustega footonite valguse kombinatsioon. Nähtavas spektris on punane tuli kõige pikema lainepikkusega, millele järgneb oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne (ROYGBIV). Need on vikerkaare värvid, kuid näete neid ainult kolmnurksest prismast.
Mis on erilist kolmnurkse prisma kohta?
Kui valgus liigub väiksema tihedusega tihedamast keskkonnast, nagu prisma sisenemisel, jaguneb see oma komponendi lainepikkusteks. Need liituvad uuesti, kui valgus väljub prismast ja kui kaks prisma nägu on paralleelsed, näeb vaatleja valge valguse tekkimist. Tegelikult on lähemal vaatlusel näha õhuke punane joon ja õhuke violetne joon. Need on tõendid pisut erineva hajumisnurga kohta, mis on põhjustatud prismamaterjali valguskiire aeglustumisest.
Kui prisma on kolmnurkne, siis on tala sisenemisel ja sealt väljumisel kaldenurgad erinevad, seega on ka refraktsiooni nurgad. Kui hoiate prismat õige nurga all, näete spektrit, mille moodustavad üksikute lainepikkused.
Languskiire ja tekkiva tala nurga erinevust nimetatakse kõrvalekaldenurgaks. Kui prisma on ristkülikukujuline, on see nurk kõigi lainepikkuste puhul põhimõtteliselt null. Kui pinnad asetsevad paralleelselt, ilmneb iga lainepikkus oma iseloomuliku kõrvalekaldenurgaga ja vaadeldava vikerkaare ribad suurenevad prisma kauguse suurenemisega.
Veepiisad võivad vikerkaare moodustamiseks toimida nagu prismad
Kahtlemata olete vikerkaart näinud ja võite küsida, miks näete neid ainult siis, kui päike on teie taga ja olete pilvede või vihmapilve all kindla nurga all. Valgus murdub veetilgas sees, kuid kui see oleks kogu lugu, oleks vesi olnud teie ja päikese vahel ning see pole just see, mis tavaliselt juhtub.
Erinevalt prismadest on veepiisad ümmargused. Juhuslik päikesevalgus murrab õhu ja vee liidesel ning osa sellest läbib ja väljub teiselt poolt, kuid see pole valgus, mis tekitab vikerkaare. Osa valgust peegeldub veetilga sees ja väljub tilga samast küljest. See on vikerkaare tekitav valgus.
Päikesevalguse trajektoor on allapoole. Valgus võib väljuda vihmapiiri suvalisest osast, kuid suurima kontsentratsiooni kaldenurk on umbes 40 kraadi. Tilkade kogum, millest selle konkreetse nurga all valgus välja tuleb, moodustavad taeva ringikujulise kaare. Kui te näeksite vikerkaart lennukist, näeksite täielikku ringi, kuid maapinnast lõigatakse pool ringi ära ja näete ainult tüüpilist poolringikujulist kaare.