Inhoud
- Breking en diffractie treden op omdat licht een golf is
- Zie licht als pulsen van elektromagnetische energie
- Waarom een prisma wit licht verspreidt en een spectrum vormt
- Wat is er speciaal aan een driehoekig prisma?
- Waterdruppeltjes kunnen als prisma's werken om een regenboog te vormen
De aard van het licht was een belangrijke controverse in de wetenschappen in de jaren 1600 en prisma's bevonden zich in het midden van de storm. Sommige wetenschappers geloofden dat licht een golffenomeen was en sommigen dachten dat het een deeltje was. De Engelse natuurkundige en wiskundige Sir Isaac Newton was in het voormalige kamp - aantoonbaar de leider - terwijl de Nederlandse filosoof Christiaan Huygens de oppositie leidde.
De controverse resulteerde uiteindelijk in het compromis dat licht zowel een golf als een deeltje is. Dit begrip was niet mogelijk tot de introductie van de kwantumtheorie in de jaren 1900, en gedurende bijna 300 jaar bleven wetenschappers experimenten uitvoeren om hun standpunt te bevestigen. Een van de belangrijkste betrokken prisma's.
Het feit dat een prisma wit licht verspreidt dat een spectrum vormt, kan worden verklaard door zowel de golf- als de corpusculaire theorie. Nu wetenschappers weten dat licht eigenlijk bestaat uit deeltjes met golfkarakteristieken die fotonen worden genoemd, hebben ze een beter idee van wat lichtverspreiding veroorzaakt, en het blijkt meer te maken te hebben met golfeigenschappen dan corpusculaire.
Breking en diffractie treden op omdat licht een golf is
De breking van licht is de reden waarom een prisma wit licht verspreidt en een spectrum vormt. Breking treedt op omdat licht langzamer reist in een dicht medium, zoals glas, dan in de lucht. De vorming van een spectrum, waarvan de regenboog de zichtbare component is, is mogelijk omdat wit licht feitelijk bestaat uit fotonen met een hele reeks golflengten, en elke golflengte breekt onder een andere hoek.
Diffractie is een fenomeen dat optreedt wanneer licht door een zeer nauwe spleet gaat. De individuele fotonen gedragen zich als watergolven die door een nauwe opening in een zeewering passeren. Terwijl de golven door de opening gaan, buigen ze zich om de hoeken en verspreiden ze zich, en als je de golven een scherm laat raken, produceren ze een patroon van lichte en donkere lijnen, een diffractiepatroon. De lijnscheiding is een functie van de diffractiehoek, de golflengte van het invallende licht en de breedte van de spleet.
Diffractie is duidelijk een golffenomeen, maar je kunt breking verklaren als gevolg van de verspreiding van deeltjes, zoals Newton deed. Om een goed beeld te krijgen van wat er feitelijk gebeurt, moet je begrijpen wat licht eigenlijk is en hoe het samenwerkt met het medium waardoor het reist.
Zie licht als pulsen van elektromagnetische energie
Als licht een ware golf was, zou het een medium nodig hebben om door te reizen, en het universum zou gevuld moeten zijn met een spookachtige substantie die de ether wordt genoemd, zoals Aristoteles geloofde. Het Michelson-Morley-experiment bewees echter dat er geen ether bestaat. Het blijkt dat het eigenlijk niet nodig is om de voortplanting van het licht te verklaren, hoewel licht zich soms als een golf gedraagt.
Licht is een elektromagnetisch fenomeen. Een veranderend elektrisch veld creëert een magnetisch veld en omgekeerd, en de frequentie van de veranderingen creëert de pulsen die een lichtstraal vormen. Licht reist met een constante snelheid wanneer het door een vacuüm reist, maar wanneer het door een medium reist, werken de pulsen samen met de atomen in het medium en neemt de snelheid van de golf af.
Hoe dichter het medium, hoe langzamer de straal reist. De verhouding van snelheden van incident (vik) en gebroken (vR) licht is een constante (n) genaamd de brekingsindex voor de interface:
n = vik/ vR
Waarom een prisma wit licht verspreidt en een spectrum vormt
Wanneer een lichtstraal de interface tussen twee media raakt, verandert deze van richting en is de hoeveelheid verandering afhankelijk van n. Als de invalshoek is θik, en de en de brekingshoek is θR, wordt de verhouding van hoeken gegeven door Snells Law:
sinR/ sinik = n
Er is nog een puzzelstukje om te overwegen. De snelheid van een golf is een product van zijn frequentie en zijn golflengte, en de frequentie f van het licht verandert niet als het de interface passeert. Dat betekent dat de golflengte moet veranderen om de door aangegeven verhouding te behouden n. Licht met een kortere invallende golflengte wordt onder een grotere hoek gebroken dan licht met een langere golflengte.
Wit licht is een combinatie van fotonenlicht met alle mogelijke golflengten. In het zichtbare spectrum heeft rood licht de langste golflengte, gevolgd door oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet (ROYGBIV). Dit zijn de kleuren van de regenboog, maar je ziet ze alleen vanuit een driehoekig prisma.
Wat is er speciaal aan een driehoekig prisma?
Wanneer licht van een minder dicht naar een meer dicht medium gaat, zoals het doet wanneer het een prisma binnengaat, splitst het zich in zijn samenstellende golflengten. Deze combineren wanneer het licht het prisma verlaat en als de twee prismagezichten parallel zijn, ziet een waarnemer wit licht naar voren komen. Eigenlijk zijn bij nadere inspectie een dunne rode lijn en een dunne violette zichtbaar. Ze zijn het bewijs van enigszins verschillende spreidingshoeken veroorzaakt door de vertraging van de lichtstraal in het prismamateriaal.
Wanneer het prisma driehoekig is, zijn de invalshoeken bij het binnenkomen en verlaten van het prisma verschillend, dus zijn de brekingshoeken ook verschillend. Wanneer u het prisma in de juiste hoek houdt, kunt u het spectrum zien dat wordt gevormd door de afzonderlijke golflengten.
Het verschil tussen de hoek van de invallende straal en die van de opkomende straal wordt de afwijkingshoek genoemd. Deze hoek is in wezen nul voor alle golflengten wanneer het prisma rechthoekig is. Wanneer de vlakken niet parallel zijn, verschijnt elke golflengte met zijn eigen karakteristieke afwijkingshoek en nemen de banden van de waargenomen regenboog toe met toenemende afstand tot het prisma.
Waterdruppeltjes kunnen als prisma's werken om een regenboog te vormen
Je hebt ongetwijfeld een regenboog gezien en je vraagt je misschien af waarom je ze alleen kunt zien als de zon achter je staat en je in een bepaalde hoek staat ten opzichte van de wolken of een regenbui. Licht breekt wel in een waterdruppeltje, maar als dat het hele verhaal was, zou het water tussen jou en de zon moeten zijn, en dat is niet wat er meestal gebeurt.
In tegenstelling tot prisma's zijn waterdruppeltjes rond. Incident zonlicht breekt op de lucht / water-interface, en een deel ervan reist wel door en komt uit de andere kant, maar dat is niet het licht dat regenbogen produceert. Een deel van het licht reflecteert in de waterdruppel en komt uit dezelfde kant van de druppel. Dat is het licht dat de regenboog produceert.
Het licht van de zon heeft een neerwaarts traject. Licht kan uit elk deel van de regendruppel komen, maar de grootste concentratie heeft een afwijkingshoek van ongeveer 40 graden. De verzameling druppeltjes waaruit vanuit deze specifieke hoek licht tevoorschijn komt, vormt een cirkelvormige boog in de lucht. Als je de regenboog vanuit een vliegtuig zou kunnen zien, zou je een complete cirkel kunnen zien, maar vanaf de grond is de halve cirkel afgesneden en zie je alleen de typische halfronde boog.