Dzieci często zadają proste pytania, które sprawiają, że zastanawiasz się, czy naprawdę rozumiesz swój temat. Mój młody znajomy Collin zastanawiał się, dlaczego kolory tęczy były zawsze w tej samej kolejności - czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy. Dlaczego się nie mieszają?
Znana sekwencja została uchwycona w słynnym Roy G. Biv akronim, który opisuje sekwencję kolorów tęczy, zaczynając od czerwieni, która ma najdłuższą długość fali, a kończąc na fioletu, najkrótszą. Długość fali - odległość między dwoma kolejnymi grzbietami fal - i częstotliwość, liczba fal światła, które przechodzą przez dany punkt co sekundę, określają kolor światła.
Komórki stożkowe w naszych siatkówkach reagują na długości fali światła od 650 nanometrów (czerwony) do 400 (fioletowy). ZA nanometr jest równy jednej miliardowej metra. Biorąc pod uwagę, że ludzki włos ma szerokość 80 000-100 000 nanometrów, fale światła widzialnego są naprawdę drobnymi rzeczami.
Dlaczego więc Roy G. Biv, a nie Rob G. Ivy? Kiedy światło przechodzi przez próżnię, robi to w linii prostej bez odchyleń przy prędkości maksymalnej 186 000 mil na sekundę (300 000 km / s). Przy tej prędkości najszybszy znany we wszechświecie, jak opisano w Einsteinie Specjalna teoria względności, światło przemieszczające się z ekranu komputera do twoich oczu zajmuje tylko około 1/1 000 000 000 sekund. Cholernie szybko.
Ale kiedy patrzymy poza ekran do wielkiego, szerokiego wszechświata, światło wydaje się zwalniać do pełzania, zajmuje 4,4 godziny, aby dotrzeć do Plutona i 25 000 lat latać nad czarną dziurą w centrum galaktyki Drogi Mlecznej. Czy nie ma czegoś szybszego? Einstein odpowiedziałby stanowczym „nie!”
Jedną z najciekawszych właściwości światła jest to, że zmienia prędkość w zależności od medium, przez które podróżuje. Podczas gdy prędkość wiązki w powietrzu jest prawie taka sama jak w próżni, „grubsze” media znacznie ją spowalniają. Jednym z najbardziej znanych jest woda. Kiedy światło przepływa z powietrza do wody, powiedzmy kropla deszczu, jego prędkość spada do 140,430 mil na sekundę (226 000 km / s). Szkło opóźnia promienie świetlne do 124.275 mil / sekundę, podczas gdy atomy węgla tworzące diament zmniejszają swoją prędkość do 77.670 mil / sekundę.
Dlaczego światło zwalnia jest nieco skomplikowane, ale tak interesujące, poświęćmy chwilę na opisanie tego procesu. Światło wchodzące do wody natychmiast zostaje pochłonięte przez atomy tlenu i wodoru, powodując, że ich elektrony wibrują przez chwilę, zanim ponownie emitują jako światło. Znowu uwolniona, wiązka płynie teraz, aż uderzy w więcej atomów, sprawi, że ich elektrony zaczną wibrować i ponownie zostanie oddana. I ponownie. I ponownie.
Podobnie jak linia montażowa, cykl absorpcji i reemisji trwa, dopóki promień nie opuści kropli. Mimo że każdy foton (lub fala - do wyboru) światło przemieszcza się z próżniową prędkością światła w pustych przestrzeniach między atomami, niewielkie opóźnienia czasowe w procesie absorpcji i ponownej emisji sumują się, powodując spowolnienie prędkości netto wiązki światła . Kiedy w końcu opuszcza kroplę, powraca do normalnej prędkości w powietrzu.
Wróćmy teraz do tęcz. Kiedy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, a jego prędkość spada, również ulega wygięciu lub załamane. Umieść ołówek w szklance wypełnionej do połowy wodą, a zobaczysz, co mam na myśli.
Do tego momentu mówiliśmy tylko o białym świetle, ale jak wszyscy nauczyliśmy się elementarnych nauk, Sir Isaac Newton przeprowadził eksperymenty z pryzmatami pod koniec XVI wieku odkrył, że białe światło składa się ze wszystkich kolorów tęczy. Nic dziwnego, że każdy z tych kolorów porusza się z nieco inną prędkością przez kroplę wody. Czerwone światło oddziałuje tylko słabo z elektronami atomów i ulega załamaniu i spowalnia najmniej. Światło fioletowe o krótszej długości fali oddziałuje silniej z elektronami i cierpi z powodu większego stopnia załamania i spowolnienia.
Tęcze powstają, gdy miliardy kropelek wody działają jak miniaturowe pryzmaty i załamują światło słoneczne. Fiolet (najbardziej załamany) pojawia się na dolnej lub wewnętrznej krawędzi łuku. Pomarańczowy i żółty załamują się nieco mniej niż fiolet i zajmują środek tęczy. Czerwone światło, najmniej dotknięte refrakcją, pojawia się wzdłuż zewnętrznej krawędzi łuku.
Ponieważ ich prędkości w wodzie (i innych mediach) są ustaloną właściwością światła, a ponieważ prędkość określa, jak bardzo każda jest zgięta podczas przechodzenia z powietrza do wody, zawsze są one zgodne jako Roy G. Biv. Lub w odwrotnej kolejności, jeśli wiązka światła odbijadwa razy wewnątrz kropli deszczu przed wyjściem, ale stosunek koloru do koloru jest zawsze zachowany. Natura nie ma i nie może losowo pomieszać schematu. Jak powiedziałby Scotty ze Star Trek: „Nie możesz zmienić praw fizyki!”
Aby więc odpowiedzieć na oryginalne pytanie Collina, kolory światła zawsze pozostają w tej samej kolejności, ponieważ każde z nich porusza się z inną prędkością, gdy załamuje się pod kątem przez kroplę deszczu lub pryzmat.
Światło nie tylko zmienia prędkość, gdy wchodzi do nowego ośrodka, zmienia się długość fali, ale jego częstotliwość pozostaje taka sama. Chociaż długość fali może być użytecznym sposobem na opisanie kolorów światła w jednym ośrodku (na przykład w powietrzu), nie działa, gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego. W tym celu opieramy się na jego częstotliwości lub liczbie fal barwnego światła przechodzących przez zadaną wartość na sekundę.
Fioletowe światło o wyższej częstotliwości w 790 bilionach fal na sekundę (cykle na sekundę) w porównaniu z 390 bilionami dla czerwieni. Co ciekawe, im wyższa częstotliwość, tym więcej energii przenosi dany smak światła, jeden z powodów, dla którego promieniowanie UV spowoduje oparzenia słoneczne, a czerwone światło nie.
Kiedy promień światła słonecznego wchodzi w kroplę deszczu, odległość między każdym kolejnym grzbietem fali świetlnej zmniejsza się, skracając długość fali wiązki. To może sprawić, że pomyślisz, że jego kolor musi stać się „bardziej niebieski”, gdy przechodzi przez kroplę deszczu. Nie dzieje się tak, ponieważ częstotliwość pozostaje taka sama.
Mierzymy częstotliwość dzieląc liczbę grzbietów fal przechodzących przez punkt na jednostkę czasu. Dodatkowy czas, jaki światło potrzebuje na przebycie się przez kroplę, starannie anuluje skrócenie długości fali spowodowane spadkiem prędkości promienia, zachowując częstotliwość wiązki, a tym samym kolor. Kliknij TUTAJ dla dalszego wyjaśnienia.
Dlaczego pryzmaty / krople deszczu wyginają się i oddzielają światło
Zanim zakończymy, pozostaje pytanie, na które nie ma odpowiedzi, łaskotanie w naszych umysłach. Dlaczego światło zgina się przede wszystkim, gdy świeci przez wodę lub szkło? Dlaczego nie przejść prosto? Cóż, światło przechodzi prosto, jeśli tak jest prostopadły do medium. Wygina się tylko wtedy, gdy znajdzie się pod kątem z boku. Przypomina to obserwowanie nadchodzącej fali oceanicznej, która wygina się wokół klifu. Dla miłego wizualnego wyjaśnienia polecam powyższy doskonały, krótki film.
Och i Collin, dzięki za to pytanie, kolego!
