Otroci pogosto postavljajo preprosta vprašanja, zaradi katerih se sprašujete, ali res razumete svojo temo. Mladi moji znanec Collin se je vprašal, zakaj so barve mavrice vedno v istem vrstnem redu - rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična. Zakaj se ne mešajo?
Znano zaporedje je zajeto v znanem Roy G. Biv akronim, ki opisuje zaporedje mavričnih barv, ki se začnejo z rdečo, ki ima najdaljšo valovno dolžino in se konča v vijolični, najkrajši. Valovna dolžina - razdalja med dvema zaporednima valovoma valov - in frekvenco, število svetlobnih valov, ki vsako sekundo prehajajo določeno točko, določajo barvo svetlobe.
Konusne celice v naših mrežnicah se odzivajo na valovne dolžine svetlobe med 650 nanometrov (rdeča) do 400 (vijolična). A nanometra je enaka milijardi metra. Glede na to, da je človeški lasje širok 80.000–100.000 nanometrov, so vidni svetlobni valovi res majhne stvari.
Zakaj torej Roy G. Biv in ne Rob G. Ivy? Ko svetloba prehaja skozi vakuum, to počne v ravni črti, brez odstopanja, pri največji hitrosti 186.000 milj na sekundo (300.000 km / sek). S to hitrostjo, ki je najhitreje znana v vesolju, kot je opisano v Einsteinovih Posebna teorija relativnosti, svetloba, ki potuje iz računalniškega zaslona v vaše oči, traja le približno 1 / 1.000.000.000 sekund. Prekleto hitro.
Ko pa pogledamo onkraj zaslona v veliko, široko vesolje, se zdi, da svetloba počasi plazi in traja vsega 4,4 ure, da dosežemo Pluton in 25000 let, da letimo po črni luknji v središču galaksije Mlečna pot. Ali ni kaj hitrejšega? Einstein bi odgovoril z izrazitim "Ne!"
Ena najzanimivejših lastnosti svetlobe je, da spreminja hitrost, odvisno od medija, skozi katerega potuje. Medtem ko je hitrost žarka skozi zrak skoraj enaka kot v vakuumu, ga "debelejši" mediji znatno upočasnijo. Ena najbolj poznanih je voda. Ko svetloba prehaja iz zraka v vodo, recimo deževna kaplja, njena hitrost pade na 140.430 milj na sekundo (226.000 km / sek). Steklo zadržuje svetlobne žarke na 124.275 milj / sekundo, medtem ko ogljikovi atomi, ki sestavljajo diamant, krčijo njegovo hitrost do le 77.670 milj / sekundo.
Zakaj se svetloba upočasni, je nekoliko zapleteno, a tako zanimivo, vzemimo si trenutek, da opišemo postopek. Svetloba, ki vstopa v vodo, takoj absorbira atome kisika in vodika, zaradi česar njihovi elektroni v trenutku vibrirajo, preden se oddajajo kot svetloba. Spet prost, žarek zdaj potuje naprej, dokler se ne razbije na več atomov, ko elektroni vibrirajo in se ponovno sprožijo. In spet. In spet.
Tako kot montažna linija se tudi cikel absorpcije in ponovne oddaje nadaljuje, dokler žarek ne pusti kapljice. Čeprav vsak foton (ali val - vaša izbira) svetlobe potuje s svetlobno vakuumsko hitrostjo svetlobe v prazninah med atomi, se minutni časovni zamiki med postopkom absorpcije in ponovne oddaje seštevajo, da se neto hitrost svetlobnega snopa upočasni . Ko končno pusti kapljico, nadaljuje svojo normalno hitrost skozi zračen zrak.
Vrnimo se zdaj k mavricam. Ko svetloba prehaja iz enega medija v drugega in njegova hitrost pada, se tudi upogne oz lomljeno. Nalijte svinčnik v kozarec, napolnjen z vodo, in videli boste, kaj mislim.
Do zdaj smo govorili samo o beli svetlobi, toda kot smo se vsi naučili v osnovni znanosti, je sir Isaac Newton vodil poskusi s prizmami v poznih 1600-ih letih in ugotovil, da belo svetlobo sestavljajo vse barve mavrice. Ne preseneča, da vsaka od teh barv po kapljici vode potuje z nekoliko drugačno hitrostjo. Rdeča svetloba deluje le šibko z elektroni atomov, najmanj pa se lomi in upočasni. Vijolična svetloba krajše valovne dolžine močneje deluje z elektroni in ima večjo stopnjo loma in upočasnjevanja.
Mavrice se oblikujejo, ko milijarde vodnih kapljic delujejo kot miniaturne prizme in lomijo sončno svetlobo. Vijolična (najbolj lomljena) se pokaže na dnu ali na notranjem robu loka. Oranžna in rumena sta ločena nekoliko manj kot vijolična in zavzemata sredino mavrice. Ob zunanjem robu loka se pojavi rdeča svetloba, ki jo najmanj vpliva refrakcija.
Ker so njihove hitrosti skozi vodo (in druge medije) določena lastnost svetlobe in ker hitrost določa, koliko je vsak upognjen, ko prehaja iz zraka v vodo, vedno pade v vrsto kot Roy G. Biv. Ali pa obratni vrstni red, če se svetlobni žarek odbijadvakrat znotraj kapljice pred izstopom, vendar je odnos barve do barve vedno ohranjen. Narava sheme ne more in ne more naključno mešati. Kot bi rekel Scotty iz Star Treka: "Ne moreš spremeniti zakonov fizike!"
Da bi odgovorili na prvotno Collinovo vprašanje, svetle barve vedno ostanejo v istem vrstnem redu, saj vsaka potuje z drugačno hitrostjo, če se lomi pod kotom skozi kapljico ali prizmo.
Ne le, da svetloba spreminja svojo hitrost, ko vstopi v nov medij, spremeni se tudi njegova valovna dolžina, ampak tudi njena frekvenca ostane enaka. Čeprav je valovna dolžina lahko koristen način za opis barv svetlobe v enem mediju (na primer zrak), ne deluje, kadar svetloba prehaja iz enega medija na drugega. Za to se zanašamo na njegovo frekvenco ali koliko valov obarvane svetlobe preide določeno točko na sekundo.
Vijolična svetloba višje frekvence krči v 790 bilijonov valov na sekundo (cikli na sekundo) v primerjavi z 390 bilijoni za rdečo. Zanimivo je, da višja kot je frekvenca, več energije nosi določen okus svetlobe, en razlog, zaradi katerega vam bo UV sončna opeklina in rdeča svetloba ne bosta.
Ko žarek sončne svetlobe vstopi v kapljico, se razdalja med vsakim zaporednim grebenom svetlobnega vala zmanjša, kar skrajša valovno dolžino žarka. Zaradi tega boste morda pomislili, da mora ta barva, ko gre skozi kapljico, postati bolj modra. Ne gre, ker frekvenca ostane enaka
Frekvenco merimo tako, da delimo število valovnih valov, ki prehajajo točko na enoto časa. Dodatni čas, potreben za luč skozi kapljico, lepo prekliče krajšanje valovne dolžine, ki ga povzroči padec hitrosti, pri čemer se ohrani frekvenca žarka in s tem tudi barva. Kliknite TUKAJ za nadaljnjo razlago.
Zakaj se prizme / dežne kaplje upognejo in ločijo svetlobo
Preden zavijemo, ostane še neodgovorjeno vprašanje, ki v tistem umu zazveni. Zakaj se svetloba najprej upogne, ko sije skozi vodo ali steklo? Zakaj ne bi šli naravnost skozi? No, svetloba gre naravnost skozi, če je pravokotno na medij. Le če pride pod kotom od strani, se bo upognil. Podobno je kot gledanje prihajajočega oceanskega vala, ki se vije okoli pečine. Za lepo vizualno razlago priporočam zgornji odličen, kratek video.
Oh, Collin, hvala za to vprašanje prijatelj!
