Lapsed esitavad sageli lihtsaid küsimusi, mis panevad teid mõtlema, kas saate oma teemast tõesti aru. Minu noor tuttav nimega Collin imestas, miks vikerkaare värvid olid alati samas järjekorras - punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo, violetne. Miks nad ei segune?
Tuttav jada on jäädvustatud kuulsas Roy G. Biv akronüüm, mis kirjeldab vikerkaarevärvide jada, mis algab punasega, millel on pikim lainepikkus, ja lõpeb violetsega, kõige lühemaga. Lainepikkus - kahe järjestikuse laineharja vaheline kaugus - ja sagedus, valguse lainete arv, mis läbivad antud punkti igal sekundil, määravad valguse värvi.
Meie võrkkesta koonuserakud reageerivad valguse lainepikkustele vahemikus 650 nanomeetrit (punane) kuni 400 (violetne). A nanomeeter on võrdne ühe miljardi meetriga. Arvestades, et inimese juuksed on 80 000–100 000 nanomeetrit laiad, on nähtavad valguslained tõepoolest pisikesed asjad.
Miks siis Roy G. Biv ja mitte Rob G. Ivy? Kui valgus läbib vaakumit, teeb see seda sirgjooneliselt, ilma tippkiirusega 186 000 miili sekundis (300 000 km / sek). Selle kiirusega on universumis kõige kiiremini teada, nagu on kirjeldatud Einsteini raamatus Relatiivsusteooria eriline teooria, arvutiekraanilt teie silmadele liikuv valgus võtab vaid umbes 1/1 000 000 000 sekundit. Kurat kiiresti.
Kuid kui vaatame ekraanist kaugemale, suurele, laiale universumile, paistab valgus aeglaselt indekseerimiseni, kulutades kõik 4,4 tundi lihtsalt Pluutoni jõudmiseks ja 25 000 aastat selleks, et lennata Linnutee galaktika keskel asuva musta augu kaudu. Kas pole midagi kiiremat? Einstein vastaks rõhutatult “Ei!”
Üks valguse kõige huvitavamaid omadusi on see, et see muudab kiirust sõltuvalt liikumiskeskkonnast. Kui valguskiire kiirus läbi õhu on peaaegu sama kui vaakumis, aeglustavad paksemad keskkonnad seda märkimisväärselt. Üks tuttavamaid on vesi. Kui valgus ületab õhust vette, näiteks vihmapiisk, langeb selle kiirus 140 430 miili sekundini (226 000 km / sek). Klaas aeglustab valguskiirte kiirust 124 275 miili sekundis, samal ajal kui teemandi moodustavad süsinikuaatomid vähendavad selle kiirust vaid 77 670 miili sekundis.
Miks valgus aeglustub, on natuke keeruline, kuid nii huvitav, võtame protsessi kirjeldamiseks natuke aega. Vette sisenev valgus imendub koheselt hapniku ja vesiniku aatomites, põhjustades nende elektronide hetkega vibreerimist, enne kui see uuesti valguseks eraldub. Taas vaba, liigub tala nüüd edasi, kuni see satub rohkematesse aatomitesse, nende elektronid vibreerivad ja taaskehastatakse. Ja jälle. Ja jälle.
Nagu monteerimisliin, jätkub neeldumis- ja remissioonitsükkel, kuni kiir väljub tilgast. Ehkki iga valguse footon (või laine - teie valik) liigub valguse vaakumi kiirusel aatomitevahelistes tühimikes, liituvad neeldumis- ja remissiooniprotsesside minutilised viivitused, põhjustades valguskiire netokiiruse aeglustumist . Kui see lõpuks tilgast väljub, jätkab see normaalset kiirust läbi õhulise õhu.
Naaskem nüüd vikerkaare juurde. Kui valgus liigub ühest keskkonnast teise ja selle kiirus langeb, siis ka see paindub või refräänitud. Plokige veega täidetud klaasist pliiats ja näete, mida ma mõtlen.
Kuni selle hetkeni oleme rääkinud ainult valgest valgust, kuid nagu me kõik juba algteaduses õppisime, viis Sir Isaac Newton läbi katsed prismadega aastal ja avastas, et valge tuli koosneb kõigist vikerkaarevärvidest. Pole üllatav, et kõik need värvid liiguvad veetilga kaudu pisut erineval kiirusel. Punane tuli interakteerub aatomite elektronidega vaid nõrgalt ning on refraktsiooni ja aeglustumisega kõige vähem. Lühema lainepikkusega violetne valgus interakteerub elektronidega tugevamalt ja kannatab suurema murdumise ja aeglustumise all.
Vikerkaare moodustub siis, kui miljardid veepiisad toimivad nagu miniatuursed prismad ja murravad päikesevalgust. Violetne (kõige murdunud) ilmub kaare põhjas või siseservas. Oranž ja kollane murduvad veidi vähem kui violetsed ja võtavad vikerkaare keskosa. Punane tuli, mida murdumine mõjutab kõige vähem, ilmub kaare välisserva mööda.
Kuna nende kiirus vee (ja muude keskkondade) kaudu on valguse kindel omadus ja kuna kiirus määrab, kui palju kumbagi õhk-vesi ületades on painutatud, siis langevad nad alati Roy G. Bivina ritta. Või vastupidises järjekorras, kui valgusvihk peegeldabkaks korda enne väljumist vihmapiiskades, kuid värvi suhe värviga säilib alati. Loodus seda ei tee ega saa juhuslikult segada. Nagu Star Treki Scotty ütleks: "Te ei saa füüsikaseadusi muuta!"
Collini algsele küsimusele vastamiseks püsivad valguse värvid alati samas järjekorras, sest vihmapiiska või prisma kaudu nurga all murdumisel liigub igaüks erineva kiirusega.
Valgus ei muuda mitte ainult uuele meediumile sisenedes kiirust, vaid ka lainepikkus, kuid sagedus jääb samaks. Kuigi lainepikkus võib olla kasulik viis valguse värvide kirjeldamiseks ühes keskkonnas (näiteks õhus), siis see ei toimi, kui valgus siirdub ühest keskkonnast teise. Selle jaoks me sõltume selle sagedusest või sellest, mitu värvilise valguse lainet läbib seatud punkti sekundis.
Kõrgema sagedusega violetne valgus krampleb 790 triljonit lainet sekundis (tsüklit sekundis) vs 390 triljonit punast. Huvitav on see, et mida kõrgem on sagedus, seda rohkem energiat konkreetne valguse maitse kannab, on üks põhjus, miks ultraviolettvalgus annab teile päikesepõletuse ja punane tuli.
Kui päikesevalguskiir siseneb vihmapiisku, väheneb valguslaine järjestikuse harja vaheline kaugus, lühendades valgusvihu lainepikkust. See võib panna mõtlema, et vihmapiiskade läbimisel peab selle värv muutuma sinakamaks. Seda ei tehta, kuna sagedus jääb samaks.
Mõõdame sagedust, jagades punkti ajaühikus mööduvate laineharjumuste arvu. Täiendav aeg, mis kulub tilga läbimiseks, tühistab kiire kiiruse langusest põhjustatud lainepikkuse lühenemise, säilitades kiire kiiruse sageduse ja seega värvi. Klõpsake nuppu SIIN täiendava selgituse saamiseks.
Miks prismad / vihmapiisad painutavad ja eraldavad valgust
Enne kui me kokku mässime, jääb meie mõtetes kõlama vastamata küsimus, mis tiksub. Miks paindub valgus just siis, kui see paistab läbi vee või klaasi? Miks mitte lihtsalt otse läbi minna? Noh, kui see juhtub, läbib valgus otse läbi risti keskmisele. Ainult siis, kui see saabub küljelt nurga all, paindub see. See on sarnane sissetuleva ookeanilaine vaatamisega kalju ümber. Kena visuaalse selgituse saamiseks soovitan ülaltoodud suurepärast lühikest videot.
Oh, ja Collin, tänud selle sõbra eest!
