Lapset kysyvät usein yksinkertaisia kysymyksiä, jotka saavat sinut ihmettelemään, ymmärrätkö todella aiheesi. Nuori tuttava, nimeltään Collin, ihmetteli, miksi sateenkaaren värit olivat aina samassa järjestyksessä - punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo, violetti. Miksi he eivät sekoitu?
Tuttu sekvenssi on kaapattu kuuluisaan Roy G. Biv lyhenne, joka kuvaa sateenkaaren värien jaksoa, joka alkaa punaisella, jolla on pisin aallonpituus ja päättyy violettiin, lyhyimmällä. Aallonpituus - kahden peräkkäisen aaltokuoren välinen etäisyys - ja taajuus, tietyn pisteen joka sekunti ohittavien valon aaltojen lukumäärä, määräävät valon värin.
Retinassa olevat kartiosolut reagoivat valon aallonpituuksiin välillä 650 nanometriä (punainen) - 400 (violetti). nanometrin on yhtä miljardi metriä. Kun otetaan huomioon, että ihmisen hiukset ovat 80 000 - 100 000 nanometriä leveitä, näkyvät valoaallot ovat todellakin pieniä asioita.
Joten miksi Roy G. Biv eikä Rob G. Ivy? Kun valo kulkee tyhjiön läpi, se tekee sen suorassa linjassa poikkeamatta huippunopeudellaan 186 000 mailia sekunnissa (300 000 km / s). Tällä nopeudella maailmankaikkeuden nopeimmin tunnetuksi Einsteinin kuvauksessa Erityinen suhteellisuusteoria, tietokoneen näytöltä silmiin kulkeva valo vie vain noin 1/1 000 000 000 sekuntia. Hitto nopeasti.
Mutta kun katsomme näytön ulkopuolelle suureen, laajaan maailmankaikkeuteen, valo näyttää hidastuvan indeksoimaan, kun kaikki 4,4 tuntia kulkee vain Pluton saavuttamiseen ja 25 000 vuotta lentää mustan aukon kautta Linnunradan galaksin keskustassa. Eikö ole jotain nopeampaa? Einstein vastaisi painokkaasti "Ei!"
Yksi valon mielenkiintoisimmista ominaisuuksista on, että se muuttaa nopeutta riippuen väliaineesta, jonka läpi se kulkee. Vaikka säteen nopeus ilman läpi on melkein sama kuin tyhjiössä, ”paksummat” väliaineet hidastavat sitä huomattavasti. Yksi tuttuimmista on vesi. Kun valo siirtyy ilmasta veteen, sanoen sadepisara, sen nopeus laskee 140 430 mailiin sekunnissa (226 000 km / s). Lasi hidastaa valonsäteiden nopeutta 124 275 mailiin / sekunnissa, kun taas timantin muodostavat hiiliatomit murskavat nopeudensa vain 77 670 mailiin / sekunnissa.
Miksi valo hidastuu, on vähän monimutkainen, mutta niin mielenkiintoinen, kuvataan prosessi. Veteen tuleva valo imeytyy heti happi- ja vetyatomeista, aiheuttaen niiden elektronien värähtelyn hetkellisesti ennen kuin se säteilee uudelleen valona. Uudelleen vapaa, säde liikkuu nyt, kunnes se sulautuu useampaan atomiin, saa niiden elektronit värähteleviksi ja saadaan uudelleen reemittiin. Ja uudelleen. Ja uudelleen.
Kuten kokoonpanolinja, imeytymis- ja remisiointisykli jatkuu, kunnes säde poistuu pudotuksesta. Vaikka jokainen valon fotoni (tai aalto - valintasi) kulkee valon tyhjiönopeudella atomien välisissä tyhjiöissä, minuuttiviiveet absorptioprosessin ja remission aikana lisäävät, jotta valonsäteen nettonopeus hidastuu . Kun se lopulta poistuu pudotuksesta, se jatkaa normaalia nopeuttaan ilmavan ilman läpi.
Palataan nyt sateenkaariin. Kun valo siirtyy väliaineelta toiselle ja sen nopeus laskee, se myös taipuu tai taittuu. Läpi lyijykynä veteen täytetyssä lasisessa puolikkaassa ja näet mitä tarkoitan.
Tähän asti olemme puhuneet vain valkoisesta valosta, mutta kuten me kaikki opimme perustieteessä, Sir Isaac Newton johti kokeet prismojen kanssa 1600-luvun lopulla ja huomasi, että valkoinen valo koostuu kaikista sateenkaaren väreistä. Ei ole yllättävää, että jokainen näistä väreistä kulkee vesipisaroiden läpi hiukan eri nopeudella. Punainen valo on vuorovaikutuksessa vain heikosti atomien elektronien kanssa ja taittuu ja hidastuu vähiten. Lyhyemmän aallonpituuden violetti valo on vuorovaikutuksessa voimakkaammin elektronien kanssa ja kärsii suuremmasta taitekertoimesta ja hidastumisesta.
Sateenkaarit muodostuvat, kun miljardeja vesipisaroita toimii kuin pienoisprismia ja taiteellinen auringonvalo. Violetti (kaikkein taitetuin) näkyy kaaren ala- tai sisäreunassa. Oranssi ja keltainen taittuvat hieman vähemmän kuin violetit ja vievät sateenkaaren keskelle. Punainen valo, johon taittuminen on vaikuttanut vähiten, näkyy valokaarin ulkoreunaa pitkin.
Koska niiden nopeus veden (ja muiden väliaineiden) läpi on valon kiinteä ominaisuus, ja koska nopeus määrää, kuinka paljon jokainen on taipunut, kun ne ylittävät ilmasta veteen, ne putoavat aina linjaan Roy G. Biv: inä. Tai käänteisessä järjestyksessä, jos valonsäde heijastaakahdesti sadepisaran sisällä ennen lähtöä, mutta värin ja värin suhde säilyy aina. Luonto ei tee eikä voi sekoittaa sitä sattumanvaraisesti. Kuten Star Trekin Scotty sanoo: "Et voi muuttaa fysiikan lakeja!"
Joten vastatakseen Collinin alkuperäiseen kysymykseen, valon värit pysyvät aina samassa järjestyksessä, koska jokainen kulkee eri nopeudella taitettuna kulmaan sateenpudoksen tai prisman läpi.
Valo ei vain muuta nopeuttaan tullessaan uuteen väliaineeseen, myös sen aallonpituus muuttuu, mutta sen taajuus pysyy samana. Vaikka aallonpituus voi olla hyödyllinen tapa kuvata valon värejä yhdessä väliaineessa (esimerkiksi ilma), se ei toimi, kun valo siirtyy väliaineesta toiseen. Luotamme siihen sen taajuuteen tai siihen, kuinka monta värillisen valon aaltoa ohittaa asetetun pisteen sekunnissa.
Korkeamman taajuuden violetti valo värähtelee 790 biljoonaa aaltoa sekunnissa (jaksoa sekunnissa) vs. 390 biljoonaa punaisella. Mielenkiintoista on, että mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän energiaa tietty valon maku kuljettaa, yksi syy siihen, miksi UV antaa sinulle auringonpolttaman ja punaisen valon.
Kun auringonvalonsäde tulee sadepisaraan, valoaallon kunkin peräkkäisen harjan välinen etäisyys pienenee, lyhentäen säteen aallonpituutta. Se saattaa saada sinut ajattelemaan, että sen värin on saatava sinisempi, kun se kulkee sadepisaran läpi. Ei, koska taajuus pysyy samana.
Mittaamme taajuuden jakamalla pisteen ohittavien aaltokuormien lukumäärä aikayksikköä kohti. Lisäaika, jonka valo kulkee pisaran läpi siististi, peruuttaa säteen nopeuden pudotuksen aiheuttaman aallonpituuden lyhentymisen, säilyttäen säteen taajuuden ja siten värin. Klikkaus TÄSSÄ lisätietoja.
Miksi prismat / sadepisarat taipuvat ja erottavat valon
Ennen kuin kääritään, mielemme takana kutistuu vastaamattomia kysymyksiä. Miksi valo taipuu ensin, kun se loistaa veden tai lasin läpi? Miksi et vain käyisi suoraan läpi? No, valo menee suoraan läpi, jos se on kohtisuora väliaineelle. Vain jos se saapuu kulmaan sivusta, se taipuu. Se on samanlainen kuin tulevan valtameren aallon katsominen kallion ympäri. Hieno visuaalinen selitys, suosittelen erinomaista, lyhyttä videota yllä.
Voi, ja Collin, kiitos siitä kaverista!
