Wodurch wird weißes Licht gestreut?

Inhalt

• Brechung und Beugung treten auf, weil Licht eine Welle ist
• Denken Sie an Licht als Impulse elektromagnetischer Energie
• Warum ein Prisma weißes Licht unter Bildung eines Spektrums streut
• Was ist das Besondere an einem Dreiecksprisma?
• Wassertropfen können sich wie Prismen verhalten und einen Regenbogen bilden

Die Natur des Lichts war in den Wissenschaften des 17. Jahrhunderts eine große Kontroverse, und Prismen standen im Zentrum des Sturms. Einige Wissenschaftler hielten Licht für ein Wellenphänomen, andere für ein Teilchen. Der englische Physiker und Mathematiker Sir Isaac Newton war im ehemaligen Lager - wohl sein Führer -, während der niederländische Philosoph Christiaan Huygens die Opposition anführte.

Die Kontroverse führte schließlich zu dem Kompromiss, dass Licht sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist. Dieses Verständnis war erst mit der Einführung der Quantentheorie in den 1900er Jahren möglich. Fast 300 Jahre lang setzten die Wissenschaftler ihre Experimente fort, um ihre Sichtweise zu bestätigen. Eines der wichtigsten beteiligten Prismen.

Die Tatsache, dass ein Prisma weißes Licht unter Bildung eines Spektrums streut, könnte sowohl durch die Wellen- als auch die Korpuskular-Theorie erklärt werden. Jetzt, da die Wissenschaftler wissen, dass Licht tatsächlich aus Partikeln mit Welleneigenschaften besteht, die Photonen genannt werden, wissen sie besser, was die Lichtstreuung verursacht, und es hat mehr mit Welleneigenschaften zu tun als mit korpuskularen.

Brechung und Beugung treten auf, weil Licht eine Welle ist

Das Lichtbrechung Dies ist der Grund, warum ein Prisma weißes Licht unter Bildung eines Spektrums streut. Die Brechung erfolgt, weil sich Licht in einem dichten Medium wie Glas langsamer ausbreitet als in Luft. Die Bildung eines Spektrums, dessen sichtbare Komponente der Regenbogen ist, ist möglich, weil weißes Licht tatsächlich aus Photonen mit einem ganzen Wellenlängenbereich besteht und jede Wellenlänge in einem anderen Winkel gebrochen wird.

Beugung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Licht durch einen sehr engen Spalt tritt. Die einzelnen Photonen verhalten sich wie Wasserwellen, die durch eine enge Öffnung in einem Ufermauer fließen. Wenn die Wellen die Öffnung passieren, biegen sie sich um die Ecken und breiten sich aus. Wenn Sie den Wellen erlauben, auf einen Bildschirm zu treffen, erzeugen sie ein Muster aus hellen und dunklen Linien, das als Beugungsmuster bezeichnet wird. Der Linienabstand ist eine Funktion des Beugungswinkels, der Wellenlänge des einfallenden Lichts und der Breite des Schlitzes.

Die Beugung ist eindeutig ein Wellenphänomen, aber Sie können die Brechung als Folge der Ausbreitung von Partikeln erklären, wie es Newton getan hat. Um eine genaue Vorstellung davon zu bekommen, was tatsächlich passiert, müssen Sie verstehen, was Licht tatsächlich ist und wie es mit dem Medium interagiert, durch das es wandert.

Denken Sie an Licht als Impulse elektromagnetischer Energie

Wenn Licht eine wahre Welle wäre, würde es ein Medium brauchen, durch das man reisen könnte, und das Universum müsste mit einer gespenstischen Substanz gefüllt werden, die Äther heißt, wie Aristoteles glaubte. Das Michelson-Morley-Experiment bewies jedoch, dass es keinen solchen Ätheräther gibt. Es stellt sich heraus, dass es eigentlich nicht erforderlich ist, die Lichtausbreitung zu erklären, obwohl sich Licht manchmal wie eine Welle verhält.

Licht ist ein elektromagnetisches Phänomen. Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld und umgekehrt, und die Frequenz der Änderungen erzeugt die Impulse, die einen Lichtstrahl bilden. Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit durch ein Vakuum, aber wenn es sich durch ein Medium bewegt, interagieren die Impulse mit den Atomen im Medium und die Geschwindigkeit der Welle nimmt ab.

Je dichter das Medium ist, desto langsamer bewegt sich der Strahl. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten des Ereignisses (v_ich) und gebrochen (v_R) Licht ist eine Konstante (n), die als Brechungsindex für die Grenzfläche bezeichnet wird:

n = v_ich/ v_R

Warum ein Prisma weißes Licht unter Bildung eines Spektrums streut

Wenn ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien trifft, ändert sich die Richtung, und das Ausmaß der Änderung ist abhängig von n. Wenn der Einfallswinkel ist θ_ichund der und der Brechungswinkel ist θ_Rist das Winkelverhältnis gegeben durch Snells Law:

sinθ_R/ sinθ_ich = n

Es gibt noch ein Puzzlestück zu prüfen. Die Geschwindigkeit einer Welle ist ein Produkt aus ihrer Frequenz und ihrer Wellenlänge sowie der Frequenz f des Lichts ändert sich nicht, wenn es die Schnittstelle passiert. Das bedeutet, dass sich die Wellenlänge ändern muss, um das mit bezeichnete Verhältnis beizubehalten n. Licht mit einer kürzeren Einfallswellenlänge wird in einem größeren Winkel gebrochen als Licht mit einer längeren Wellenlänge.

Weißes Licht ist eine Kombination von Photonenlicht mit allen möglichen Wellenlängen. Im sichtbaren Spektrum hat rotes Licht die längste Wellenlänge, gefolgt von Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett (ROYGBIV). Dies sind die Farben des Regenbogens, aber Sie werden sie nur von einem dreieckigen Prisma aus sehen.

Was ist das Besondere an einem Dreiecksprisma?

Wenn Licht von einem weniger dichten zu einem dichteren Medium übergeht, wie es der Fall ist, wenn es in ein Prisma eintritt, wird es in seine Wellenlängenkomponenten aufgeteilt. Diese rekombinieren, wenn das Licht aus dem Prisma austritt und wenn die beiden Prismenflächen parallel sind, sieht ein Beobachter weißes Licht austreten. Tatsächlich sind bei näherer Betrachtung eine dünne rote Linie und eine dünne violette Linie sichtbar. Sie weisen auf geringfügig unterschiedliche Streuwinkel hin, die durch die Verlangsamung des Lichtstrahls im Prismenmaterial verursacht werden.

Wenn das Prisma dreieckig ist, sind die Einfallswinkel beim Ein- und Austritt des Strahls aus dem Prisma unterschiedlich, sodass auch die Brechungswinkel unterschiedlich sind. Wenn Sie das Prisma im richtigen Winkel halten, können Sie das von den einzelnen Wellenlängen gebildete Spektrum sehen.

Die Differenz zwischen dem Winkel des einfallenden Strahls und dem des austretenden Strahls wird als Abweichungswinkel bezeichnet. Dieser Winkel ist für alle Wellenlängen im wesentlichen Null, wenn das Prisma rechteckig ist. Wenn die Flächen nicht parallel sind, tritt jede Wellenlänge mit ihrem eigenen charakteristischen Abweichungswinkel aus und die Bänder des beobachteten Regenbogens werden mit zunehmendem Abstand vom Prisma breiter.

Wassertropfen können sich wie Prismen verhalten und einen Regenbogen bilden

Sie haben zweifellos einen Regenbogen gesehen und fragen sich vielleicht, warum Sie ihn nur sehen können, wenn die Sonne hinter Ihnen und Ihnen in einem bestimmten Winkel zu den Wolken oder zu einem Regenschauer steht. Licht wird in einem Wassertropfen gebrochen, aber wenn das die ganze Geschichte wäre, wäre das Wasser zwischen dir und der Sonne, und das ist nicht das, was normalerweise passiert.

Im Gegensatz zu Prismen sind Wassertropfen rund. Einfallendes Sonnenlicht wird an der Luft / Wasser-Grenzfläche gebrochen und ein Teil davon wandert durch die andere Seite und tritt von dort aus aus, aber das ist nicht das Licht, das Regenbogen erzeugt. Ein Teil des Lichts wird im Wassertropfen reflektiert und tritt auf derselben Seite des Tropfens aus. Das ist das Licht, das den Regenbogen erzeugt.

Das Licht der Sonne hat eine Abwärtsbahn. Licht kann aus jedem Teil des Regentropfens austreten, aber die größte Konzentration weist einen Abweichungswinkel von etwa 40 Grad auf. Die Ansammlung von Tröpfchen, aus denen Licht in diesem bestimmten Winkel austritt, bildet einen Kreisbogen am Himmel. Wenn Sie den Regenbogen von einem Flugzeug aus sehen könnten, könnten Sie einen vollständigen Kreis sehen, aber vom Boden aus ist der halbe Kreis abgeschnitten und Sie sehen nur den typischen Halbkreisbogen.