מה גורם לפיזור האור הלבן?

תוֹכֶן

• שבירה ובירידה מתרחשים מכיוון שאור הוא גל
• חשוב על האור כקטניות של אנרגיה אלקטרומגנטית
• מדוע פריזמה מפזרת אור לבן היוצר ספקטרום
• מה מיוחד בפריזמה משולשת?
• טיפות מים יכולות לפעול כמו מנסרות ליצירת קשת

אופי האור היה מחלוקת גדולה במדעים בשנות ה- 1600, והפריזות היו במרכז הסערה. חלק מהמדענים האמינו שאור הוא תופעת גלים, וחלקם חשבו שמדובר בחלקיק. הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי סר איזק ניוטון היה במחנה לשעבר - ככל הנראה מנהיגו - ואילו הפילוסוף ההולנדי כריסטיאן הויגנס עמד בראש האופוזיציה.

המחלוקת הביאה בסופו של דבר לפשרה שאור הוא גם גל וגם חלקיק. הבנה זו לא הייתה אפשרית עד להכנסת תורת הקוונטים בשנות העשרים, ובמשך כמעט 300 שנה, המשיכו המדענים לבצע ניסויים כדי לאשש את נקודת המבט שלהם. אחד המנסרות החשובות ביותר.

העובדה שמנסרה מפזרת אור לבן היוצר ספקטרום יכולה להיות מוסברת על ידי התיאוריה הגלית והגופית. כעת, כאשר מדענים יודעים שאור מורכב למעשה מחלקיקים עם מאפייני גלים הנקראים פוטונים, יש להם מושג טוב יותר מה גורם לפיזור אור, ומתברר שזה קשור יותר לתכונות גל מאשר לתכונות גופיות.

שבירה ובירידה מתרחשים מכיוון שאור הוא גל

ה שבירה של אור זו הסיבה שמנסרה מפזרת אור לבן ויוצר ספקטרום. שבירה מתרחשת מכיוון שהאור נוסע לאט יותר במדיום צפוף, כמו זכוכית, מאשר באוויר. היווצרות ספקטרום, שהקשת בענן היא המרכיב הנראה לעין, אפשרית מכיוון שאור לבן מורכב למעשה מפוטונים עם טווח שלם של אורכי גל, וכל אורך גל מתפרק בזווית אחרת.

דיפרקציה היא תופעה המתרחשת כאשר האור עובר דרך חריץ צר מאוד. הפוטונים האישיים מתנהגים כמו גלי מים העוברים דרך פתח צר בגלי הים. כאשר הגלים עוברים דרך הפתח, הם מתכופפים סביב הפינות ומתפשטים, ואם תאפשר לגלים לפגוע במסך, הם ייצרו תבנית של קווים בהירים וחשוכים הנקראים דפוס דיפרקציה. הפרדת הקווים היא פונקציה של זווית ההפרדה, אורך הגל של האור המקרי ורוחב החריץ.

שבר הוא בבירור תופעת גלים, אך ניתן להסביר את השבירה כתוצאה מהתפשטות החלקיקים, כפי שעשה ניוטון. כדי לקבל מושג מדויק מה מתרחש בפועל, עליכם להבין מה האור באמת ואיך הוא מתקשר עם המדיום דרכו הוא עובר.

חשוב על האור כקטניות של אנרגיה אלקטרומגנטית

אם האור היה גל אמיתי, הוא היה זקוק למדיום דרכו ניתן לנסוע, והיקום היה צריך להתמלא בחומר רפאים הנקרא האתר, כפי שהאמין אריסטו. ניסוי Michelson-Morley הוכיח כי עדיין לא קיים אתר כזה. מסתבר שלמעשה לא צריך להסביר את התפשטות האור, למרות שלעיתים אור מתנהג כגל.

האור הוא תופעה אלקטרומגנטית. שדה חשמלי מתחלף יוצר שדה מגנטי, ולהפך, ותדירות השינויים יוצרת את הפולסים היוצרים קרן אור. האור נע במהירות קבועה בעת נסיעה בוואקום, אך בעת נסיעה במדיום הפולסים מתקשרים עם האטומים במדיום, ומהירות הגל פוחתת.

ככל שהמדינה צפופה יותר, כך קרן התנועה איטית יותר. יחס מהירות האירוע (v_אני) ונשברו (v_ר) האור הוא קבוע (n) הנקרא מדד השבירה עבור הממשק:

n = v_אני/ v_ר

מדוע פריזמה מפזרת אור לבן היוצר ספקטרום

כשקרן אור פוגעת בממשק בין שני מדיות היא משנה כיוון, וכמות השינוי תלויה ב- n. אם זווית ההיארעות היא θ_אני, וזווית השבירה היא θ_ריחס הזוויות ניתן על ידי חוק נחלים:

sinθ_ר/ sinθ_אני = n

יש עוד חתיכת פאזל שיש לקחת בחשבון. מהירות הגל היא תוצר של תדרו ואורך הגל שלו ושל התדר ו האור אינו משתנה כאשר הוא עובר את הממשק. המשמעות היא שאורך הגל חייב להשתנות כדי לשמור על היחס שנקבע על ידי n. אור באורך גל מקרי קצר יותר נשבר בזווית גדולה יותר מאור בעל אורך גל ארוך יותר.

אור לבן הוא שילוב של אור של פוטונים בכל אורכי הגל האפשריים. בספקטרום הנראה לעין, אור אדום בעל אורך הגל הארוך ביותר, ואחריו כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול (ROYGBIV). אלה הם צבעי הקשת, אך תראו אותם רק ממנסרה משולשת.

מה מיוחד בפריזמה משולשת?

כאשר האור עובר מתווך פחות צפוף למדיום צפוף יותר, כמו שהוא עושה כשנכנס לפריזמה, הוא מתפצל לאורכי הגל של המרכיב שלו. אלה מתחברים מחדש כאשר האור יוצא מהפריזמה, ואם שני פני הפריזמה מקבילים, צופה רואה אור לבן יוצא. למעשה, בבדיקה מקרוב נראים קו אדום דק וסגול דק. הם עדות לזוויות פיזור שונות במקצת הנגרמות כתוצאה מהאטת קרן האור בחומר הפריזמה.

כאשר הפריזמה משולשת, זוויות ההיארעות עם כניסת הקורה ויוצאת מהפריזמה שונות, כך שגם זוויות השבירה שונות. כשאתה מחזיק את הפריזמה בזווית הראויה, אתה יכול לראות את הספקטרום שנוצר על ידי אורכי הגל האישיים.

ההבדל בין זווית הקורה המקרית לזו של הקורה המתהווה נקרא זווית הסטייה. זווית זו היא למעשה אפס לכל אורכי הגל כאשר הפריזמה מלבנית. כאשר הפרצופים אינם מקבילים, כל אורך גל מופיע עם זווית סטייה אופיינית משלו, ורצועות הקשת הנצפית גדלות ברוחב עם הגדלת המרחק מהפריזמה.

טיפות מים יכולות לפעול כמו מנסרות ליצירת קשת

ללא ספק ראיתם קשת בענן, ואתם תוהים מדוע אתם יכולים לראות אותם רק כשהשמש מאחוריכם ואתם בזווית מסוימת לעננים או למקלחת גשם. האור אמנם מתפרק בתוך טיפת מים, אך אם זה היה כל הסיפור, המים היו בינכם לבין השמש, וזה לא מה שקורה בדרך כלל.

שלא כמו מנסרות, טיפות מים עגולות. אור שמש מקרי מתפרק בממשק האוויר / מים, וחלקו אכן עובר ויוצא מהצד האחר, אך זה לא האור שמייצר קשתות גשם. חלק מהאור משתקף בתוך טיפת המים ויוצא מאותו צד של הטיפה. זה האור שמייצר את הקשת.

לאור השמש מסלול כלפי מטה. האור יכול לצאת מכל חלק מהטיפוח הגשם, אך לריכוז הגדול ביותר יש זווית סטייה של כ- 40 מעלות. אוסף הטיפות שמהן יוצא האור בזווית מסוימת זו יוצרים קשת עגולה בשמיים. אם הייתם יכולים לראות את הקשת מהמטוס הייתם יכולים לראות מעגל שלם, אך מהקרקע, חצי מהעגל נותק ורואים רק את הקשת החצי-מעגלית האופיינית.