Τα παιδιά κάνουν συχνά απλές ερωτήσεις που σας κάνουν να αναρωτιέστε εάν καταλαβαίνετε πραγματικά το θέμα σας. Ένας νεαρός γνωστός μου με το όνομα Collin αναρωτήθηκε γιατί τα χρώματα του ουράνιου τόξου ήταν πάντα στην ίδια σειρά - κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, λουλακί, ιώδες. Γιατί δεν μπερδεύονται;
Η γνωστή ακολουθία καταγράφεται στο διάσημο Roy G. Biv ακρωνύμιο, το οποίο περιγράφει την ακολουθία των χρωμάτων του ουράνιου τόξου που αρχίζει με κόκκινο, το οποίο έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος και τελειώνει σε βιολετί, το συντομότερο. Το μήκος κύματος - η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών κύματος - και η συχνότητα, ο αριθμός των κυμάτων φωτός που περνούν ένα δεδομένο σημείο κάθε δευτερόλεπτο, καθορίζουν το χρώμα του φωτός.
Τα κωνικά κελιά στους αμφιβληστροειδείς μας ανταποκρίνονται σε μήκη κύματος φωτός μεταξύ 650 νανομέτρων (κόκκινο) έως 400 (βιολετί). ΕΝΑ νανομέτρο ισούται με το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μια ανθρώπινη τρίχα έχει πλάτος 80.000-100.000 νανόμετρα, τα ορατά φωτεινά κύματα είναι πράγματι μικροσκοπικά πράγματα.
Γιατί λοιπόν ο Roy G. Biv και όχι ο Rob G. Ivy; Όταν το φως περνά μέσα από ένα κενό, το κάνει σε ευθεία γραμμή χωρίς απόκλιση στην τελική του ταχύτητα 186.000 μίλια το δευτερόλεπτο (300.000 km / sec). Σε αυτήν την ταχύτητα, το ταχύτερα γνωστό στο σύμπαν όπως περιγράφεται στο Einstein Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, το φως που ταξιδεύει από την οθόνη του υπολογιστή στα μάτια σας διαρκεί μόνο περίπου 1 / 1.000.000.000 δευτερόλεπτο. Γαμώτο γρήγορα.
Αλλά όταν κοιτάμε πέρα από την οθόνη προς το μεγάλο, ευρύ σύμπαν, το φως φαίνεται να επιβραδύνεται σε μια ανίχνευση, παίρνοντας όλες τις 4,4 ώρες για να φτάσει στον Πλούτωνα και 25.000 χρόνια για να πετάξει από τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία του Γαλαξία. Δεν υπάρχει κάτι πιο γρήγορα; Ο Αϊνστάιν θα απαντούσε με έμφαση «Όχι!»
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες του φωτός είναι ότι αλλάζει ταχύτητα ανάλογα με το μέσο στο οποίο ταξιδεύει. Ενώ η ταχύτητα της δέσμης μέσω του αέρα είναι σχεδόν η ίδια με το κενό, τα «παχύτερα» μέσα επιβραδύνουν σημαντικά. Ένα από τα πιο γνωστά είναι το νερό. Όταν το φως διασχίζει τον αέρα στο νερό, ας πούμε ένα σταγόνα βροχής, η ταχύτητά του μειώνεται στα 140.430 μίλια το δευτερόλεπτο (226.000 km / sec). Το γυαλί επιβραδύνει τις ακτίνες φωτός στα 124.275 μίλια / δευτερόλεπτο, ενώ τα άτομα άνθρακα που αποτελούν το διαμάντι μειώνουν την ταχύτητά του σε μόλις 77.670 μίλια / δευτερόλεπτο.
Γιατί το φως επιβραδύνεται είναι λίγο περίπλοκο αλλά τόσο ενδιαφέρον, ας αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να περιγράψουμε τη διαδικασία. Το φως που εισέρχεται στο νερό απορροφάται αμέσως από άτομα οξυγόνου και υδρογόνου, αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια τους να δονήσουν στιγμιαία πριν εκπέμψει ξανά ως φως. Ελεύθερος πάλι, η ακτίνα ταξιδεύει τώρα μέχρι να χτυπήσει σε περισσότερα άτομα, τα ηλεκτρόνια τους δονείται και επανέρχεται ξανά. Και ξανα. Και ξανα.
Όπως μια γραμμή συναρμολόγησης, ο κύκλος απορρόφησης και επανεισόδου συνεχίζεται έως ότου η ακτίνα βγει από την πτώση. Ακόμα κι αν κάθε φωτόνιο (ή κύμα - η επιλογή σας) του φωτός ταξιδεύει με την ταχύτητα κενού του φωτός στα κενά μεταξύ των ατόμων, οι καθυστερήσεις του λεπτού χρόνου κατά τη διαδικασία απορρόφησης και επανεισδοχής αυξάνονται για να προκαλέσει την επιβράδυνση της καθαρής ταχύτητας της δέσμης φωτός . Όταν αφήνει τελικά την πτώση, επαναλαμβάνει την κανονική της ταχύτητα μέσω του ευάερου αέρα.
Ας επιστρέψουμε τώρα στα ουράνια τόξα. Όταν το φως περνά από το ένα μέσο στο άλλο και η ταχύτητά του πέφτει, κάμπτεται επίσης ή διαθλασμένος. Βάλτε ένα μολύβι σε ένα ποτήρι μισό γεμάτο νερό και θα δείτε τι εννοώ.
Μέχρι αυτό το σημείο, μιλάμε μόνο για το λευκό φως, αλλά όπως όλοι μάθαμε στην πρωτοβάθμια επιστήμη, ο Sir Isaac Newton διεξήγαγε πειράματα με πρίσματα στα τέλη του 1600 και ανακάλυψε ότι το λευκό φως αποτελείται από όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι κάθε ένα από αυτά τα χρώματα ταξιδεύει με ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα μέσω ενός σταγονιδίου νερού. Το κόκκινο φως αλληλεπιδρά μόνο ασθενώς με τα ηλεκτρόνια των ατόμων και διαθλάται και επιβραδύνεται λιγότερο. Το βιολετί φως μικρότερου μήκους κύματος αλληλεπιδρά πιο έντονα με τα ηλεκτρόνια και υποφέρει σε μεγαλύτερο βαθμό διάθλασης και επιβράδυνσης.
Τα ουράνια τόξα σχηματίζονται όταν δισεκατομμύρια σταγονίδια νερού δρουν σαν μικροσκοπικά πρίσματα και διαθλά το φως του ήλιου. Το βιολετί (το πιο διαθλασμένο) εμφανίζεται στο κάτω μέρος ή στο εσωτερικό άκρο του τόξου. Το πορτοκαλί και το κίτρινο διαθλάται λίγο λιγότερο από το βιολετί και καταλαμβάνουν τη μέση του ουράνιου τόξου. Το κόκκινο φως, που επηρεάζεται λιγότερο από τη διάθλαση, εμφανίζεται κατά μήκος της εξωτερικής άκρης του τόξου.
Επειδή οι ταχύτητές τους μέσω του νερού (και άλλων μέσων) είναι μια καθορισμένη ιδιότητα του φωτός, και δεδομένου ότι η ταχύτητα καθορίζει πόσο καμμένος κάθε ένας καθώς διασχίζουν από τον αέρα στο νερό, πάντοτε ευθυγραμμίζονται με τον Roy G. Biv. Ή την αντίστροφη σειρά εάν η δέσμη φωτός αντανακλάεις διπλούν μέσα στο σταγόνα βροχής πριν από την έξοδο, αλλά διατηρείται πάντα η σχέση χρώματος με το χρώμα. Η φύση δεν συνδυάζει τυχαία το σχήμα. Όπως θα έλεγε ο Scotty από το Star Trek: «Δεν μπορείτε να αλλάξετε τους νόμους της φυσικής!»
Για να απαντήσουμε λοιπόν στην αρχική ερώτηση του Collin, τα χρώματα του φωτός παραμένουν πάντα στην ίδια σειρά, επειδή το καθένα ταξιδεύει με διαφορετική ταχύτητα όταν διαθλάται υπό γωνία μέσω σταγόνας βροχής ή πρίσματος.
Όχι μόνο το φως αλλάζει την ταχύτητά του όταν εισέρχεται σε ένα νέο μέσο, αλλάζει το μήκος κύματος του, αλλά η συχνότητά του παραμένει η ίδια. Ενώ το μήκος κύματος μπορεί να είναι ένας χρήσιμος τρόπος για να περιγράψετε τα χρώματα του φωτός σε ένα μόνο μέσο (για παράδειγμα, αέρας), δεν λειτουργεί όταν το φως μεταβαίνει από το ένα μέσο στο άλλο. Γι 'αυτό βασίζουμε τη συχνότητά του ή πόσα κύματα έγχρωμου φωτός περνούν ένα καθορισμένο σημείο ανά δευτερόλεπτο.
Υψηλής συχνότητας κρεμ ιώδες φως σε 790 τρισεκατομμύρια κύματα ανά δευτερόλεπτο (κύκλοι ανά δευτερόλεπτο) έναντι 390 τρισεκατομμύρια για κόκκινο. Είναι ενδιαφέρον, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότερη ενέργεια φέρει μια συγκεκριμένη γεύση του φωτός, ένας λόγος για τον οποίο το UV θα σας δώσει ένα ηλιακό έγκαυμα και το κόκκινο φως δεν θα το κάνει.
Όταν μια ακτίνα του ήλιου εισέρχεται σε ένα σταγόνα βροχής, η απόσταση μεταξύ κάθε διαδοχικής κορυφής του κύματος φωτός μειώνεται, μειώνοντας το μήκος κύματος της δέσμης. Αυτό μπορεί να σας κάνει να σκεφτείτε ότι το χρώμα του πρέπει να γίνει «πιο μπλε» καθώς περνά μέσα από μια σταγόνα βροχής. Δεν συμβαίνει επειδή η συχνότητα παραμένει η ίδια.
Μετράμε τη συχνότητα διαιρώντας τον αριθμό των κορυφών κυμάτων που περνούν ένα σημείο ανά μονάδα χρόνου. Ο επιπλέον χρόνος που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει μέσω της πτώσης ακυρώνει τακτοποιημένα τη μείωση του μήκους κύματος που προκαλείται από την πτώση της ταχύτητας της ακτίνας, διατηρώντας τη συχνότητα της δέσμης και επομένως το χρώμα. Κάντε κλικ ΕΔΩ για μια περαιτέρω εξήγηση.
Γιατί τα πρίσματα / σταγόνες βροχής κάμπτουν και διαχωρίζουν το φως
Πριν ολοκληρώσουμε, παραμένει μια αναπάντητη ερώτηση που γαργαλάει στο πίσω μέρος του μυαλού μας. Γιατί το φως κάμπτεται πρώτα όταν λάμπει μέσα από νερό ή γυαλί; Γιατί να μην περάσετε απλά; Λοιπόν, το φως περνά κατευθείαν αν είναι κάθετος στο μέσο. Μόνο αν φτάσει υπό γωνία από την πλευρά θα λυγίσει. Είναι παρόμοιο με το να βλέπεις ένα εισερχόμενο κύμα στον ωκεανό να στρέφεται γύρω από ένα βράχο. Για μια ωραία οπτική εξήγηση, προτείνω το εξαιρετικό, σύντομο βίντεο παραπάνω.
Ω, και Collin, ευχαριστώ για αυτή την ερώτηση φίλε!
