Lapset kysyvät usein yksinkertaisia kysymyksiä, jotka saavat sinut miettimään, ymmärrätkö todella aihettasi. Nuori tuttavani nimeltä Collin ihmetteli, miksi sateenkaaren värit olivat aina samassa järjestyksessä - punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo, violetti. Mikseivät sekoitu?
Tuttu sekvenssi on vangittu kuuluisaanRoy G. Bivlyhenne, joka kuvaa sateenkaaren värien sarjaa, joka alkaa punaisella, jolla on pisin aallonpituus ja päättyy violettiin, eli lyhin. Aallonpituus – kahden peräkkäisen aallonharjan välinen etäisyys – ja taajuus, tietyn pisteen joka sekunti ohittavien valoaaltojen määrä, määräävät valon värin.
Sateenkaaren spektrin tutut värit aallonpituuksilla nanometreinä. Kiitos: NASA
Verkkokalvomme kartiosolut reagoivat valon aallonpituuksiin välillä 650 nanometriä (punainen) 400 (violetti). A nanometri on yhtä suuri kuin yksi miljardisosa metristä. Kun otetaan huomioon, että ihmisen hius on 80 000–100 000 nanometriä leveä, näkyvät valon aallot ovat todella pieniä asioita.
Joten miksi Roy G. Biv eikä Rob G. Ivy? Kun valo kulkee tyhjiön läpi, se tekee sen suorassa linjassa ilman poikkeamaa huippunopeudellaan 186 000 mailia sekunnissa (300 000 km/s). Tällä nopeudella maailmankaikkeuden nopein, kuten Einsteinin kuvataan Erityinen suhteellisuusteoria , valon kulkeminen tietokoneen näytöltä silmiisi kestää vain noin 1/1 000 000 000 sekuntia. Helvetin nopeasti.
Mutta kun katsomme näytön taakse suureen, leveään universumiin, valo näyttää hidastuvan ryömimään, jolloin Pluton saavuttamiseen kuluu kaikki 4,4 tuntia ja Linnunradan galaksin keskellä olevan mustan aukon ohi lentää 25 000 vuotta. Eikö ole olemassa jotain nopeampaa? Einstein vastaisi painokkaalla 'Ei!'
Vesilasin läpi paistava lasersäde (vasemmalla) osoittaa, kuinka monta kertaa valo muuttaa nopeutta - 186 222 mailista sekunnissa (mps) ilmassa 124 275 mps:iin lasin läpi. Se kiihtyy jälleen 140 430 mps:iin vedessä, hidastuu kulkiessaan lasin toiselta puolelta ja kiihtyy sitten jälleen, kun lasista jätetään ilmaan. Luotto: Bob King
Yksi valon mielenkiintoisimmista ominaisuuksista on, että se muuttaa nopeutta riippuen väliaineesta, jonka läpi se kulkee. Vaikka säteen nopeus ilmassa on lähes sama kuin tyhjiössä, 'paksummat' väliaineet hidastavat sitä huomattavasti. Yksi tutuimmista on vesi. Kun valo siirtyy ilmasta veteen, esimerkiksi sadepisaraan, sen nopeus laskee 140 430 mailia sekunnissa (226 000 km/s). Lasi hidastaa valonsäteet nopeuteen 124 275 mailia sekunnissa, kun taas timantin muodostavat hiiliatomit hidastavat sen nopeutta vain 77 670 mailia sekunnissa.
Valon hidastumisen syy on hieman monimutkainen, mutta niin mielenkiintoinen, joten kuvaillaanpa hetki prosessia. Veteen tuleva valo imeytyy välittömästi happi- ja vetyatomiin, jolloin niiden elektronit värähtelevät hetkellisesti ennen kuin se säteilee uudelleen valona. Jälleen vapaana, säde kulkee nyt, kunnes se törmää useisiin atomeihin, saa niiden elektronit värähtelemään ja säteilee uudelleen. Ja uudelleen. Ja uudelleen.
Muovikappaleen taittama valonsäde. Huomaa, että valo taipuu kahdesti – kerran sisään tullessaan (siirrettäessä ilmasta muoviin) ja uudelleen poistuessaan (muovista ilmaan). Säde hidastuu sisään astuessaan ja sitten taas kiihtyy poistuessaan.
Kuten kokoonpanolinjalla, absorption ja uudelleenemission sykli jatkuu, kunnes säde poistuu pisarasta. Vaikka jokainen valon fotoni (tai aalto – valintasi) kulkee valon tyhjiönopeudella atomien välisissä onteloissa, absorptio- ja uudelleenemissioprosessin minuuttiviiveet summautuvat hidastaen valonsäteen nettonopeutta. . Kun se lopulta poistuu pisaralta, se jatkaa normaalia vauhtiaan ilmavassa ilmassa.
Valosäteet taipuvat tai taittuvat siirtyessään väliaineesta toiseen. Olemme kaikki nähneet 'rikkoutuneen kynä' -efektin, kun valo kulkee ilmasta veteen.
Palataan nyt sateenkaareihin. Kun valo siirtyy väliaineesta toiseen ja sen nopeus laskee, se myös vääntyy tai vääntyy taittui . Tiputa lyijykynä puoliksi vedellä täytettyyn lasiin, niin näet mitä tarkoitan.
Tähän asti olemme puhuneet vain valkoisesta valosta, mutta kuten olemme kaikki oppineet alkeellisista tieteistä, Sir Isaac Newton johti kokeiluja prismoilla 1600-luvun lopulla ja huomasi, että valkoinen valo koostuu kaikista sateenkaaren väreistä. Ei ole yllätys, että jokainen näistä väreistä kulkee hieman eri nopeudella vesipisaran läpi. Punainen valo vuorovaikuttaa vain heikosti atomien elektronien kanssa ja taittuu ja hidastuu vähiten. Lyhyempi aallonpituus violetti valo vuorovaikuttaa voimakkaammin elektronien kanssa ja kärsii suuremmasta taittumisesta ja hidastumisesta.
Isaac Newton käytti prismaa erottamaan valon tutuiksi väreiksi. Prisman tapaan sadepisara taittaa tulevan auringonvalon ja levittää sen sateenkaaren värien kaareksi, jonka säde on 42. Värit leviävät, kun valo tulee pisaraan, ja leviävät sitten enemmän poistuessaan ja nopeutuvat. Vasemmalla: NASA-kuva, oikea, julkinen verkkotunnus ja tekijän huomautukset
Sateenkaaret muodostuvat, kun miljardit vesipisarat toimivat pienoisprismoina ja taittavat auringonvaloa. Violetti (taittunein) näkyy kaaren ala- tai sisäreunassa. Oranssi ja keltainen taittuvat hieman vähemmän kuin violetti ja vievät sateenkaaren keskikohdan. Punainen valo, johon taittuminen vaikuttaa vähiten, näkyy kaaren ulkoreunaa pitkin.
Sateenkaaret ovat usein kaksinkertaisia. Toissijainen jousi johtuu valosta, joka heijastuu toisen kerran sadepisaran sisällä. Kun se tulee esiin, värit käännetään (punainen alareunassa yläreunan sijaan), mutta värien järjestys säilyy. Luotto: Bob King
Koska niiden nopeus veden (ja muiden välineiden) läpi ovat valon asetettu ominaisuus ja koska nopeus määrittää, kuinka paljon kumpikin on taipunut, kun ne ylittävät ilmasta veteen, ne ovat aina Roy G. Bivin linjassa. Tai päinvastaisessa järjestyksessä, jos valonsäde heijastuukahdestisadepisaran sisällä ennen poistumista, mutta värin suhde väriin säilyy aina. Luonto ei sekoita eikä voi sekoittaa satunnaisesti järjestelmää. Kuten Scotty Star Trekistä sanoisi: 'Et voi muuttaa fysiikan lakeja!'
Vastatakseni Collinin alkuperäiseen kysymykseen, valon värit pysyvät aina samassa järjestyksessä, koska jokainen kulkee eri nopeudella, kun se taittuu kulmassa sadepisaran tai prisman läpi.
Erivärisellä valolla on sekä eri aallonpituudet (peräkkäisten aallonharjojen välinen etäisyys) että taajuudet. Tässä kaaviossa punaisella valolla on pidempi aallonpituus ja enemmän 'venyneitä' aaltoja verrattuna korkeataajuiseen violettiin valoon. Kiitos: NASA
Sen lisäksi, että valo ei muuta nopeuttaan siirtyessään uuteen väliaineeseen, sen aallonpituus muuttuu, mutta sen taajuus pysyy samana. Vaikka aallonpituus voi olla hyödyllinen tapa kuvata valon värejä yhdessä väliaineessa (esimerkiksi ilmassa), se ei toimi, kun valo siirtyy väliaineesta toiseen. Sitä varten luotamme sen taajuuteen tai siihen, kuinka monta värillisen valon aaltoa läpäisee asetuspisteen sekunnissa.
Korkeamman taajuuden violetti valo täyttää 790 biljoonaa aaltoa sekunnissa (sykliä sekunnissa) verrattuna 390 biljoonaan punaiseen. Mielenkiintoista on, että mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän energiaa tietty valon maku sisältää, mikä on yksi syy siihen, miksi UV-säteily aiheuttaa auringonpolttaman ja punainen valo ei.
Kun auringonvalo pääsee sadepisaraan, valoaallon jokaisen peräkkäisen harjan välinen etäisyys pienenee, mikä lyhentää säteen aallonpituutta. Tämä saattaa saada sinut ajattelemaan, että sen värin täytyy muuttua 'sinertyneemmäksi', kun se kulkee sadepisaran läpi. Ei, koska taajuus pysyy samana.
Mittaamme taajuuden jakamalla pisteen ohittaneiden aallonharjojen määrän aikayksikköä kohti. Ylimääräinen aika, jonka valo kulkee pisaran läpi, kumoaa siististi säteen nopeuden laskun aiheuttaman aallonpituuden lyhenemisen ja säilyttää säteen taajuuden ja siten värin. Klikkaus TÄSSÄ lisäselvitystä varten.
Miksi prismat/sadepisarat taipuvat ja erottelevat valoa
Ennen kuin lopetamme, mielemme takaosassa kutittelee edelleen vastaamaton kysymys. Miksi valo taipuu alun perin, kun se paistaa veden tai lasin läpi? Miksei vain mennä suoraan läpi? No, valo kulkee suoraan läpi, jos se onkohtisuorassavälineeseen. Vain jos se tulee kulmaan sivulta, se taipuu. Se on samanlaista kuin katsoisi saapuvan valtameren aallon taittuvan kallion ympäri. Hienoa visuaalista selitystä varten suosittelen yllä olevaa erinomaista lyhyttä videota.
Ja Collin, kiitos kysymyksestä ystävä!