Djeca često postavljaju jednostavna pitanja koja vas tjeraju da se zapitate razumijete li doista svoj predmet. Moj mladi poznanik po imenu Collin pitao se zašto su dugine boje uvijek istim redoslijedom - crvena, narančasta, žuta, zelena, plava, indigo, ljubičasta. Zašto se ne pomiješaju?
Poznati slijed uhvaćen je u poznatomRoy G. Bivakronim, koji opisuje slijed duginih boja počevši s crvenom, koja ima najdužu valnu duljinu, a završava ljubičastom, najkraću. Valna duljina — udaljenost između dva uzastopna valna vrha — i frekvencija, broj svjetlosnih valova koji svake sekunde prođu kroz određenu točku, određuju boju svjetlosti.
Poznate boje duginog spektra s valnim duljinama prikazanim u nanometrima. Zasluge: NASA
Stanice čunjića u našoj mrežnici reagiraju na valne duljine svjetlosti između 650 nanometara (crvena) do 400 (ljubičasta). A nanometar jednaka je milijardu metra. Uzimajući u obzir da je ljudska kosa široka 80.000-100.000 nanometara, valovi vidljive svjetlosti doista su male stvari.
Pa zašto Roy G. Biv, a ne Rob G. Ivy? Kada svjetlost prođe kroz vakuum, čini to ravnom linijom bez odstupanja pri svojoj najvećoj brzini od 186 000 milja u sekundi (300 000 km/s). Ovom brzinom, najbržim poznatim u svemiru kako je opisano u Einsteinovom Specijalna teorija relativnosti , svjetlost koja putuje od zaslona računala do vaših očiju traje samo oko 1/1,000,000,000 sekunde. Prokleto brzo.
Ali kada pogledamo izvan ekrana u veliki, široki svemir, čini se da svjetlost usporava do puzanja, a potrebno je svih 4,4 sata samo da stigne do Plutona i 25 000 godina da proleti pored crne rupe u središtu galaksije Mliječne staze. Zar ne postoji nešto brže? Einstein bi odgovorio s odlučnim 'Ne!'
Laserska zraka (lijevo) koja svijetli kroz čašu vode pokazuje koliko puta svjetlost mijenja brzinu - od 186.222 milje u sekundi (mps) u zraku do 124.275 mps kroz staklo. Ponovno se ubrzava na 140.430 mps u vodi, usporava kada prolazi kroz drugu stranu stakla, a zatim se ponovno ubrzava kada ostavlja staklo u zrak. Zasluge: Bob King
Jedno od najzanimljivijih svojstava svjetlosti je da mijenja brzinu ovisno o mediju kroz koji putuje. Dok je brzina snopa kroz zrak gotovo ista kao u vakuumu, 'deblji' mediji ga znatno usporavaju. Jedna od najpoznatijih je voda. Kada svjetlost prijeđe iz zraka u vodu, recimo kišnu kap, njena brzina pada na 226.000 km/s. Staklo usporava svjetlosne zrake do 124.275 milja/sekundi, dok atomi ugljika koji čine dijamanti smanjuju njegovu brzinu na samo 77.670 milja/sekundi.
Zašto se svjetlo usporava pomalo je komplicirano, ali toliko zanimljivo, uzmimo trenutak da opišemo proces. Svjetlost koja ulazi u vodu odmah se apsorbira od strane atoma kisika i vodika, uzrokujući da njihovi elektroni na trenutak vibriraju prije nego što se ponovno emitira kao svjetlost. Ponovno slobodna, snop sada putuje dalje dok ne udari u još atoma, dovede njihove elektrone da vibriraju i ponovno se ponovno emitira. I opet. I opet.
Zraka svjetlosti koju lomi plastični blok. Primijetite da se svjetlo dvaput savija – jednom prilikom ulaska (prelazak iz zraka u plastiku) i ponovno kada izlazi (plastika u zrak). Snop se usporava pri ulasku, a zatim ponovno ubrzava kada izlazi.
Poput montažne trake, ciklus apsorpcije i reemisije nastavlja se sve dok zraka ne izađe iz kapi. Iako svaki foton (ili val – po vašem izboru) svjetlosti putuje vakuumskom brzinom svjetlosti u prazninama između atoma, minutna vremenska kašnjenja tijekom procesa apsorpcije i reemisije se zbrajaju i uzrokuju usporavanje neto brzine svjetlosnog snopa . Kad konačno napusti kap, nastavlja svoju normalnu brzinu kroz prozračni zrak.
Svjetlosne zrake se savijaju ili lome kada prelaze iz jednog medija u drugi. Svi smo vidjeli efekt 'slomljene olovke' kada svjetlost putuje iz zraka u vodu.
Vratimo se sada na duge. Kada svjetlost prolazi s jednog medija na drugi i njegova brzina padne, također se savija ili lomi . Ubacite olovku u čašu napola napunjenu vodom i vidjet ćete na što mislim.
Do sada smo govorili samo o bijeloj svjetlosti, ali kako smo svi naučili u elementarnoj znanosti, Sir Isaac Newton je proveo eksperimenti s prizmama u kasnim 1600-ima i otkrio da se bijela svjetlost sastoji od svih duginih boja. Nije iznenađenje da svaka od tih boja putuje malo drugačijom brzinom kroz kapljicu vode. Crvena svjetlost slabo komunicira s elektronima atoma i najmanje se lomi i usporava. Ljubičasta svjetlost kraće valne duljine jače stupa u interakciju s elektronima i trpi veći stupanj loma i usporavanja.
Isaac Newton koristio je prizmu da odvoji svjetlost u poznati niz boja. Poput prizme, kišna kap lomi dolaznu sunčevu svjetlost, šireći je u luk duginih boja s radijusom od 42. Boje se šire kada svjetlost uđe u kap, a zatim se šire kada napuštaju i ubrzavaju. Lijevo: NASA slika, desno, javno vlasništvo s napomenama autora
Duge nastaju kada milijarde kapljica vode djeluju kao minijaturne prizme i lome sunčevu svjetlost. Ljubičasta (najviše lomljena) pojavljuje se na dnu ili unutarnjem rubu luka. Narančasta i žuta se lome nešto manje od ljubičaste i zauzimaju sredinu duge. Crveno svjetlo, najmanje pogođeno lomom, pojavljuje se duž vanjskog ruba luka.
Duge su često dvostruke. Sekundarni luk je rezultat ponovnog reflektiranja svjetlosti unutar kišne kapi. Kada se pojavi, boje su obrnute (crvena na dnu umjesto na vrhu), ali je redoslijed boja očuvan. Zasluge: Bob King
Budući da su njihove brzine kroz vodu (i druge medije) zadano svojstvo svjetlosti, a budući da brzina određuje koliko je svaki savijen dok prelaze iz zraka u vodu, uvijek su u skladu kao Roy G. Biv. Ili obrnutim redoslijedom ako se svjetlosni snop reflektiradvaputunutar kišne kapi prije izlaska, ali je odnos boje i boje uvijek očuvan. Priroda ne miješa i ne može nasumično miješati shemu. Kako bi rekao Scotty iz Zvjezdanih staza: 'Ne možete promijeniti zakone fizike!'
Dakle, da odgovorimo na Collinovo izvorno pitanje, boje svjetlosti uvijek ostaju istim redoslijedom jer svaka putuje različitom brzinom kada se lomi pod kutom kroz kišnu kap ili prizmu.
Svjetlo različitih boja ima različite valne duljine (udaljenost između uzastopnih valnih vrhova) i frekvencije. U ovom dijagramu, crveno svjetlo ima veću valnu duljinu i više 'ispruženih' valova u usporedbi s ljubičastom svjetlošću veće frekvencije. Zasluge: NASA
Ne samo da svjetlost mijenja svoju brzinu kada uđe u novi medij, mijenja se i valna duljina, nego i frekvencija ostaje ista. Iako valna duljina može biti koristan način za opisivanje boja svjetlosti u jednom mediju (na primjer, zrak), ona ne funkcionira kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi. Za to se oslanjamo na njegovu frekvenciju ili koliko valova obojene svjetlosti prođe zadanu točku u sekundi.
Ljubičasto svjetlo veće frekvencije skuplja se sa 790 trilijuna valova u sekundi (ciklusi u sekundi) u odnosu na 390 trilijuna za crvenu. Zanimljivo je da što je frekvencija veća, to više energije nosi određeni okus svjetlosti, što je jedan od razloga zašto će vam UV zračenje izazvati opekline, a crveno ne.
Kada zraka sunčeve svjetlosti uđe u kišnu kap, udaljenost između svakog uzastopnog vrha svjetlosnog vala se smanjuje, skraćujući valnu duljinu snopa. Zbog toga biste mogli pomisliti da njegova boja mora postati 'plavija' dok prolazi kroz kišnu kap. Nije jer frekvencija ostaje ista.
Mjerimo frekvenciju dijeleći broj valnih vrhova koji prolaze točku u jedinici vremena. Dodatno vrijeme potrebno svjetlosti da putuje kroz kap uredno poništava skraćivanje valne duljine uzrokovano padom brzine zraka, čuvajući frekvenciju snopa, a time i boju. Klik OVDJE za daljnje objašnjenje.
Zašto se prizme/kapi kiše savijaju i odvajaju svjetlost
Prije nego što završimo, ostaje neodgovoreno pitanje koje škaklja u našim umovima. Zašto se svjetlost uopće savija kada svijetli kroz vodu ili staklo? Zašto jednostavno ne prođete? Pa, svjetlost prolazi ravno, ako jestokomitona medij. Samo ako dođe pod kutom sa strane, savijat će se. Slično je gledanju nadolazećeg oceanskog vala kako se savija oko litice. Za lijepo vizualno objašnjenje, preporučam izvrstan, kratki video iznad.
Oh, i Collin, hvala na tom pitanju prijatelju!
