Bērni bieži uzdod vienkāršus jautājumus, kas liek jums aizdomāties, vai jūs patiešām saprotat savu tēmu. Mans jauns paziņa Kolins brīnījās, kāpēc varavīksnes krāsas vienmēr ir vienā secībā — sarkanā, oranžā, dzeltenā, zaļā, zilā, indigo, violetā. Kāpēc viņi nesajaucas?
Pazīstamā secība ir notverta slavenajāRoy G. Bivakronīms, kas apraksta varavīksnes krāsu secību, kas sākas ar sarkanu, kam ir visgarākais viļņa garums, un beidzas ar violetu, kas ir īsākais. Viļņa garums — attālums starp divām secīgām viļņu virsotnēm — un frekvence, gaismas viļņu skaits, kas katru sekundi šķērso noteiktu punktu, nosaka gaismas krāsu.
Pazīstamās varavīksnes spektra krāsas ar viļņu garumiem, kas parādīti nanometros. Pateicība: NASA
Mūsu tīklenes konusa šūnas reaģē uz gaismas viļņu garumiem no 650 nanometriem (sarkans) līdz 400 (violetais). A nanometrs ir vienāda ar vienu miljardo daļu no metra. Ņemot vērā, ka cilvēka mati ir 80 000–100 000 nanometru platumā, redzamās gaismas viļņi patiešām ir sīkumi.
Tātad, kāpēc Rojs G. Bivs, nevis Robs G. Aivijs? Kad gaisma iziet cauri vakuumam, tā notiek taisnā līnijā bez novirzēm ar maksimālo ātrumu 186 000 jūdzes sekundē (300 000 km/s). Ar šo ātrumu, kas ir ātrākais zināmais Visumā, kā aprakstīts Einšteina grāmatā Speciālā relativitātes teorija , gaismas nokļūšana no datora ekrāna uz acīm aizņem tikai aptuveni 1/1 000 000 000 sekundes. Sasodīti ātri.
Bet, kad mēs skatāmies aiz ekrāna uz lielo, plašo Visumu, šķiet, ka gaisma palēninās līdz rāpošanai, aizņemot visas 4,4 stundas, lai sasniegtu Plutonu, un 25 000 gadu, lai lidotu gar melno caurumu Piena Ceļa galaktikas centrā. Vai nav kaut kas ātrāks? Einšteins atbildētu ar izteiktu 'nē!'
Lāzera stars (pa kreisi), kas spīd cauri ūdens glāzei, parāda, cik reižu gaisma maina ātrumu — no 186 222 jūdzēm sekundē (mps) gaisā līdz 124 275 mp/s caur stiklu. Tas atkal paātrina ātrumu līdz 140 430 mp/s ūdenī, palēninās, izejot cauri stikla otrai pusei, un pēc tam atkal paātrinās, atstājot stiklu gaisā. Kredīts: Bobs Kings
Viena no interesantākajām gaismas īpašībām ir tā, ka tā maina ātrumu atkarībā no vides, caur kuru tā pārvietojas. Lai gan staru kūļa ātrums gaisā ir gandrīz tāds pats kā vakuumā, “biezāka” vide to ievērojami palēnina. Viens no pazīstamākajiem ir ūdens. Kad gaisma no gaisa nonāk ūdenī, piemēram, lietus lāse, tās ātrums samazinās līdz 140 430 jūdzēm sekundē (226 000 km/s). Stikls aizkavē gaismas starus līdz 124 275 jūdzēm/sekundē, savukārt oglekļa atomi, kas veido dimantu, samazina tā ātrumu līdz tikai 77 670 jūdzēm sekundē.
Kāpēc gaisma palēninās, ir nedaudz sarežģīts, taču tik interesants, aprakstīsim šo procesu. Gaismu, kas nonāk ūdenī, nekavējoties absorbē skābekļa un ūdeņraža atomi, liekot to elektroniem īsu brīdi vibrēt, pirms tā tiek atkārtoti izstarota kā gaisma. Atkal atbrīvojies, stars virzās tālāk, līdz iekļūst vairākos atomos, vibrē to elektroni un atkal tiek raidīts. Un atkal. Un atkal.
Plastmasas bloka lauzts gaismas stars. Ievērojiet, ka gaisma noliecas divas reizes – vienu reizi, kad tā ieplūst (pāriet no gaisa uz plastmasu) un vēlreiz, kad tā iziet (plastmasa uz gaisu). Stars palēninās, ieejot iekšā, un pēc tam atkal paātrinās, kad tas iziet.
Tāpat kā montāžas līnija, absorbcijas un atkārtotas emisijas cikls turpinās, līdz stars iziet no piliena. Lai gan katrs gaismas fotons (vai vilnis — jūsu izvēle) pārvietojas ar gaismas vakuuma ātrumu tukšumos starp atomiem, absorbcijas un atkārtotas emisijas procesa minūšu laika aizkaves summējas, izraisot gaismas stara tīrā ātruma palēnināšanos. . Kad tas beidzot atstāj pilienu, tas atsāk savu parasto ātrumu pa gaisu.
Gaismas stari saliecas vai laužas, kad tie pārvietojas no vienas vides uz otru. Mēs visi esam redzējuši “salauzta zīmuļa” efektu, kad gaisma no gaisa nonāk ūdenī.
Tagad atgriezīsimies pie varavīksnēm. Kad gaisma pāriet no vienas vides uz citu un tās ātrums samazinās, tā arī saliecas vai lauzts . Ievietojiet zīmuli glāzē, kas ir līdz pusei piepildīta ar ūdeni, un jūs sapratīsit, ko es domāju.
Līdz šim mēs runājām tikai par balto gaismu, taču, kā mēs visi mācījāmies elementārzinātnēs, sers Īzaks Ņūtons vadīja eksperimenti ar prizmām 1600. gadu beigās un atklāja, ka baltā gaisma sastāv no visām varavīksnes krāsām. Nav pārsteigums, ka katra no šīm krāsām caur ūdens pilieniem pārvietojas ar nedaudz atšķirīgu ātrumu. Sarkanā gaisma tikai vāji mijiedarbojas ar atomu elektroniem un vismazāk laužas un palēnina. Īsāka viļņa garuma violetā gaisma spēcīgāk mijiedarbojas ar elektroniem un cieš no lielākas refrakcijas un palēninājuma.
Īzaks Ņūtons izmantoja prizmu, lai sadalītu gaismu pazīstamajā krāsu masīvā. Tāpat kā prizma lietus lāse lauž ienākošo saules gaismu, izplatot to varavīksnes krāsu lokā ar rādiusu 42. Krāsas izkliedējas, kad pilē iekļūst gaisma, un pēc tam izplatās vairāk, kad tās iziet un paātrinās. Pa kreisi: NASA attēls, pa labi, publiskais domēns ar autora anotācijām
Varavīksnes veidojas, kad miljardiem ūdens pilienu darbojas kā miniatūras prizmas un lauž saules gaismu. Violeta (visvairāk lauzta) parādās loka apakšējā vai iekšējā malā. Oranžā un dzeltenā laužas nedaudz mazāk nekā violets un aizņem varavīksnes vidu. Sarkanā gaisma, ko vismazāk ietekmē refrakcija, parādās gar loka ārējo malu.
Varavīksnes bieži ir dubultā. Sekundārais loks rodas no gaismas, kas otrreiz atstarojas lietus lāses iekšpusē. Kad tas parādās, krāsas tiek apgrieztas (sarkans apakšā, nevis augšpusē), bet krāsu secība tiek saglabāta. Kredīts: Bobs Kings
Tā kā to ātrums caur ūdeni (un citiem līdzekļiem) ir noteikta gaismas īpašība un tā kā ātrums nosaka, cik ļoti katrs ir saliekts, šķērsojot gaisu no ūdens, tie vienmēr atbilst Rojam G. Bivam. Vai arī pretējā secībā, ja gaismas stars atspoguļojasdivreizlietus lāses iekšpusē pirms iziešanas, bet vienmēr tiek saglabāta krāsas attiecība pret krāsu. Daba nejauc un nevar nejauši sajaukt shēmu. Kā teiktu Skotijs no Star Trek: 'Tu nevari mainīt fizikas likumus!'
Tātad, lai atbildētu uz Kolina sākotnējo jautājumu, gaismas krāsas vienmēr paliek tādā pašā secībā, jo katra pārvietojas ar atšķirīgu ātrumu, kad laužas leņķī caur lietus lāsi vai prizmu.
Dažādu krāsu gaismai ir gan dažādi viļņu garumi (attālums starp secīgām viļņu virsotnēm), gan frekvences. Šajā diagrammā sarkanajai gaismai ir garāks viļņa garums un vairāk “izstieptu” viļņu, salīdzinot ar augstākas frekvences purpursarkano gaismu. Pateicība: NASA
Gaisma ne tikai maina ātrumu, kad tā nonāk jaunā vidē, mainās tās viļņa garums, bet arī tās frekvence paliek nemainīga. Lai gan viļņa garums var būt noderīgs veids, kā aprakstīt gaismas krāsas vienā vidē (piemēram, gaisā), tas nedarbojas, kad gaisma pāriet no vienas vides uz citu. Šim nolūkam mēs paļaujamies uz tā frekvenci vai to, cik krāsainās gaismas viļņi šķērso iestatīto punktu sekundē.
Augstākas frekvences violeta gaisma saplūst ar 790 triljoniem viļņu sekundē (cikli sekundē), salīdzinot ar 390 triljoniem sarkano. Interesanti, ka jo augstāka ir frekvence, jo vairāk enerģijas nes konkrētais gaismas aromāts, kas ir viens no iemesliem, kāpēc ultravioletais starojums jums radīs saules apdegumus, bet sarkanā gaisma ne.
Kad saules stars iekļūst lietus pilē, attālums starp katru secīgo gaismas viļņa virsotni samazinās, saīsinot stara viļņa garumu. Tas varētu likt jums domāt, ka tā krāsai, ejot cauri lietus lāsei, jākļūst 'zilākai'. Tas nenotiek, jo frekvence paliek nemainīga.
Mēs mēra frekvenci, dalot viļņu virsotņu skaitu, kas šķērso punktu laika vienībā. Papildu laiks, kas nepieciešams, lai gaisma izietu cauri pilienam, precīzi atceļ viļņa garuma saīsināšanos, ko izraisa stara ātruma samazināšanās, saglabājot stara frekvenci un tādējādi arī krāsu. Klikšķis ŠEIT papildu skaidrojumam.
Kāpēc prizmas/lietus lāses liecas un atdala gaismu
Pirms mēs beidzam, mūsu prātā paliek neatbildēts jautājums. Kāpēc gaisma vispirms saliecas, kad tā spīd caur ūdeni vai stiklu? Kāpēc ne tikai iet cauri? Nu, gaisma iet cauri, ja tā irperpendikulāriuz mediju. Tikai tad, ja tas nonāks leņķī no sāniem, tas salieksies. Tas ir līdzīgi kā vērot, kā ienākošais okeāna vilnis liecas ap klinti. Lai iegūtu jauku vizuālo skaidrojumu, iesaku iepriekš minēto lielisko, īso videoklipu.
Ak, un Kolin, paldies par šo jautājumu, draugs!
