Børn stiller ofte enkle spørgsmål, der får dig til at undre dig over, om du virkelig forstår dit emne. En ung kendt af mig ved navn Collin spekulerede på, hvorfor regnbuens farver altid var i samme rækkefølge - rød, orange, gul, grøn, blå, indigo, violet. Hvorfor bliver de ikke blandet?
Den velkendte rækkefølge er fanget i den berømte Roy G. Biv akronym, der beskriver rækkefølgen af regnbuefarver, der begynder med rødt, som har den længste bølgelængde og slutter i violet, den korteste. Bølgelængde - afstanden mellem to på hinanden følgende bølgeskam - og frekvens, antallet af bølger af lys, der passerer et givet punkt hvert sekund, bestemmer lysets farve.
Keglecellene i vores nethinder reagerer på bølgelængder af lys mellem 650 nanometer (rød) til 400 (violet). EN nanometer er lig med en milliardedel af en meter. I betragtning af at et menneskehår er 80.000-100.000 nanometer bredt, er synlige lysbølger meget små ting.
Så hvorfor Roy G. Biv og ikke Rob G. Ivy? Når lys passerer gennem et vakuum, gør det det i en lige linje uden afvigelse med dens tophastighed på 186.000 miles i sekundet (300.000 km / sek). På denne hastighed er den hurtigst kendte i universet som beskrevet i Einsteins Særlig relativitetsteori, let rejser fra computerskærmen til dine øjne tager kun ca. 1 / 1.000.000.000 sekund. Fandt hurtigt.
Men når vi ser ud over skærmen til det store, brede univers, ser det ud til, at lyset går langsomt til at krybe, hvilket tager hele 4,4 timer bare for at nå Pluto og 25.000 år at flyve ved det sorte hul i midten af Mælkevejen. Er der ikke noget hurtigere? Einstein svarede med et eftertrykkeligt ”Nej!”
En af lysets mest interessante egenskaber er, at det ændrer hastighed afhængigt af det medium, gennem hvilket det kører. Mens en stråls hastighed gennem luften næsten er den samme som i et vakuum, bremser "tykkere" medier den betydeligt. En af de mest kendte er vand. Når lys krydser fra luft til vand, siger en regndråbe, falder dens hastighed til 140.430 miles i sekundet (226.000 km / sek). Glas forsinker lysstråler til 124.275 miles / sekund, mens carbonatomer, der udgør diamant, knaster hastigheden ned til kun 77.670 miles / sekund.
Hvorfor lyset går langsommere er lidt kompliceret, men så interessant, så lad os tage et øjeblik at beskrive processen. Lys, der trænger ind i vandet, absorberes straks af atomer med ilt og brint, hvilket får deres elektroner til at vibrere et øjeblik, før det udsendes som lys. Fri igen, strålen fortsætter nu, indtil den smækker i flere atomer, får deres elektroner til at vibrere og bliver genmonteret igen. Og igen. Og igen.
Ligesom en samlebånd fortsætter absorptions- og genemissionscyklussen, indtil strålen forlader dråbet. Selvom hver foton (eller bølge - dit valg) af lys bevæger sig med vakuumets hastighed i lyset i hulrummene mellem atomer, samles tidsforsinkelserne under absorptions- og genemissionsprocessen for at få lysstrålens netthastighed til at aftage . Når den endelig forlader dråbet, genoptager den sin normale hastighed gennem den luftige luft.
Lad os vende tilbage nu til regnbuer. Når lys passerer fra et medium til et andet, og dets hastighed falder, bliver det også bøjet eller brydes. Hæld en blyant i et glas, der er fyldt med vand, og du kan se, hvad jeg mener.
Indtil dette tidspunkt har vi kun talt om hvidt lys, men som vi alle lærte inden for grundlæggende videnskab, dirigerede Sir Isaac Newton eksperimenter med prismer i slutningen af 1600-tallet og opdagede, at hvidt lys består af alle regnbuens farver. Det er ingen overraskelse, at hver af disse farver bevæger sig i en lidt anden hastighed gennem en vanddråbe. Rødt lys interagerer kun svagt med atomernes elektroner og brydes og bremses mindst mulig. Kortere bølgelængde violet lys interagerer mere kraftigt med elektronerne og lider af en større grad af brydning og afmatning.
Regnbuer dannes, når milliarder af vanddråber fungerer som miniatyrprismer og bryder sollys. Violet (den mest brydede) vises i bunden eller den indre kant af buen. Orange og gult brydes lidt mindre end violet og optager midten af regnbuen. Rødt lys, der er mindst påvirket af brydning, vises langs buens ydre kant.
Fordi deres hastigheder gennem vand (og andre medier) er en fast egenskab for lys, og da hastighed bestemmer, hvor meget hver bøjes, når de krydser fra luft til vand, falder de altid i kø som Roy G. Biv. Eller den modsatte rækkefølge, hvis lysstrålen reflekteresto gange inden i regndråben før afgang, men forholdet mellem farve og farve bevares altid. Naturen ikke og kan ikke tilfældigt blande ordningen. Som Scotty fra Star Trek ville sige: "Du kan ikke ændre fysiklovene!"
Så for at besvare Collins originale spørgsmål forbliver lysets farver altid i samme rækkefølge, fordi hver rejser med en anden hastighed, når de brydes i en vinkel gennem en regndråbe eller prisme.
Ikke kun ændrer lys hastighed, når det kommer ind i et nyt medium, bølgelængden ændres, men dens hyppighed forbliver den samme. Mens bølgelængde kan være en nyttig måde at beskrive farverne på lys i et enkelt medium (f.eks. Luft), fungerer det ikke, når lyset overgår fra et medium til et andet. Til dette er vi afhængige af dens hyppighed eller hvor mange bølger af farvet lys passerer et sætpoint i sekundet.
Højfrekvente violette lysstrygninger i 790 billioner bølger pr. Sekund (cyklusser pr. Sekund) vs. 390 billioner for rød. Interessant nok, jo højere frekvens, jo mere energi en bestemt smag af lys bærer, en grund til, at UV giver dig solskoldning og rødt lys, vil det ikke.
Når en solstråle kommer ind i en regndråbe, mindskes afstanden mellem hver på hinanden følgende lysbølgeskam, hvilket forkorter strålens bølgelængde. Det kan få dig til at tro, at dens farve skal blive "blåere", når den passerer gennem en regndråbe. Det skyldes ikke, at frekvensen forbliver den samme.
Vi måler hyppighed ved at dele antallet af bølgekam, der passerer et punkt pr. Enhedstid. Det ekstra tid, lyset tager at rejse gennem dråbet, annullerer pænt forkortelsen af bølgelængden forårsaget af stråleets fald i hastighed og bevarer strålens frekvens og dermed farve. Klik HER for en yderligere forklaring.
Hvorfor prismer / regndråber bøjes og adskiller lys
Før vi bryder sammen, er der stadig et ubesvaret spørgsmål, der kribler bag i vores sind. Hvorfor bøjes lys i første omgang, når det skinner gennem vand eller glas? Hvorfor ikke bare gå lige igennem? Nå, lys passerer lige igennem, hvis det er vinkelret til mediet. Kun hvis den ankommer i en vinkel fra siden, bliver den bøjet. Det svarer til at se en indgående havbølge bøje sig omkring en klippe. For en dejlig visuel forklaring anbefaler jeg den fremragende, korte video ovenfor.
Åh, og Collin, tak for det spørgsmål buddy!
