Kinderen stellen vaak simpele vragen waardoor je je afvraagt of je je onderwerp echt begrijpt. Een jonge kennis van mij, Collin genaamd, vroeg zich af waarom de kleuren van de regenboog altijd in dezelfde volgorde stonden: rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo, violet. Waarom raken ze niet verward?
De bekende volgorde is vastgelegd in de beroemde Roy G. Biv acroniem, dat de volgorde beschrijft van regenboogkleuren die beginnen met rood, dat de langste golflengte heeft en eindigt op violet, de kortste. Golflengte - de afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen - en frequentie, het aantal lichtgolven dat elke seconde een bepaald punt passeert, bepalen de kleur van het licht.
De kegelcellen in ons netvlies reageren op golflengten van licht tussen 650 nanometer (rood) en 400 (violet). EEN nanometer is gelijk aan een miljardste meter. Gezien het feit dat een mensenhaar 80.000-100.000 nanometer breed is, zijn zichtbare lichtgolven inderdaad kleine dingen.
Dus waarom Roy G. Biv en niet Rob G. Ivy? Wanneer licht door een vacuüm gaat, doet het dat in een rechte lijn zonder afwijking bij een topsnelheid van 186.000 mijl per seconde (300.000 km / sec). Met deze snelheid, de snelst bekende in het universum zoals beschreven in Einstein's Speciale relativiteitstheorie, licht dat van het computerscherm naar uw ogen reist, kost slechts ongeveer 1 / 1.000.000.000 seconde. Verdomd snel.
Maar als we verder kijken dan het scherm naar het grote, brede universum, lijkt het licht te vertragen tot een kruip, waarbij het slechts 4,4 uur duurt om Pluto te bereiken en 25.000 jaar om door het zwarte gat in het centrum van de Melkweg te vliegen. Is er niet iets sneller? Einstein antwoordde met een nadrukkelijk 'nee!'
Een van de meest interessante eigenschappen van licht is dat het van snelheid verandert afhankelijk van het medium waar het doorheen reist. Terwijl de snelheid van een straal door de lucht bijna hetzelfde is als in een vacuüm, vertragen 'dikkere' mediums hem aanzienlijk. Een van de bekendste is water. Wanneer licht van lucht in water overgaat, zeg maar een regendruppel, daalt de snelheid tot 140.430 mijl per seconde (226.000 km / sec). Glas vertraagt lichtstralen tot 124.275 mijl / seconde, terwijl de koolstofatomen waaruit de diamant bestaat, zijn snelheid verlagen tot slechts 77.670 mijl / seconde.
Waarom het licht langzamer gaat, is een beetje ingewikkeld maar zo interessant, laten we even de tijd nemen om het proces te beschrijven. Licht dat water binnenkomt, wordt onmiddellijk geabsorbeerd door atomen van zuurstof en waterstof, waardoor hun elektronen kortstondig trillen voordat het opnieuw als licht wordt uitgezonden. Weer vrij, de straal gaat nu verder totdat hij tegen meer atomen botst, hun elektronen laat trillen en weer opnieuw wordt afgegeven. En opnieuw. En opnieuw.
Net als een assemblagelijn gaat de cyclus van absorptie en heruitzending door totdat de straal de druppel verlaat. Ook al reist elk foton (of elke golf - jouw keuze) van het licht met de vacuümsnelheid van licht in de holtes tussen atomen, de minuutvertragingen tijdens het absorptie- en heremissieproces tellen op om de netto snelheid van de lichtbundel te vertragen . Wanneer het uiteindelijk de druppel verlaat, hervat het zijn normale snelheid door de lucht.
Laten we nu terugkeren naar regenbogen. Wanneer licht van het ene medium naar het andere gaat en de snelheid daalt, wordt het ook gebogen of gebroken. Plop een potlood in een glas dat half gevuld is met water en je zult zien wat ik bedoel.
Tot nu toe hadden we het alleen over wit licht, maar zoals we allemaal leerden in de elementaire wetenschap, leidde Sir Isaac Newton experimenten met prisma's eind 1600 en ontdekte dat wit licht alle kleuren van de regenboog bevat. Het is geen verrassing dat elk van die kleuren met een iets andere snelheid door een waterdruppel reist. Rood licht werkt slechts zwak samen met de elektronen van de atomen en wordt het minst gebroken en vertraagd. Violet licht met een kortere golflengte werkt sterker samen met de elektronen en lijdt aan een grotere mate van refractie en vertraging.
Regenbogen ontstaan wanneer miljarden waterdruppels werken als miniatuurprisma's en zonlicht breken. Violet (het meest gebroken) verschijnt aan de onder- of binnenrand van de boog. Oranje en geel zijn iets minder gebroken dan violet en nemen het midden van de regenboog in beslag. Rood licht, het minst beïnvloed door breking, verschijnt langs de buitenrand van de boog.
Omdat hun snelheden door water (en andere media) een vaste eigenschap van licht zijn, en aangezien snelheid bepaalt hoeveel elk is gebogen als ze van lucht naar water oversteken, vallen ze altijd in lijn als Roy G. Biv. Of andersom als de lichtstraal reflecteerttweemaal binnen de regendruppel voor het verlaten, maar de relatie van kleur tot kleur blijft altijd behouden. De natuur kan en wil het schema niet willekeurig door elkaar halen. Zoals Scotty van Star Trek zou zeggen: "Je kunt de wetten van de natuurkunde niet veranderen!"
Dus om de oorspronkelijke vraag van Collin te beantwoorden, blijven de kleuren van licht altijd in dezelfde volgorde omdat ze allemaal met een andere snelheid reizen wanneer ze onder een hoek door een regendruppel of prisma worden gebroken.
Licht verandert niet alleen de snelheid wanneer het een nieuw medium binnengaat, de golflengte verandert, maar de frequentie blijft hetzelfde. Hoewel golflengte een nuttige manier kan zijn om de kleuren van licht in een enkel medium (lucht bijvoorbeeld) te beschrijven, werkt het niet wanneer licht van het ene medium naar het andere overgaat. Daarvoor vertrouwen we op de frequentie of hoeveel golven van gekleurd licht een setpoint per seconde passeren.
Violet licht met hogere frequentie propt in 790 biljoen golven per seconde (cycli per seconde) versus 390 biljoen voor rood. Interessant is dat hoe hoger de frequentie, hoe meer energie een bepaalde smaak van licht met zich meebrengt, een van de redenen waarom UV je verbrandt en rood licht niet.
Wanneer een zonnestraal een regendruppel binnenkomt, neemt de afstand tussen elke opeenvolgende top van de lichtgolf af, waardoor de golflengte van de straal korter wordt. Daardoor zou je kunnen denken dat de kleur "blauwer" moet worden als hij door een regendruppel gaat. Dat komt niet omdat de frequentie hetzelfde blijft.
We meten de frequentie door het aantal golftoppen te delen door een punt per tijdseenheid. De extra tijd die het licht kost om netjes door de druppel te reizen, annuleert de verkorting van de golflengte die wordt veroorzaakt door de snelheidsdaling van de straal, met behoud van de frequentie en dus de kleur van de straal. Klik HIER voor een verdere uitleg.
Waarom prisma's / regendruppels buigen en licht scheiden
Voordat we afronden, blijft er een onbeantwoorde vraag in ons achterhoofd kietelen. Waarom buigt licht in de eerste plaats als het door water of glas schijnt? Waarom ga je er niet gewoon doorheen? Wel, het licht gaat recht door als dat zo is loodrecht naar het medium. Alleen als het schuin van opzij komt, wordt het verbogen. Het lijkt op het kijken naar een inkomende oceaangolf die rond een klif buigt. Voor een mooie visuele uitleg raad ik de uitstekende, korte video hierboven aan.
Oh, en Collin, bedankt voor die vraag maatje!
