Contenido
- La refracción y la difracción ocurren porque la luz es una onda
- Piense en la luz como pulsos de energía electromagnética
- Por qué un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro
- ¿Qué tiene de especial un prisma triangular?
- Las gotas de agua pueden actuar como prismas para formar un arco iris
La naturaleza de la luz fue una gran controversia en las ciencias en el siglo XVII, y los prismas estaban en el centro de la tormenta. Algunos científicos creían que la luz era un fenómeno ondulatorio, y algunos pensaban que era una partícula. El físico y matemático inglés Sir Isaac Newton estaba en el antiguo campo, posiblemente su líder, mientras que el filósofo holandés Christiaan Huygens encabezó la oposición.
La controversia finalmente resultó en el compromiso de que la luz es tanto una onda como una partícula. Esta comprensión no fue posible hasta la introducción de la teoría cuántica en la década de 1900, y durante casi 300 años, los científicos continuaron realizando experimentos para confirmar su punto de vista. Uno de los prismas involucrados más importantes.
El hecho de que un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro podría explicarse tanto por la onda como por la teoría corpuscular. Ahora que los científicos saben que la luz en realidad está compuesta de partículas con características de onda llamadas fotones, tienen una mejor idea de lo que causa la dispersión de la luz, y resulta que tiene más que ver con las propiedades de onda que con las corpusculares.
La refracción y la difracción ocurren porque la luz es una onda
los refracción de la luz Es la razón por la cual un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro. La refracción ocurre porque la luz viaja más lentamente en un medio denso, como el vidrio, que en el aire. La formación de un espectro, del cual el arco iris es el componente visible, es posible porque la luz blanca está compuesta de fotones con un rango completo de longitudes de onda, y cada longitud de onda se refracta en un ángulo diferente.
La difracción es un fenómeno que ocurre cuando la luz pasa a través de una ranura muy estrecha. Los fotones individuales se comportan como ondas de agua que pasan a través de una abertura estrecha en un malecón. A medida que las ondas pasan a través de la abertura, se doblan alrededor de las esquinas y se extienden, y si permite que las ondas golpeen una pantalla, producirán un patrón de líneas claras y oscuras llamado patrón de difracción. La separación de línea es una función del ángulo de difracción, la longitud de onda de la luz incidente y el ancho de la hendidura.
La difracción es claramente un fenómeno de onda, pero puede explicar la refracción como resultado de la propagación de partículas, como lo hizo Newton. Para tener una idea precisa de lo que realmente está sucediendo, debe comprender qué es realmente la luz y cómo interactúa con el medio a través del cual viaja.
Piense en la luz como pulsos de energía electromagnética
Si la luz fuera una onda verdadera, necesitaría un medio a través del cual viajar, y el universo tendría que estar lleno de una sustancia fantasmal llamada éter, como creía Aristóteles. Sin embargo, el experimento de Michelson-Morley demostró que no existe tal éter éter. Resulta que en realidad no es necesario explicar la propagación de la luz, a pesar de que la luz a veces se comporta como una onda.
La luz es un fenómeno electromagnético. Un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético, y viceversa, y la frecuencia de los cambios crea los pulsos que forman un haz de luz. La luz viaja a una velocidad constante cuando viaja a través de un vacío, pero cuando viaja a través de un medio, los pulsos interactúan con los átomos en el medio, y la velocidad de la onda disminuye.
Cuanto más denso es el medio, más lento viaja el rayo. La relación de velocidades del incidente (vyo) y refractado (vR) light es una constante (n) llamada índice de refracción para la interfaz:
n = vyo/ vR
Por qué un prisma dispersa la luz blanca formando un espectro
Cuando un haz de luz incide en la interfaz entre dos medios, cambia de dirección, y la cantidad de cambio depende de n. Si el ángulo de incidencia es θyo, y el y el ángulo de refracción es θR, la proporción de ángulos viene dada por La ley de Snell:
sinθR/ sinθyo = n
Hay una pieza más del rompecabezas para considerar. La velocidad de una onda es un producto de su frecuencia y su longitud de onda, y la frecuencia F de la luz no cambia a medida que pasa la interfaz. Eso significa que la longitud de onda debe cambiar para preservar la relación indicada por norte. La luz con una longitud de onda incidente más corta se refracta en un ángulo mayor que la luz con una longitud de onda más larga.
La luz blanca es una combinación de luz de fotones con todas las longitudes de onda posibles. En el espectro visible, la luz roja tiene la longitud de onda más larga, seguida de naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (ROYGBIV). Estos son los colores del arcoíris, pero solo los verá desde un prisma triangular.
¿Qué tiene de especial un prisma triangular?
Cuando la luz pasa de un medio menos denso a uno más denso, como lo hace cuando entra en un prisma, se divide en sus longitudes de onda componentes. Estos se recombinan cuando la luz sale del prisma, y si las dos caras del prisma son paralelas, un observador ve emerger luz blanca. En realidad, en una inspección más cercana, una línea roja delgada y una violeta delgada son visibles. Son evidencia de ángulos de dispersión ligeramente diferentes causados por la desaceleración del haz de luz en el material del prisma.
Cuando el prisma es triangular, los ángulos de incidencia a medida que el haz entra y sale del prisma son diferentes, por lo que los ángulos de refracción también son diferentes. Cuando mantiene el prisma en el ángulo adecuado, puede ver el espectro formado por las longitudes de onda individuales.
La diferencia entre el ángulo del haz incidente y el del haz emergente se llama ángulo de desviación. Este ángulo es esencialmente cero para todas las longitudes de onda cuando el prisma es rectangular. Cuando las caras no son paralelas, cada longitud de onda emerge con su propio ángulo de desviación característico, y las bandas del arco iris observado aumentan de ancho a medida que aumenta la distancia desde el prisma.
Las gotas de agua pueden actuar como prismas para formar un arco iris
Sin duda ha visto un arco iris, y puede que se pregunte por qué solo puede verlos cuando el sol está detrás de usted y está en un ángulo particular con las nubes o con una lluvia. La luz se refracta dentro de una gotita de agua, pero si esa fuera la historia completa, el agua habría estado entre usted y el sol, y eso no es lo que suele suceder.
A diferencia de los prismas, las gotas de agua son redondas. La luz solar incidente refracta en la interfaz aire / agua, y parte de ella viaja y emerge desde el otro lado, pero esa no es la luz que produce los arcoíris. Parte de la luz se refleja dentro de la gotita de agua y emerge del mismo lado de la gotita. Esa es la luz que produce el arcoiris.
La luz del sol tiene una trayectoria descendente. La luz puede salir de cualquier parte de la gota de lluvia, pero la mayor concentración tiene un ángulo de desviación de aproximadamente 40 grados. La colección de gotitas de las que emerge la luz en este ángulo particular forma un arco circular en el cielo. Si pudieras ver el arcoíris desde un avión, podrías ver un círculo completo, pero desde el suelo, la mitad del círculo se corta y solo ves el típico arco de medio punto.