Kinder stellen oft einfache Fragen, bei denen Sie sich fragen, ob Sie Ihr Thema wirklich verstehen. Ein junger Bekannter von mir namens Collin fragte sich, warum die Farben des Regenbogens immer in derselben Reihenfolge waren - rot, orange, gelb, grün, blau, indigo, violett. Warum werden sie nicht verwechselt?
Die bekannte Sequenz wird im berühmten festgehalten Roy G. Biv Akronym, das die Folge von Regenbogenfarben beschreibt, die mit Rot beginnen, das die längste Wellenlänge hat, und mit Violett enden, dem kürzesten. Die Wellenlänge - der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen - und die Frequenz, die Anzahl der Lichtwellen, die jede Sekunde einen bestimmten Punkt passieren, bestimmen die Farbe des Lichts.
Die Kegelzellen in unserer Netzhaut reagieren auf Lichtwellenlängen zwischen 650 Nanometer (rot) und 400 (violett). EIN Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Wenn man bedenkt, dass ein menschliches Haar 80.000 bis 100.000 Nanometer breit ist, sind sichtbare Lichtwellen in der Tat winzige Dinge.
Warum also Roy G. Biv und nicht Rob G. Ivy? Wenn Licht durch ein Vakuum tritt, geschieht dies in einer geraden Linie ohne Abweichung bei seiner Höchstgeschwindigkeit von 300.000 km / s (186.000 Meilen pro Sekunde). Bei dieser Geschwindigkeit die schnellste im Universum, wie in Einsteins beschrieben Spezielle RelativitätstheorieLicht, das vom Computerbildschirm zu Ihren Augen gelangt, benötigt nur etwa 1 / 1.000.000.000 Sekunden. Verdammt schnell.
Wenn wir jedoch über den Bildschirm hinaus auf das große, weite Universum schauen, scheint sich das Licht zu verlangsamen. Es dauert 4,4 Stunden, um Pluto zu erreichen, und 25.000 Jahre, um am Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeizufliegen. Gibt es nicht etwas schnelleres? Einstein antwortete mit einem nachdrücklichen „Nein!“
Eine der interessantesten Eigenschaften des Lichts ist, dass es die Geschwindigkeit je nach Medium ändert, durch das es sich bewegt. Während die Geschwindigkeit eines Strahls durch die Luft fast die gleiche ist wie im Vakuum, verlangsamen „dickere“ Medien ihn erheblich. Eines der bekanntesten ist Wasser. Wenn Licht von Luft in Wasser übergeht, beispielsweise ein Regentropfen, sinkt seine Geschwindigkeit auf 226.000 km / s (140.430 Meilen pro Sekunde). Glas verzögert Lichtstrahlen auf 124.275 Meilen / Sekunde, während die Kohlenstoffatome, aus denen Diamant besteht, ihre Geschwindigkeit auf nur 77.670 Meilen / Sekunde reduzieren.
Warum das Licht langsamer wird, ist etwas kompliziert, aber so interessant. Nehmen wir uns einen Moment Zeit, um den Prozess zu beschreiben. In Wasser eintretendes Licht wird sofort von Sauerstoff- und Wasserstoffatomen absorbiert, wodurch ihre Elektronen kurzzeitig schwingen, bevor es als Licht wieder emittiert wird. Der Strahl ist wieder frei und bewegt sich nun weiter, bis er in mehr Atome zerschmettert, deren Elektronen vibrieren und wieder emittiert werden. Und wieder. Und wieder.
Wie bei einer Montagelinie setzt sich der Zyklus der Absorption und Reemission fort, bis der Strahl aus dem Tropfen austritt. Obwohl sich jedes Photon (oder jede Welle - Ihre Wahl) des Lichts mit der Vakuumgeschwindigkeit des Lichts in den Hohlräumen zwischen den Atomen bewegt, addieren sich die winzigen Zeitverzögerungen während des Absorptions- und Wiederemissionsprozesses, wodurch sich die Nettogeschwindigkeit des Lichtstrahls verlangsamt . Wenn es den Tropfen endgültig verlässt, nimmt es seine normale Geschwindigkeit durch die luftige Luft wieder auf.
Kehren wir jetzt zu den Regenbogen zurück. Wenn Licht von einem Medium zum anderen gelangt und seine Geschwindigkeit abnimmt, wird es auch gebogen oder gebrochen. Stecke einen Bleistift in ein Glas, das zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist, und du wirst sehen, was ich meine.
Bis zu diesem Punkt haben wir nur über weißes Licht gesprochen, aber wie wir alle in der Elementarwissenschaft gelernt haben, dirigierte Sir Isaac Newton Experimente mit Prismen in den späten 1600er Jahren und entdeckte, dass weißes Licht aus allen Farben des Regenbogens besteht. Es ist keine Überraschung, dass sich jede dieser Farben mit einer etwas anderen Geschwindigkeit durch ein Wassertropfen bewegt. Rotes Licht interagiert nur schwach mit den Elektronen der Atome und wird am wenigsten gebrochen und verlangsamt. Violettes Licht mit kürzerer Wellenlänge interagiert stärker mit den Elektronen und leidet unter einem höheren Grad an Brechung und Verlangsamung.
Regenbogen entstehen, wenn Milliarden von Wassertropfen wie Miniaturprismen wirken und das Sonnenlicht brechen. Violett (am stärksten gebrochen) erscheint am unteren oder inneren Rand des Bogens. Orange und Gelb werden etwas weniger gebrochen als Violett und nehmen die Mitte des Regenbogens ein. Rotes Licht, das am wenigsten von der Brechung betroffen ist, erscheint am äußeren Rand des Bogens.
Da ihre Geschwindigkeit durch Wasser (und andere Medien) eine festgelegte Eigenschaft des Lichts ist und die Geschwindigkeit bestimmt, wie stark jeder beim Übergang von Luft zu Wasser gebogen wird, fallen sie immer als Roy G. Biv in eine Linie. Oder die umgekehrte Reihenfolge, wenn der Lichtstrahl reflektiertzweimal innerhalb des Regentropfens vor dem Verlassen, aber das Verhältnis von Farbe zu Farbe bleibt immer erhalten. Die Natur kann und kann das Schema nicht zufällig verwechseln. Wie Scotty von Star Trek sagen würde: "Sie können die Gesetze der Physik nicht ändern!"
Um Collins ursprüngliche Frage zu beantworten, bleiben die Farben des Lichts immer in der gleichen Reihenfolge, da sich jede Farbe mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt, wenn sie in einem Winkel durch einen Regentropfen oder ein Prisma gebrochen wird.
Licht ändert nicht nur seine Geschwindigkeit, wenn es in ein neues Medium eintritt, seine Wellenlänge ändert sich, sondern seine Frequenz bleibt gleich. Während die Wellenlänge eine nützliche Methode zur Beschreibung der Lichtfarben in einem einzelnen Medium (z. B. Luft) sein kann, funktioniert sie nicht, wenn Licht von einem Medium zum anderen wechselt. Dafür verlassen wir uns auf seine Frequenz oder wie viele Wellen farbigen Lichts einen Sollwert pro Sekunde passieren.
Hochfrequentes violettes Licht stopft sich in 790 Billionen Wellen pro Sekunde (Zyklen pro Sekunde) gegenüber 390 Billionen für Rot. Interessanterweise trägt ein bestimmter Lichtgeschmack umso mehr Energie, je höher die Frequenz ist. Dies ist ein Grund, warum UV-Strahlen einen Sonnenbrand verursachen und rotes Licht nicht.
Wenn ein Sonnenstrahl in einen Regentropfen eintritt, verringert sich der Abstand zwischen jedem aufeinanderfolgenden Scheitelpunkt der Lichtwelle, wodurch die Wellenlänge des Strahls verkürzt wird. Das könnte Sie denken lassen, dass seine Farbe "blauer" werden muss, wenn es durch einen Regentropfen geht. Dies liegt nicht daran, dass die Frequenz gleich bleibt.
Wir messen die Frequenz, indem wir die Anzahl der Wellenberge teilen, die pro Zeiteinheit einen Punkt passieren. Die zusätzliche Zeit, die Licht benötigt, um sich durch den Tropfen zu bewegen, hebt die durch den Geschwindigkeitsabfall des Strahls verursachte Verkürzung der Wellenlänge auf und bewahrt die Frequenz und damit die Farbe des Strahls. Klicken HIER für eine weitere Erklärung.
Warum sich Prismen / Regentropfen biegen und Licht trennen
Bevor wir zum Abschluss kommen, bleibt eine unbeantwortete Frage im Hinterkopf. Warum biegt sich Licht überhaupt, wenn es durch Wasser oder Glas scheint? Warum nicht einfach durchgehen? Nun, Licht geht direkt durch, wenn es ist aufrecht zum Medium. Nur wenn es in einem Winkel von der Seite ankommt, wird es verbogen. Es ist ähnlich, als würde man beobachten, wie sich eine ankommende Meereswelle um eine Klippe biegt. Für eine schöne visuelle Erklärung empfehle ich das ausgezeichnete, kurze Video oben.
Oh, und Collin, danke für diese Frage, Kumpel!
