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 der gleichen Reihenfolge waren – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Warum vermischen sie sich nicht?
Die bekannte Sequenz ist im berühmten eingefangenRoy G. BivAkronym, das die Abfolge von Regenbogenfarben beschreibt, beginnend mit Rot, das die längste Wellenlänge hat, und endet mit Violett, 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 Lichtfarbe.
Die bekannten Farben des Regenbogenspektrums mit Wellenlängen in Nanometern. Bildnachweis: NASA
Die Zapfenzellen unserer Netzhaut reagieren auf Lichtwellenlängen zwischen 650 Nanometer (rot) bis 400 (violett). EIN Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Wenn man bedenkt, dass ein menschliches Haar 80.000-100.000 Nanometer breit ist, sind sichtbare Lichtwellen in der Tat winzige Dinge.
Warum also Roy G. Biv und nicht Rob G. Ivy? Wenn Licht ein Vakuum durchdringt, geschieht dies geradlinig ohne Abweichung bei seiner Höchstgeschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde (300.000 km/s). Bei dieser Geschwindigkeit ist die schnellste im Universum bekannte, wie in Einsteins beschrieben Spezielle Relativitätstheorie , das Licht, das vom Computerbildschirm zu Ihren Augen gelangt, dauert nur etwa 1/1.000.000.000 Sekunde. Verdammt schnell.
Aber wenn wir über den Bildschirm hinaus auf das große, weite Universum blicken, scheint sich das Licht zu einem Kriechen zu verlangsamen und braucht nur 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 würde mit einem entschiedenen „Nein!“ antworten.
Ein Laserstrahl (links), der durch ein Wasserglas scheint, zeigt, wie oft das Licht die Geschwindigkeit ändert – von 186,222 Meilen pro Sekunde (mps) in der Luft auf 124.275 mps durch das Glas. Es beschleunigt wieder auf 140.430 mps in Wasser, verlangsamt sich beim Passieren der anderen Seite des Glases und beschleunigt dann wieder beim Verlassen des Glases in die Luft. Bildnachweis: Bob King
Eine der interessantesten Eigenschaften des Lichts ist, dass es seine 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 sie erheblich. Einer der bekanntesten ist Wasser. Wenn Licht von der Luft ins Wasser übergeht, sagen wir ein Regentropfen, sinkt seine Geschwindigkeit auf 140.430 Meilen pro Sekunde (226.000 km/s). Glas verzögert die Lichtstrahlen auf 124.275 Meilen/Sekunde, während die Kohlenstoffatome, aus denen Diamant besteht, seine 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 Vorgang zu beschreiben. Licht, das in Wasser eindringt, wird sofort von Sauerstoff- und Wasserstoffatomen absorbiert, wodurch ihre Elektronen kurz vibrieren, bevor es als Licht wieder emittiert wird. Wieder frei, wandert der Strahl nun weiter, bis er in weitere Atome knallt, deren Elektronen in Schwingung versetzt und wieder emittiert wird. Und wieder. Und wieder.
Ein Lichtstrahl, der von einem Kunststoffblock gebrochen wird. Beachten Sie, dass sich das Licht zweimal biegt – einmal beim Eintritt (von Luft zu Kunststoff) und erneut beim Austritt (Kunststoff zu Luft). Der Strahl wird beim Eintritt verlangsamt und beim Austritt wieder beschleunigt.
Wie bei einem Fließband setzt sich der Zyklus von Absorption und Reemission fort, bis der Strahl den Tropfen verlässt. Obwohl sich jedes Photon (oder jede Welle – Ihrer Wahl) des Lichts mit Vakuumlichtgeschwindigkeit in den Hohlräumen zwischen den Atomen ausbreitet, summieren sich die winzigen Zeitverzögerungen während des Absorptions- und Reemissionsprozesses zu einer Verlangsamung der Nettogeschwindigkeit des Lichtstrahls . Wenn es schließlich den Tropfen verlässt, nimmt es seine normale Geschwindigkeit durch die luftige Luft wieder auf.
Lichtstrahlen werden gebeugt oder gebrochen, wenn sie sich von einem Medium zum anderen bewegen. Wir alle kennen den „gebrochenen Bleistift“-Effekt, wenn Licht von der Luft ins Wasser übergeht.
Kehren wir nun zu den Regenbogen zurück. Wenn Licht von einem Medium zum anderen übergeht und seine Geschwindigkeit abnimmt, wird es auch verbogen oder gebrochen . Stecken Sie einen Bleistift in ein halb mit Wasser gefülltes Glas und Sie werden verstehen, was ich meine.
Bisher haben wir nur über weißes Licht gesprochen, aber wie wir alle in der Elementarwissenschaft gelernt haben, hat Sir Isaac Newton Experimente mit Prismen Ende des 17. Jahrhunderts und entdeckte, dass weißes Licht aus allen Farben des Regenbogens besteht. Es ist keine Überraschung, dass jede dieser Farben mit einer etwas anderen Geschwindigkeit durch einen Wassertropfen wandert. Rotes Licht wechselwirkt nur schwach mit den Elektronen der Atome und wird am wenigsten gebrochen und verlangsamt. Violettes Licht kürzerer Wellenlänge interagiert stärker mit den Elektronen und erleidet einen größeren Brechungs- und Verlangsamungsgrad.
Isaac Newton benutzte ein Prisma, um Licht in seine vertraute Farbpalette zu zerlegen. Wie ein Prisma bricht ein Regentropfen einfallendes Sonnenlicht und breitet es in einem Bogen aus Regenbogenfarben mit einem Radius von 42 aus. Die Farben breiten sich aus, wenn Licht in den Tropfen eindringt, und breiten sich dann weiter aus, wenn sie es verlassen und schneller werden. Links: NASA-Bild, rechts, gemeinfrei mit Anmerkungen des Autors
Regenbogen entstehen, wenn Milliarden von Wassertröpfchen 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 Brechung betroffen ist, erscheint entlang der Außenkante des Bogens.
Regenbogen sind oft doppelt. Der sekundäre Bogen entsteht durch Lichtreflexion im Regentropfen ein zweites Mal. Wenn es auftaucht, werden die Farben umgekehrt (rot unten statt oben), aber die Reihenfolge der Farben bleibt erhalten. Bildnachweis: Bob King
Da ihre Geschwindigkeiten durch Wasser (und andere Medien) eine festgelegte Eigenschaft des Lichts sind und da die Geschwindigkeit bestimmt, wie stark jedes Element beim Übergang von der Luft ins Wasser gebogen wird, fallen sie immer als Roy G. Biv. Oder umgekehrt, wenn der Lichtstrahl reflektiertzweimalinnerhalb des Regentropfens, bevor er austritt, aber das Verhältnis von Farbe zu Farbe bleibt immer erhalten. Die Natur kann und kann das Schema nicht willkürlich durcheinander bringen. Wie Scotty von Star Trek sagen würde: „Du kannst die Gesetze der Physik nicht ändern!“
Um Collins ursprüngliche Frage zu beantworten, bleiben die Farben des Lichts immer in der gleichen Reihenfolge, da sich jedes Licht mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreitet, wenn es in einem Winkel durch einen Regentropfen oder ein Prisma gebrochen wird.
Licht unterschiedlicher Farben hat sowohl unterschiedliche Wellenlängen (Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen) als auch Frequenzen. In diesem Diagramm hat rotes Licht eine längere Wellenlänge und mehr „gestreckte“ Wellen im Vergleich zu violettem Licht mit höherer Frequenz. Bildnachweis: NASA
Licht ändert nicht nur seine Geschwindigkeit, wenn es in ein neues Medium eintritt, sondern ändert auch seine Wellenlänge, sondern auch seine Frequenz bleibt gleich. Die Wellenlänge kann zwar eine nützliche Methode sein, um die Farben des Lichts in einem einzelnen Medium (z. B. Luft) zu beschreiben, sie funktioniert jedoch nicht, wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht. Dafür verlassen wir uns auf seine Frequenz oder wie viele Wellen farbigen Lichts einen Sollwert pro Sekunde passieren.
Violettes Licht mit höherer Frequenz drängt in 790 Billionen Wellen pro Sekunde (Zyklen pro Sekunde) im Vergleich zu 390 Billionen bei Rot. Interessanterweise trägt ein bestimmter Lichtgeschmack umso mehr Energie, je höher die Frequenz ist, ein Grund, warum UV Ihnen einen Sonnenbrand verursacht und rotes Licht nicht.
Wenn ein Sonnenstrahl auf einen Regentropfen trifft, verringert sich der Abstand zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Scheiteln der Lichtwelle, wodurch die Wellenlänge des Strahls verkürzt wird. Das könnte Sie denken lassen, dass seine Farbe „blauer“ werden muss, wenn es einen Regentropfen passiert. Nicht, weil die Frequenz gleich bleibt.
Wir messen die Frequenz, indem wir die Anzahl der Wellenberge dividieren, die einen Punkt pro Zeiteinheit passieren. Die zusätzliche Zeit, die das Licht benötigt, um durch den Tropfen zu wandern, hebt die Verkürzung der Wellenlänge, die durch den Geschwindigkeitsabfall des Strahls verursacht wird, sauber auf und behält die Frequenz des Strahls und damit die Farbe bei. Klicken HIER für eine weitere Erklärung.
Warum Prismen/Regentropfen Licht biegen und trennen
Bevor wir zum Abschluss kommen, bleibt eine unbeantwortete Frage in unserem Hinterkopf. Warum verbiegt sich Licht überhaupt, wenn es durch Wasser oder Glas scheint? Warum nicht gleich durch? Nun, Licht geht direkt durch, wenn es so istaufrechtzum Medium. Nur wenn es schräg von der Seite ankommt, wird es verbogen. Es ist ähnlich, als würde man eine ankommende Meereswelle beobachten, die sich um eine Klippe biegt. Für eine schöne visuelle Erklärung empfehle ich das hervorragende, kurze Video oben.
Oh, und Collin, danke für diese Frage, Kumpel!
