Trẻ em thường hỏi những câu hỏi đơn giản khiến bạn tự hỏi liệu bạn có thực sự hiểu môn học của mình không. Một người quen trẻ của tôi tên là Collin đã tự hỏi tại sao màu sắc của cầu vồng luôn theo cùng một thứ tự - đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm, tím. Tại sao don không được trộn lẫn?
Trình tự quen thuộc được chụp trong nổi tiếng Roy G. Biv từ viết tắt, mô tả chuỗi các màu sắc cầu vồng bắt đầu bằng màu đỏ, có bước sóng dài nhất và kết thúc bằng màu tím, ngắn nhất. Bước sóng - khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp - và tần số, số lượng sóng ánh sáng đi qua một điểm nhất định mỗi giây, xác định màu sắc của ánh sáng.
Các tế bào hình nón trong võng mạc của chúng ta phản ứng với các bước sóng ánh sáng trong khoảng từ 650 nanomet (màu đỏ) đến 400 (màu tím). Một nanômét bằng một phần tỷ của một mét. Xem xét rằng một sợi tóc của con người rộng 80.000-100.000 nanomet, sóng ánh sáng nhìn thấy được thực sự là những điều nhỏ bé.
Vậy tại sao Roy G. Biv mà không phải Rob G. Ivy? Khi vượt qua ánh sáng qua một chân nó làm như vậy trong một đường thẳng mà không bị lệch ở tốc độ tối đa của 186.000 dặm một giây (300.000 km / giây). Với tốc độ này, nhanh nhất được biết đến trong vũ trụ như được mô tả trong Einstein, Lý thuyết tương đối đặc biệt, ánh sáng truyền từ màn hình máy tính đến mắt bạn chỉ mất khoảng 1 / 1.000.000.000 giây. Chết tiệt nhanh quá.
Nhưng khi chúng ta nhìn xa hơn màn hình tới vũ trụ rộng lớn, ánh sáng dường như chậm lại khi bò, mất tất cả 4,4 giờ chỉ để đến Sao Diêm Vương và 25.000 năm để bay qua lỗ đen ở trung tâm dải ngân hà. Có phải là một cái gì đó nhanh hơn? Einstein sẽ trả lời với một câu nhấn mạnh
Một trong những đặc tính thú vị nhất của Light là nó thay đổi tốc độ tùy thuộc vào phương tiện mà nó di chuyển. Trong khi một chùm tia vận tốc trong không khí gần giống như trong chân không, thì môi trường dày hơn của Google làm nó chậm lại đáng kể. Một trong những thứ quen thuộc nhất là nước. Khi thánh ánh sáng từ không khí vào nước, nói một giọt mưa, tốc độ của nó giảm xuống còn 140.430 dặm một giây (226.000 km / giây). Kính chậm tia ánh sáng để 124.275 dặm / giây, trong khi các nguyên tử carbon tạo nên kim cương crunch tốc độ của nó xuống chỉ còn 77.670 dặm / giây.
Tại sao ánh sáng chậm lại là một chút phức tạp nhưng rất thú vị, hãy để Lôi dành một chút thời gian để mô tả quá trình. Ánh sáng đi vào nước ngay lập tức bị hấp thụ bởi các nguyên tử oxy và hydro, khiến các electron của chúng rung động trong giây lát trước khi nó phát lại dưới dạng ánh sáng. Miễn phí một lần nữa, chùm tia này truyền đi cho đến khi nó đâm vào nhiều nguyên tử hơn, làm cho các electron của chúng rung động và được phát xạ trở lại. Và một lần nữa. Và một lần nữa.
Giống như một dây chuyền lắp ráp, chu kỳ hấp thụ và phát xạ tiếp tục cho đến khi tia ra khỏi giọt. Mặc dù mọi photon (hoặc sóng - sự lựa chọn của bạn) ánh sáng truyền đi với tốc độ chân không của ánh sáng trong các khoảng trống giữa các nguyên tử, thời gian trễ trong quá trình hấp thụ và phát xạ lại làm cho tốc độ ròng của chùm sáng chậm lại . Khi cuối cùng nó rời khỏi giọt nước, nó tiếp tục tốc độ bình thường trong không khí thoáng đãng.
Hãy để ngay bây giờ trở lại cầu vồng. Khi ánh sáng truyền từ môi trường này sang môi trường khác và tốc độ của nó giảm xuống, nó cũng bị uốn cong hoặc khúc xạ. Nhét một cây bút chì vào một nửa ly chứa đầy nước và bạn sẽ thấy ý tôi là gì.
Cho đến thời điểm này, chúng tôi chỉ nói về ánh sáng trắng, nhưng như tất cả chúng ta đã học về khoa học cơ bản, Ngài Isaac Newton đã tiến hành thí nghiệm với lăng kính vào cuối những năm 1600 và phát hiện ra rằng ánh sáng trắng bao gồm tất cả các màu sắc của cầu vồng. Nó không có gì ngạc nhiên khi mỗi màu đó di chuyển với tốc độ hơi khác nhau thông qua một giọt nước. Ánh sáng đỏ chỉ tương tác yếu với các electron của các nguyên tử và bị khúc xạ và làm chậm ít nhất. Ánh sáng tím bước sóng ngắn hơn tương tác mạnh hơn với các electron và chịu mức độ khúc xạ và làm chậm lớn hơn.
Cầu vồng hình thành khi hàng tỷ giọt nước hoạt động như lăng kính thu nhỏ và khúc xạ ánh sáng mặt trời. Violet (phần khúc xạ nhất) hiện lên ở cạnh dưới hoặc trong của vòng cung. Cam và vàng bị khúc xạ ít hơn một chút so với màu tím và chiếm phần giữa của cầu vồng. Ánh sáng đỏ, ít bị ảnh hưởng nhất bởi khúc xạ, xuất hiện dọc theo rìa ngoài hồ quang.
Bởi vì tốc độ của chúng trong nước (và các phương tiện khác) là một thuộc tính của ánh sáng, và vì tốc độ xác định mỗi cái bị uốn cong khi chúng đi từ không khí vào nước, chúng luôn rơi thẳng hàng như Roy G. Biv. Hoặc thứ tự ngược lại nếu chùm sáng phản xạhai lần bên trong hạt mưa trước khi thoát ra, nhưng mối quan hệ của màu sắc với màu sắc luôn được giữ nguyên. Thiên nhiên không có thể và có thể trộn ngẫu nhiên các chương trình. Như Scotty từ Star Trek sẽ nói: Bạn có thể thay đổi định luật vật lý!
Vì vậy, để trả lời câu hỏi ban đầu của Collin, màu sắc của ánh sáng luôn giữ cùng một thứ tự vì mỗi lần truyền đi ở một tốc độ khác nhau khi khúc xạ ở một góc qua hạt mưa hoặc lăng kính.
Ánh sáng không chỉ thay đổi tốc độ khi đi vào một môi trường mới, bước sóng của nó cũng thay đổi, nhưng tần số của nó vẫn giữ nguyên. Mặc dù bước sóng có thể là một cách hữu ích để mô tả màu sắc của ánh sáng trong một môi trường đơn lẻ (ví dụ như không khí), nhưng nó không hoạt động khi ánh sáng chuyển từ môi trường này sang môi trường khác. Vì vậy, chúng tôi dựa vào tần số của nó hoặc có bao nhiêu sóng ánh sáng màu vượt qua một điểm đặt mỗi giây.
Tần số ánh sáng tím cao hơn nhồi nhét trong 790 nghìn tỷ sóng mỗi giây (chu kỳ mỗi giây) so với 390 nghìn tỷ cho màu đỏ. Thật thú vị, tần số càng cao, năng lượng đặc biệt của ánh sáng mang theo càng nhiều, một lý do tại sao tia cực tím sẽ mang lại cho bạn một làn da cháy nắng và ánh sáng đỏ giành được.
Khi một tia sáng mặt trời đi vào một hạt mưa, khoảng cách giữa mỗi đỉnh sóng liên tiếp giảm dần, rút ngắn bước sóng tia. Điều đó có thể khiến bạn nghĩ rằng màu sắc của nó phải có được màu xanh lam nhạt khi nó đi qua một hạt mưa. Nó không có vì tần số vẫn giữ nguyên.
Chúng tôi đo tần số bằng cách chia số lượng sóng truyền qua một điểm trên mỗi đơn vị thời gian. Ánh sáng thêm thời gian cần thiết để truyền qua sự sụt giảm một cách gọn gàng việc rút ngắn bước sóng gây ra bởi sự giảm tốc độ tia ray, duy trì tần số chùm tia và do đó màu sắc. Nhấp chuột ĐÂY để giải thích thêm.
Tại sao lăng kính / hạt mưa uốn cong và ánh sáng riêng biệt
Trước khi chúng tôi kết thúc, vẫn còn một câu hỏi chưa được trả lời ở phía sau tâm trí của chúng tôi. Tại sao ánh sáng uốn cong ở nơi đầu tiên khi nó chiếu qua nước hoặc thủy tinh? Tại sao không đi thẳng qua? Chà, ánh sáng truyền thẳng qua nó vuông góc đến trung bình. Chỉ khi nó đến một góc từ phía bên, nó sẽ bị uốn cong. Nó tương tự như xem một con sóng biển tới uốn quanh một vách đá. Để giải thích trực quan tốt đẹp, tôi khuyên bạn nên video ngắn xuất sắc ở trên.
Oh và Collin, cảm ơn vì câu hỏi đó!
