ילדים שואלים לעתים קרובות שאלות פשוטות שגורמות לך לתהות אם אתה באמת מבין את הנושא שלך. מכר צעיר שלי בשם קולין תהה מדוע צבעי הקשת היו תמיד באותו סדר - אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו, סגול. מדוע הם לא מתערבבים?
הרצף המוכר נלכד במפורסם רועי ג 'ביב ראשי תיבות, המתאר את רצף צבעי הקשת המתחילים באדום, בעל אורך הגל הארוך ביותר, ומסתיים בסגול, הקצר ביותר. אורך גל - המרחק בין שני גסות גל עוקבות - ותדירות, מספר גלי האור העוברים נקודה נתונה בכל שנייה, קובעים את צבע האור.
תאי החרוט ברשתית שלנו מגיבים לאורכי גל של אור בין 650 ננומטר (אדום) ל -400 (סגול). א ננומטר שווה למיליארד המטר. בהתחשב בכך ששיער אנושי הוא רוחב 80,000-100,000 ננומטר, גלי אור גלויים הם אכן דברים זעירים.
אז למה רוי ג 'ביב ולא רוב ג' אייבי? כאשר האור עובר בוואקום הוא עושה זאת בקו ישר ללא סטייה במהירות העליונה של 186,000 מיילים לשנייה (300,000 קמ"ש). במהירות זו, המהירה ביותר הידועה ביקום כמתואר בספרו של איינשטיין תורת היחסות המיוחדת, נסיעה קלה ממסך המחשב לעיניך אורכת בערך 1 / 1,000,000,000 משנייה. מהר לעזאזל.
אך כאשר אנו מביטים מעבר למסך אל היקום הגדול והרחב, נדמה כי האור מאט לזחילה, לוקח כל 4.4 שעות רק כדי להגיע לפלוטו ו -25,000 שנה לטוס ליד החור השחור במרכז גלקסיית שביל החלב. האם אין משהו מהיר יותר? אינשטיין היה עונה בלשון המוחלטת "לא!"
אחד המאפיינים המעניינים ביותר של האור הוא שהוא משנה את המהירות בהתאם למדיום שדרכו הוא נוסע. בעוד שמהירות קרן באוויר זהה כמעט כמו בוואקום, המדיומים "העבים" יותר מאטים אותה במידה ניכרת. אחד המוכרים שבהם הם מים. כאשר האור חוצה מהאוויר למים, נניח טיפה גשם, המהירות שלו יורדת ל -140,430 מיילים לשנייה (226,000 קמ"ש). זכוכית מפגרת קרני אור עד 124,275 מייל / שנייה, ואילו אטומי הפחמן המרכיבים יהלום מפסיקים את מהירותה עד 77,670 מייל / שנייה.
מדוע האור מאט מעט מורכב אבל כל כך מעניין, ניקח רגע לתאר את התהליך. אור הנכנס למים נספג מייד על ידי אטומי חמצן ומימן, וגורם לאלקטרונים שלהם לרטוט לרגע לפני שהוא פולט מחדש כאור. שוב משוחרר, הקורה ממשיכה להמשיך עד שהיא נטרפת לאטומים נוספים, מקבלת את האלקטרונים שלהם רוטטים ונפלטת מחדש. ושוב. ושוב.
כמו פס ייצור, מחזור הקליטה והפליטה ממשיך עד שהקרן יוצאת מהטיפה. אף על פי שכל פוטון (או גל - בחירתך) של האור נעה במהירות ואקום האור בריקים שבין אטומים, עיכובי זמן הדקות במהלך תהליך הקליטה וההזרמה מסתכמים בכדי לגרום להאטה של מהירות קרן האור . כאשר הוא עוזב לבסוף את הטיפה, הוא ממשיך את מהירותו הרגילה באוויר האוורירי.
בואו נחזור עכשיו לקשתות גשם. כאשר האור עובר מדיום אחד למשנהו והמהירות שלו יורדת, הוא גם מתכופף או שבור. קמו עיפרון בכוס חצי מלאה מים ותראו למה אני מתכוון.
עד לנקודה זו דיברנו על אור לבן בלבד, אך כפי שלמדנו כולנו במדע היסודי, סר איזק ניוטון ניהל ניסויים עם פריזמות בסוף שנות ה- 1600 וגילה שאור לבן מורכב מכל צבעי הקשת. אין זה מפתיע שכל אחד מהצבעים האלה נע במהירות שונה במקצת דרך טיפת מים. אור אדום אינטראקציה חלשה רק עם האלקטרונים של האטומים ונשבר ומאט את הפחות. אור סגול באורך הגל הקצר יותר מתקשר חזק יותר עם האלקטרונים וסובל בדרגה גבוהה יותר של שבירה והאטה.
קשתות גשם נוצרות כאשר מיליארדי טיפות מים מתנהגות כמו מנסרות זעירות ומפרעות אור שמש. ויולט (הכי שבורה) מופיעה בתחתית או בקצה הפנימי של הקשת. כתום וצהוב נשברים מעט פחות מסגול ותופסים את אמצע הקשת. אור אדום, שנפגע פחות מהשבירה, מופיע בקצה החיצוני של הקשת.
מכיוון שמהירותם דרך מים (ותקשורת אחרת) הם מאפיין מוגדר של אור, ומכיוון שהמהירות קובעת עד כמה כל אחד כפוף כשהם עוברים מהאוויר למים, הם תמיד נופלים בתור כמו רוי ג. ביב. או בסדר הפוך אם קרן האור משתקפתפעמיים בתוך הגשם לפני היציאה, אך הקשר של צבע לצבע נשמר תמיד. הטבע אינו יכול ואינו יכול לערבב את התוכנית באופן אקראי. כפי שאומר סקוטי ממסע בין כוכבים: "אינך יכול לשנות את חוקי הפיזיקה!"
אז כדי לענות על השאלה המקורית של קולין, צבעי האור תמיד נשארים באותו הסדר מכיוון שכל אחד מהם נוסע במהירות שונה כאשר הם נשברים בזווית דרך טיפת גשם או פריזמה.
לא רק האור משנה את מהירותו כאשר הוא נכנס למדיום חדש, אורך הגל שלו משתנה, אלא שהתדר שלו נשאר זהה. אמנם אורך גל עשוי להיות דרך שימושית לתאר את צבעי האור במדיום יחיד (למשל, אוויר), אך זה לא עובד כשמעבר אור ממדיום אחד למשנהו. לשם כך אנו מסתמכים על התדר שלו או על כמה גלים של אור צבעוני עוברים נקודה קבועה בשנייה.
דחיסות אור סגולות בתדירות גבוהה יותר ב -790 טריליון גלים בשנייה (מחזורים בשנייה) לעומת 390 טריליון לאדום. מעניין לציין שככל שהתדירות גבוהה יותר, כך טעם מסוים של אור נושא יותר אנרגיה, סיבה אחת לכך ש- UV יעניק לך כוויות שמש ואור אדום לא ייעשה.
כשקרן אור נכנסת לטפטוף גשם, המרחק בין כל קרום עוקב של גל האור פוחת, ומקצר את אורך הגל של הקורה. זה עשוי לגרום לך לחשוב שצבעו חייב להיות "כחול יותר" כאשר הוא עובר דרך טיפת גשם. זה לא בגלל שהתדר נשאר זהה.
אנו מודדים את התדירות על ידי חלוקת מספר פסגות הגל העוברות נקודה לזמן יחידה. אור הזמן הנוסף לוקח לנסוע דרך הירידה מבטל בצורה מסודרת את קיצור אורך הגל הנגרם כתוצאה מירידת המהירות של הקרן, ושומר על תדירות הקורה ועל ידי כך הצבע. לחץ על כאן להסבר נוסף.
מדוע מנסרות / טיפות גשם מתכופפות ומפרידות אור
לפני שאנחנו מתעטפים, נותרה שאלה שלא נענתה מדגדגת בחלק האחורי של מוחנו. מדוע האור מתכופף מלכתחילה כשהוא מאיר דרך מים או זכוכית? למה לא פשוט לעבור ישר? ובכן, האור אכן עובר ישר אם זה בניצב למדיום. רק אם הוא יגיע בזווית מהצד הוא יתכופף. זה דומה לצפייה בגל האוקיאנוס הנכנס מתכופף סביב צוק. להסבר ויזואלי נחמד אני ממליץ על הסרטון המצוין והקצר שלמעלה.
אה, וקולין, תודה על חבר השאלה הזה!
