Rozszczepienie światła. Barwy

około 12 minut

W tej lekcji1/13

Weź płytę CD i obróć ją pod lampą — po srebrnej powierzchni przebiegają pasy czerwieni, zieleni i fioletu. A przecież żarówka nad tobą świeci zwyczajnym, białym światłem. Skąd te barwy? Kto je tam dorzucił?

Nikt ich nie dorzucił

Barwy cały czas tam były — tylko razem, jedna na drugiej, i dlatego widzimy je jako biel. Żeby je zobaczyć osobno, trzeba je rozdzielić. Robi to pryzmat: klin ze szkła z dwiema ukośnymi ściankami.

Wiązka wchodzi przez jedną ukośną ściankę, wychodzi przez drugą — i już nie jest biała

Każda barwa załamuje się inaczej

Pryzmat korzysta ze zjawiska, które już znasz — z załamania światła. Z jednym dodatkiem: wszystkie barwy zwalniają w szkle, ale nie tak samo mocno. Czerwona zwalnia najmniej, więc odchyla się najsłabiej. Fioletowa zwalnia najbardziej i odchyla się najmocniej.

odchylenie: fiolet 39,8°, czerwony 38,4° (różnica 1,4° — na rysunku powiększona 7×)

Ten sam pryzmat, ta sama wiązka — a każda barwa wychodzi pod innym kątem

Widmo światła białego

Niewielka różnica kątów wystarczy, żeby po drugiej stronie pryzmatu barwy rozjechały się w kolorowy pas. Ten pas to widmo, a samo zjawisko — rozszczepienie światła.

Kolejność jest zawsze ta sama: czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona, niebieska, granatowa, fioletowa.

Tęcza, czyli miliony kropel zamiast pryzmatu

Rolę pryzmatu pełnią krople deszczu. W każdej z nich światło przechodzi trzy etapy: załamuje się przy wejściu do wody (i już wtedy rozszczepia), odbija od tylnej ścianki kropli, a przy wyjściu załamuje się drugi raz — różnice między barwami jeszcze rosną.

Etap pierwszy: promień słońca wchodzi z powietrza do kropli wody

Gdzie stanąć, żeby zobaczyć tęczę

Każda kropla wysyła do twojego oka jedną barwę ze swojego wachlarza, a miliony kropel układają się w łuk. Skoro światło w kropli zawraca, to obowiązuje przepis: słońce za plecami, deszcz przed tobą.

Doświadczenie Newtona, które rozstrzygnęło spór

1
Rok 1666. Newton zaciemnia pokój i zostawia w okiennicy mały otwór. Wpada przez niego wąska wiązka światła słonecznego — biała jak zawsze.
2
Zaciemniony pokój Newtona: wąska wiązka, pryzmat i pas barw na ścianie
Na drodze wiązki staje szklany pryzmat. Na ścianie zamiast białej plamki pojawia się pas barw.
3
Uczeni tamtych czasów mieli gotowe wytłumaczenie: to szkło barwi światło. Newton postanowił to sprawdzić, a nie przyjąć na wiarę.
Wskazówka
Cała fizyka trzyma się na tym odruchu: skoro mam dwa wyjaśnienia, wymyślam doświadczenie, które jedno z nich obali.
4
Drugi pryzmat i sama czerwień: na ekranie jedna barwa, żadnego wachlarza
Najpierw wycina z widma sam czerwony promień i przepuszcza go przez drugi pryzmat. Czerwony wchodzi, czerwony wychodzi — nic się nie dobarwia.
5
Potem krok najważniejszy: drugi pryzmat ustawiony odwrotnie, a w niego CAŁE widmo. Barwy schodzą się i na ścianie znów świeci biała plamka.
6
Skoro barwy dają się złożyć z powrotem w biel, to musiały w niej być od początku. Pryzmat niczego nie dodaje — tylko ROZDZIELA.
$\text{biel} = \text{czerwona} + \ldots + \text{fioletowa}$
Wskazówka
To jedno doświadczenie zamieniło barwy z ozdoby na cechę samego światła. Newton miał wtedy 23 lata. 🏆

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Wąska wiązka światła białego pada na szklany pryzmat i rozszczepia się na widmo. Która barwa odchyli się od pierwotnego kierunku NAJMOCNIEJ?

Pułapka! Pryzmat nie barwi światła

Błąd. „Pryzmat pokolorował białe światło”, „kropla dodała barwy do promienia”.

Talia kart zamiast farby

Rozsyp talię kart na stole. Kart nie przybyło ani nie ubyło — wcześniej leżały jedna na drugiej i widać było tylko wierzchnią, teraz leżą obok siebie i widać wszystkie. Dokładnie to robi pryzmat ze światłem.

Dlaczego jabłko jest czerwone, a czarna koszulka grzeje

1
Jabłko, ściana i koszulka same nie świecą. Widzimy je wyłącznie dzięki światłu, które od nich ODBIJA się do naszych oczu.
2
Na czerwone jabłko pada komplet barw. Skórka pochłania wszystkie oprócz czerwonej, a czerwoną odbija — i taką barwę widzimy.
3
Zielony liść odbija zieloną, a pochłania resztę. Barwa przedmiotu to informacja o tym, którą część światła białego on odrzuca.
4
Biała kartka odbija WSZYSTKIE barwy mniej więcej równo. Do oka wraca komplet, a komplet barw to biel.
5
Czarny materiał pochłania niemal wszystko i prawie nic nie odbija. Do oka nie wraca nic i widzimy czerń.
Wskazówka
Czerń to nie barwa światła, tylko jego brak. W widmie nie ma czarnej — i nigdy nie było.
6
Pochłonięta energia musi się gdzieś podziać: zamienia się w ciepło. Dlatego czarna koszulka nagrzewa się w słońcu bardziej niż biała.
7
Domowy sprawdzian: oświetl czerwone jabłko samym niebieskim światłem. Niebieska zostaje pochłonięta, odbić nie ma czego — jabłko wygląda niemal czarno.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

W ciemnym pokoju oświetlamy białą kartkę samym czerwonym światłem. Jaką barwę będzie miała kartka?

Ściąga do zapamiętania

Na czym polega rozszczepienie światła i skąd biorą się barwy przedmiotów?

Światło białe jest mieszaniną barw. Pryzmat rozdziela je, bo każda barwa załamuje się pod trochę innym kątem: czerwona najsłabiej, fioletowa najmocniej. Kolejność barw w widmie: czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona, niebieska, granatowa, fioletowa. Newton udowodnił, że pryzmat niczego nie dodaje — drugi, odwrócony pryzmat składa widmo z powrotem w biel. Tęcza powstaje na kroplach deszczu: załamanie przy wejściu, odbicie wewnątrz kropli, załamanie przy wyjściu. Widać ją, gdy słońce jest za plecami, a deszcz przed nami. Barwa przedmiotu bierze się z tego, że pochłania on część barw, a resztę odbija: czerwone jabłko odbija czerwoną, biały odbija wszystkie, czarny pochłania wszystkie i dlatego nagrzewa się w słońcu.

Sprawdź się!

Dlaczego pryzmat rozdziela światło białe na barwy?

Która barwa widma załamuje się najsłabiej, a która najmocniej?

Co udowodnił Newton, przepuszczając całe widmo przez drugi, odwrócony pryzmat?

Gdzie musi być Słońce, żebyś mógł zobaczyć tęczę?

Dlaczego czarna koszulka nagrzewa się w słońcu bardziej niż biała?

Następny temat

Przyrządy optyczne