غالبًا ما يطرح الأطفال أسئلة بسيطة تجعلك تتساءل عما إذا كنت تفهم حقًا موضوعك. تساءل أحد معارفي الشباب يدعى كولين لماذا كانت ألوان قوس قزح دائمًا بنفس الترتيب - أحمر ، برتقالي ، أصفر ، أخضر ، أزرق ، نيلي ، بنفسجي. لماذا لا يختلطون؟
يتم التقاط التسلسل المألوف في الشهير روي جي بيف اختصار ، يصف تسلسل ألوان قوس قزح بدءًا من اللون الأحمر ، والذي له أطول طول موجي ، وينتهي بالبنفسجي ، الأقصر. الطول الموجي - المسافة بين ذروتين موجتين متتاليتين - والتردد ، عدد موجات الضوء التي تمر نقطة معينة كل ثانية ، تحدد لون الضوء.
تستجيب الخلايا المخروطية في شبكية العين لأطوال موجات الضوء بين 650 نانومتر (أحمر) إلى 400 (بنفسجي). أ نانومتر يساوي مليار من المتر. بالنظر إلى أن شعر الإنسان يبلغ 80،000-100،000 نانومتر ، فإن موجات الضوء المرئية هي أشياء صغيرة بالفعل.
فلماذا روي جي بيف وليس روب جي آيفي؟ عندما يمر الضوء من خلال فراغ ، فإنه يفعل ذلك في خط مستقيم دون انحراف بسرعته القصوى البالغة 186،000 ميل في الثانية (300،000 كم / ثانية). بهذه السرعة ، الأسرع في الكون كما هو موصوف في آينشتاين النظرية النسبية الخاصة، الضوء المنتقل من شاشة الكمبيوتر إلى عينيك يستغرق حوالي 1 / 1،000،000،000 من الثانية فقط. لعنة سريعة.
ولكن عندما ننظر إلى ما وراء الشاشة إلى الكون الكبير الواسع ، يبدو أن الضوء يتباطأ في الزحف ، حيث يستغرق 4.4 ساعة فقط للوصول إلى بلوتو و 25000 سنة ليطير من الثقب الأسود في مركز مجرة درب التبانة. ألا يوجد شيء أسرع؟ كان آينشتاين يجيب بعبارة "لا!" مؤكدة.
واحدة من أكثر خصائص الضوء إثارة للاهتمام هي أنه يغير السرعة اعتمادًا على الوسط الذي ينتقل من خلاله. في حين أن سرعة الحزمة في الهواء هي نفسها تقريبًا في الفراغ ، فإن الوسائط "الأكثر سمكًا" تبطئها إلى حد كبير. المياه هي الأكثر شهرة. عندما يمر الضوء من الهواء إلى الماء ، مثل قطرة المطر ، تنخفض سرعته إلى 140،430 ميلًا في الثانية (226000 كم / ثانية). يعمل الزجاج على إعاقة أشعة الضوء إلى 124،275 ميل / ثانية ، في حين أن ذرات الكربون التي يتكون منها الماس تقطع سرعتها إلى 77،670 ميل / ثانية فقط.
لماذا يتباطأ الضوء معقد بعض الشيء ولكنه مثير للاهتمام ، فلنأخذ لحظة لوصف العملية. يتم امتصاص الضوء الذي يدخل الماء على الفور بواسطة ذرات الأكسجين والهيدروجين ، مما يتسبب في اهتزاز إلكتروناتها للحظات قبل إعادة انبعاثها كضوء. مجانًا مرة أخرى ، تنتقل الحزمة الآن إلى أن ترتطم في المزيد من الذرات ، وتهتز إلكتروناتها وتعاود إطلاقها مرة أخرى. ومره اخرى. ومره اخرى.
مثل خط التجميع ، تستمر دورة الامتصاص وإعادة الانبعاث حتى يخرج الشعاع من الهبوط. على الرغم من أن كل فوتون (أو موجة - اختيارك) للضوء ينتقل بسرعة الفراغ للضوء في الفراغات بين الذرات ، فإن التأخير الزمني الدقيق أثناء عملية الامتصاص وإعادة الإرسال يتسبب في إبطاء سرعة صافي شعاع الضوء . عندما يترك القطرة أخيرًا ، فإنه يستأنف سرعته الطبيعية عبر الهواء المتهوي.
دعنا نعود الآن إلى أقواس قزح. عندما يمر الضوء من وسط إلى آخر وتنخفض سرعته ، فإنه ينحني أو منكسر. ضع قلم رصاص في نصف كوب مملوء بالماء وسترى ما أعنيه.
حتى هذه اللحظة ، كنا نتحدث عن الضوء الأبيض فقط ، ولكن كما تعلمنا جميعًا في العلوم الأولية ، أجرى السير إسحاق نيوتن تجارب مع المنشورات اكتشف في أواخر القرن السابع عشر أن الضوء الأبيض يتألف من جميع ألوان قوس قزح. ليس من المستغرب أن ينتقل كل لون من هذه الألوان بسرعة مختلفة قليلاً عبر قطرة ماء. يتفاعل الضوء الأحمر بشكل ضعيف فقط مع إلكترونات الذرات وينكسر ويبطئ أقل. يتفاعل الضوء البنفسجي الأقصر بطول الموجة بقوة أكبر مع الإلكترونات ويعاني درجة أكبر من الانكسار والتباطؤ.
تتشكل أقواس قزح عندما تعمل مليارات قطرات الماء مثل المنشور المصغر وتكسر أشعة الشمس. تظهر البنفسج (الأكثر انكسارًا) عند الحافة السفلية أو الداخلية للقوس. ينكسر البرتقالي والأصفر قليلاً أقل من البنفسجي ويأخذان في منتصف قوس قزح. يظهر الضوء الأحمر ، الأقل تأثرًا بالانكسار ، على طول الحافة الخارجية للقوس.
نظرًا لأن سرعاتها عبر الماء (والوسائط الأخرى) هي خاصية محددة للضوء ، وبما أن السرعة تحدد مقدار الانحناء لكل منها أثناء عبورها من الهواء إلى الماء ، فإنها تسقط دائمًا في الطابور مثل Roy G. Biv. أو الترتيب العكسي إذا انعكس شعاع الضوءمرتين داخل قطرة المطر قبل الخروج ، ولكن دائمًا ما يتم الحفاظ على العلاقة بين اللون واللون. الطبيعة لا يمكنها ولا يمكنها خلط المخطط بشكل عشوائي. كما قال سكوتي من ستار تريك: "لا يمكنك تغيير قوانين الفيزياء!"
لذا ، للإجابة على سؤال كولين الأصلي ، تظل ألوان الضوء دائمًا بنفس الترتيب لأن كل منها ينتقل بسرعة مختلفة عند انكساره بزاوية من خلال قطرة مطر أو منشور.
لا يغير الضوء سرعته فقط عندما يدخل إلى وسط جديد ، يتغير طوله الموجي ، ولكن يظل تردده كما هو. في حين أن الطول الموجي قد يكون طريقة مفيدة لوصف ألوان الضوء في وسط واحد (الهواء ، على سبيل المثال) ، إلا أنه لا يعمل عند انتقال الضوء من وسيط إلى آخر. لذلك نعتمد على تردده أو عدد موجات الضوء الملون التي تمر نقطة محددة في الثانية.
موجات الضوء البنفسجي ذات التردد العالي في 790 تريليون موجة في الثانية (دورات في الثانية) مقابل 390 تريليون للحمرة. ومن المثير للاهتمام أنه كلما زاد التردد ، زادت الطاقة التي تحملها نكهة معينة من الضوء ، أحد الأسباب التي تجعل الأشعة فوق البنفسجية تعطيك حروق الشمس ولن يؤدي الضوء الأحمر إلى ذلك.
عندما يدخل شعاع من أشعة الشمس قطرة مطر ، تقل المسافة بين كل قمة متتالية للموجة الضوئية ، وتقصير الطول الموجي للحزمة. قد يجعلك هذا تعتقد أن لونه يجب أن يصبح "أكثر زرقة" أثناء مروره عبر قطرة مطر. لا لأن التردد يبقى على حاله.
نقيس التردد بقسمة عدد قمم الأمواج التي تمر بنقطة لكل وحدة زمنية. إن الوقت الإضافي الذي يستغرقه الضوء للتنقل خلال الهبوط يلغي بدقة تقصير الطول الموجي الناجم عن انخفاض سرعة الشعاع ، مما يحافظ على تردد الشعاع وبالتالي اللون. انقر هنا لمزيد من التوضيح.
لماذا ينحني المنشور / قطرات المطر ويفصل الضوء
قبل أن ننتهي ، يبقى سؤال بلا إجابة يدغدغ في عقولنا. لماذا ينحني الضوء في المقام الأول عندما يشرق من خلال الماء أو الزجاج؟ لماذا لا تذهب مباشرة من خلال؟ حسنًا ، الضوء يمر مباشرة إذا كان عمودي إلى الوسط. فقط إذا وصلت بزاوية من الجانب سوف تنحني. إنه يشبه مشاهدة موجة محيطية واردة حول منحدر صخري. للحصول على شرح مرئي لطيف ، أوصي بالفيديو القصير الرائع أعلاه.
أوه ، وكولين ، شكراً على هذا السؤال يا صديقي!
