Hvordan virker et prisme? Lys, brydning og spredning forklaret

Et prisme virker ved at bøje lyset, når det passerer gennem glasset, og fordi hver farve af lys bøjes i en lidt ogen vinkel, blæser hvidt lys ud i et fuldt synligt spektrum. Denne proces involverer to centrale fysiske principper: brydning and spredning . At forstå, hvordan disse to kræfter interagerer, forklarer alt fra regnbuer på himlen til lasereksperimenter i et fysiklaboratorium.

Hvad sker der, når lys kommer ind i et prisme

Når en lysstråle bevæger sig fra luft til glas, bliver den langsommere. Glas er optisk tættere end luft, hvilket betyder, at lys bevæger sig gennem det med en lavere hastighed. Denne hastighedsændring får lysstrålen til at bøje ved grænsen mellem de to materialer. Denne bøjning kaldes brydning .

Mængden af bøjning er beskrevet af Snells lov, som siger, at forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er lig med forholdet mellem lyshastighederne i de to medier. Rent praktisk bøjer lyset mod en linje vinkelret på overfladen, når det kommer ind i et tættere medium og bøjer væk fra det, når det kommer ud.

Et prisme er formet med mindst to flade, vinklede overflader. Lys kommer ind gennem et ansigt og ud gennem et andet. Fordi de to overflader ikke er parallelle, ophæves den brydning, der sker ved indgang, ikke ved udgang. I stedet forbindes begge brydninger og bøjer lyset yderligere i samme retning.

Hvorfor hvidt lys opdeles i farver

Hvidt lys er ikke en enkelt farve. Det er en blanding af alle farverne i det synlige spektrum, hver med sin egen bølgelængde. Violet lys har en bølgelængde på omkring 380 til 450 nanometer, mens rødt lys sidder i den anden ende på omkring 620 til 750 nanometer.

Den kritiske detalje er, at glas bremser forskellige bølgelængder med forskellige mængder. Kortere bølgelængder, som violet, bremser mere inde i glasset og bøjer derfor mere skarpt. Længere bølgelængder, som rød, bremser mindre og bøjer mindre. Denne variation i bøjningsvinkel baseret på bølgelængde kaldes spredning .

I et typisk glasprisme er forskellen i brydningsindeks mellem violet og rødt lys ca 0,02 til 0,05 , afhængig af glastypen. Den lille forskel er nok til at sprede farverne til en synlig regnbue, når lyset forlader prismet.

Farvernes rækkefølge i spektret

Farverne optræder altid i samme rækkefølge, fordi de altid bøjes med faste, forudsigelige mængder. Fra mindst bøjet til mest bøjet er rækkefølgen:

• Rød
• Orange
• Gul
• Grøn
• Blå
• Indigo
• Violet

Dette er den samme sekvens, som ses i naturlige regnbuer, hvor vanddråber fungerer som små prismer i atmosfæren.

Prismeeformens rolle

Den trekantede form af et standardprisme er ikke tilfældig. Vinklen ved trekantens spids, kaldet spidsvinklen eller prismevinklen, styrer direkte, hvor meget total afvigelse lyset gennemgår. En større topvinkel giver større adskillelse mellem farver.

De fleste demonstrationsprismer har en topvinkel på 60 grader , som giver en stærk og let synlig spredning uden at kræve en ekstrem geometri. Et 30-graders prisme afbøjer lyset mere blidt, mens vinkler over 70 grader begynder at forårsage betydeligt lystab på grund af interne refleksioner ved overfladerne.

Prismets materiale har også betydning. Tæt flintglas har et højere brydningsindeks end standard borosilikatglas, så det spreder farver kraftigere. Dette er grunden til, at optiske instrumenter, der kræver præcis farveadskillelse, bruger specielt formuleret glas frem for almindeligt vinduesglas.

Brydningsindeks sammenlignet på tværs af farver

Selvom forskellene i brydningsindeks ser små ud på papiret, producerer de en tydeligt synlig spredning af farver, når prismets geometri forstærker dem på tværs af udgangsfladen.

Kan et prisme rekombinere lys tilbage til hvidt

Ja. Isaac Newton demonstrerede dette i 1666 ved at placere et andet prisme på hovedet i vejen for det spredte spektrum fra det første. Det andet prisme bøjede hver farve tilbage til justering og rekombinerede dem til en enkelt stråle af hvidt lys. Dette eksperiment beviste to ting: hvidt lys indeholder alle farver, og prismet i sig selv tilføjer ikke farve til lyset, men afslører kun, hvad der allerede var til stede.

Denne reversibilitet er vigtig i optisk design. Systemer, der skal adskille bølgelængder til analyse, kan senere rekombinere dem uden tab af information, forudsat ideel optik uden aberrationer.

Praktiske anvendelser af prismer ud over farveseparation

Prismer bruges ikke kun til at skabe regnbuer. De tjener en række præcise funktioner inden for optiske instrumenter og teknologi.

Spektroskopi

Forskere bruger prisme-baserede spektrometre til at analysere det lys, der udsendes eller absorberes af stoffer. Hvert element producerer et unikt sæt spektrallinjer, der fungerer som et fingeraftryk. Astronomer bruger denne teknik til at bestemme den kemiske sammensætning af stjerner, der er millioner af lysår væk, uden nogensinde at indsamle en fysisk prøve.

Kikkerter og Periskoper

Tagprismer og Porro-prismer inde i kikkerten bruges total indre refleksion snarere end spredning. Når lys rammer den indre overflade af glasset i en vinkel, der er stejlere end den kritiske vinkel, reflekteres det fuldstændigt uden tab. Dette gør det muligt for kikkerten at folde den optiske vej til en kompakt form, mens billedets lysstyrke og orientering bevares.

Telekommunikation og fiberoptik

Bølgelængdedelingsmultipleksing i fiberoptiske netværk bruger dispersionsbaserede komponenter, der fungerer på samme måde som prismer. Forskellige datakanaler transmitteres på forskellige bølgelængder af lys og adskilles eller kombineres derefter ved hjælp af diffraktionsgitre eller prisme-lignende elementer, hvilket gør det muligt for en enkelt fiber at bære enorme mængder information samtidigt.

Kamera- og projektorsystemer

Avancerede videokameraer bruger stråleopdelte prismer til at opdele indkommende lys i separate røde, grønne og blå kanaler, hver opfanget af en dedikeret sensor. Dette giver en mere nøjagtig farvegengivelse end enkeltsensorsystemer, der er afhængige af farvefilter-arrays.

Hvordan indfaldsvinkel påvirker outputtet

Vinklen, hvormed lyset rammer prismeoverfladen, påvirker resultatet markant. Ved den mindste afvigelsesvinkel passerer lyset symmetrisk gennem prismet, og spredningen er renest. Ved stejlere indfaldsvinkler kan nogle bølgelængder gennemgå total intern refleksion og slet ikke forlade prismet.

For et 60-graders kroneglasprisme er den mindste afvigelsesvinkel ca 37 til 40 grader for synligt lys. Optiske ingeniører beregner dette præcist, når de designer instrumenter for at sikre, at de ønskede bølgelængder passerer igennem med minimal forvrængning.

Hvis lys rammer overfladen i en for lav vinkel, kan det reflektere i stedet for overhovedet at komme ind i glasset, et fænomen styret af Fresnel-ligningerne. Antirefleksbelægninger i høj kvalitet optiske prismer minimer dette overfladetab og forbedre transmissionseffektiviteten.

Forskellen mellem prismer og diffraktionsgitre

Både prismer og diffraktionsgitre kan adskille lys i dets komponentbølgelængder, men de gør det gennem helt andre fysiske mekanismer. Et prisme bruger brydning og bølgelængdeafhængigheden af ​​brydningsindekset. Et diffraktionsgitter bruger interferensen af ​​lysbølger, der er spredt fra en overflade dækket af tusindvis af fine parallelle linjer.

Det er bemærkelsesværdigt, at farverækkefølgen er omvendt mellem de to. I et prisme er violet bøjet mest. I et diffraktionsgitter diffrakteres rødt til den største vinkel. Denne forskel er en direkte konsekvens af den underliggende fysik i hvert enkelt tilfælde.

Hvorfor nogle materialer spreder lys mere end andre

Et materiales tendens til at sprede lys måles ved dets Abbe-tal. A lavt Abbe-tal betyder høj spredning, hvilket betyder, at materialet adskiller farver kraftigt. Et højt Abbe-tal betyder lav spredning. Tæt flintglas har et Abbe-tal omkring 36, mens borosilikat-kroneglas er tæt på 64.

I kameralinser er høj spredning normalt uønsket, fordi det skaber kromatisk aberration, hvor forskellige farver fokuserer på lidt forskellige afstande og frembringer frynser eller sløring. Linsedesignere kombinerer bevidst elementer lavet af glas med høj og lav spredning for at udligne den kromatiske fejl, en teknik kaldet akromatisk korrektion.

I et prismespektrometer er høj spredning dog præcis, hvad du ønsker. Jo stærkere spredningen er, jo mere spredt er spektret, hvilket gør det nemmere at skelne tætsiddende bølgelængder.

Nøgle takeaways

Et prisme opdeler hvidt lys i et spektrum, fordi glas bremser forskellige bølgelængder med forskellige mængder, hvilket får hver farve til at bryde i en unik vinkel. Prismets trekantede geometri sikrer, at både ind- og udgangsbrydninger bøjer lyset i samme retning, hvilket forstærker adskillelsen. Resultatet er en synlig regnbue, der går fra rød i den lavvandede ende til violet i den stejle ende.

1. Brydning får lyset til at bøje sig, når det bevæger sig mellem materialer med forskellig optisk tæthed.
2. Spredning får forskellige bølgelængder til at bøje i forskellige mængder i det samme materiale.
3. Prismeformen forener brydningen på to overflader, hvilket giver en synlig adskillelse af farver.
4. Processen er fuldt reversibel, som Newton beviste ved at rekombinere spektret med et andet prisme.
5. Prismer bruges i spektroskopi, billeddannelsessystemer, kikkerter og telekommunikation, ikke kun i klasseværelsesdemonstrationer.