I bambini spesso pongono semplici domande che ti fanno chiedere se capisci davvero la tua materia. Una mia giovane conoscenza di nome Collin si chiedeva perché i colori dell'arcobaleno fossero sempre nello stesso ordine: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco, viola. Perché non si confondono?
La sequenza familiare è catturata nel famoso Roy G. Biv acronimo, che descrive la sequenza dei colori dell'arcobaleno che inizia con il rosso, che ha la lunghezza d'onda più lunga e termina con il viola, il più corto. La lunghezza d'onda - la distanza tra due successive creste d'onda - e la frequenza, il numero di onde di luce che attraversano un dato punto ogni secondo, determinano il colore della luce.
Le cellule del cono nelle nostre retine rispondono alle lunghezze d'onda della luce tra 650 nanometri (rosso) a 400 (viola). UN nanometro è pari a un miliardesimo di metro. Considerando che un capello umano è largo 80.000-100.000 nanometri, le onde luminose visibili sono davvero piccole cose.
Allora perché Roy G. Biv e non Rob G. Ivy? Quando la luce attraversa un vuoto, lo fa in linea retta senza deviazione alla sua velocità massima di 186.000 miglia al secondo (300.000 km / sec). A questa velocità, il più veloce conosciuto nell'universo come descritto in Einstein Teoria speciale della relatività, la luce che viaggia dallo schermo del computer agli occhi richiede solo circa 1 / 1.000.000.000 di secondo. Dannatamente veloce.
Ma quando guardiamo oltre lo schermo verso il grande, vasto universo, la luce sembra rallentare a strisciare, impiegando tutte le 4,4 ore solo per raggiungere Plutone e 25.000 anni per volare vicino al buco nero al centro della galassia della Via Lattea. Non c'è qualcosa di più veloce? Einstein avrebbe risposto con un enfatico "No!"
Una delle proprietà più interessanti della luce è che cambia velocità a seconda del mezzo attraverso il quale viaggia. Mentre la velocità di un raggio attraverso l'aria è quasi la stessa di un vuoto, i mezzi "più spessi" la rallentano considerevolmente. Uno dei più familiari è l'acqua. Quando la luce attraversa l'aria nell'acqua, diciamo una goccia di pioggia, la sua velocità scende a 140.430 miglia al secondo (226.000 km / sec). Il vetro ritarda i raggi luminosi a 124.275 miglia / secondo, mentre gli atomi di carbonio che compongono il diamante riducono la sua velocità fino a soli 77.670 miglia / secondo.
Perché la luce rallenta è un po 'complicato ma così interessante, prendiamoci un momento per descrivere il processo. La luce che entra nell'acqua viene immediatamente assorbita dagli atomi di ossigeno e idrogeno, facendo vibrare i loro elettroni momentaneamente prima che riemetta come luce. Di nuovo libero, il raggio ora viaggia fino a quando non colpisce più atomi, fa vibrare i loro elettroni e viene nuovamente emesso. E di nuovo. E di nuovo.
Come una catena di montaggio, il ciclo di assorbimento e riemissione continua fino a quando il raggio esce dalla goccia. Anche se ogni fotone (o onda - la vostra scelta) di luce viaggia alla velocità del vuoto della luce nei vuoti tra gli atomi, i minuti ritardi durante il processo di assorbimento e di emissione si sommano per causare il rallentamento della velocità netta del raggio luminoso . Quando lascia finalmente la goccia, riprende la sua normale velocità attraverso l'aria ariosa.
Torniamo ora agli arcobaleni. Quando la luce passa da un mezzo all'altro e la sua velocità diminuisce, viene anche piegata o rifratta. Metti una matita in un bicchiere mezzo pieno d'acqua e vedrai cosa intendo.
Fino a questo punto, abbiamo parlato solo della luce bianca, ma come abbiamo imparato tutti nella scienza elementare, Sir Isaac Newton ha condotto esperimenti con prismi alla fine del 1600 e ho scoperto che la luce bianca è composta da tutti i colori dell'arcobaleno. Non sorprende che ciascuno di quei colori viaggi ad una velocità leggermente diversa attraverso una goccia d'acqua. La luce rossa interagisce solo debolmente con gli elettroni degli atomi e viene rifratta e rallentata al minimo. La luce viola a lunghezza d'onda più corta interagisce più fortemente con gli elettroni e subisce un maggiore grado di rifrazione e rallentamento.
Gli arcobaleni si formano quando miliardi di goccioline d'acqua agiscono come prismi in miniatura e rifrangono la luce solare. Il viola (il più rifatto) si presenta sul bordo inferiore o interno dell'arco. L'arancione e il giallo sono rifratti un po 'meno del viola e occupano il centro dell'arcobaleno. La luce rossa, meno colpita dalla rifrazione, appare lungo il bordo esterno dell'arco.
Poiché le loro velocità attraverso l'acqua (e altri mezzi di comunicazione) sono una proprietà stabilita della luce, e poiché la velocità determina quanto ciascuno è piegato mentre attraversano da aria ad acqua, si allineano sempre come Roy G. Biv. O l'ordine inverso se il raggio luminoso si riflettedue volte all'interno della goccia di pioggia prima di uscire, ma la relazione tra colore e colore è sempre preservata. La natura non confonde e non può mescolare casualmente lo schema. Come direbbe Scotty di Star Trek: "Non puoi cambiare le leggi della fisica!"
Quindi, per rispondere alla domanda originale di Collin, i colori della luce rimangono sempre nello stesso ordine perché ognuno viaggia a una velocità diversa quando viene rifratto ad angolo attraverso una goccia di pioggia o un prisma.
Non solo la luce cambia velocità quando entra in un nuovo mezzo, ma cambia anche la sua lunghezza d'onda, ma la sua frequenza rimane la stessa. Mentre la lunghezza d'onda può essere un modo utile per descrivere i colori della luce in un singolo mezzo (aria, per esempio), non funziona quando la luce passa da un mezzo all'altro. Per questo ci affidiamo alla sua frequenza o al numero di onde di luce colorata che passa un set point al secondo.
La luce viola a frequenza più elevata si accumula in 790 trilioni di onde al secondo (cicli al secondo) contro 390 trilioni di rosso. È interessante notare che maggiore è la frequenza, più energia trasporta un particolare sapore di luce, uno dei motivi per cui i raggi UV ti daranno una scottatura solare e la luce rossa non lo farà.
Quando un raggio di sole entra in una goccia di pioggia, la distanza tra ogni successiva cresta dell'onda luminosa diminuisce, accorciando la lunghezza d'onda del raggio. Ciò potrebbe farti pensare che il suo colore deve diventare più "blu" quando passa attraverso una goccia di pioggia. Non perché la frequenza rimanga la stessa.
Misuriamo la frequenza dividendo il numero di creste d'onda che passano un punto per unità di tempo. Il tempo extra impiegato dalla luce per viaggiare attraverso la goccia annulla ordinatamente l'accorciamento della lunghezza d'onda causato dalla caduta di velocità del raggio, preservando la frequenza del raggio e quindi il colore. Clic QUI per un'ulteriore spiegazione.
Perché i prismi / le gocce di pioggia si piegano e separano la luce
Prima di concludere, rimane una domanda senza risposta che solletica nella parte posteriore delle nostre menti. Perché la luce si piega in primo luogo quando brilla attraverso l'acqua o il vetro? Perché non andare dritto? Bene, la luce passa direttamente se lo è perpendicolare al mezzo. Solo se arriva ad un angolo dal lato si piegherà. È simile a guardare un'onda dell'oceano in arrivo che si piega attorno a una scogliera. Per una bella spiegazione visiva, consiglio l'eccellente breve video sopra.
Oh, e Collin, grazie per quella domanda amico!
