Kuinka prisma toimii? Valo, taittuminen ja dispersio selitetty

Prismaa toimii taivuttamalla valoa sen kulkiessaan lasin läpi, ja koska jokainen valon väri taipuu hieman eri kulmassa, valkoinen valo leviää koko näkyvään spektriin. Tämä prosessi sisältää kaksi keskeistä fyysistä periaatetta: taittuminen ja dispersio . Näiden kahden voiman vuorovaikutuksen ymmärtäminen selittää kaiken sateenkaareista taivaalla laserkokeisiin fysiikan laboratoriossa.

Mitä tapahtuu, kun valo tulee prismaan

Kun valonsäde etenee ilmasta lasiin, se hidastuu. Lasi on optisesti tiheämpää kuin ilma, mikä tarkoittaa, että valo liikkuu sen läpi pienemmällä nopeudella. Tämä nopeuden muutos saa valonsäteen taipumaan kahden materiaalin välisellä rajalla. Tätä taivutusta kutsutaan taittuminen .

Taivutuksen määrää kuvaa Snellsin laki, jonka mukaan tulokulman sinin suhde taitekulman siniin on yhtä suuri kuin valonnopeuksien suhde kahdessa väliaineessa. Käytännössä valo taipuu kohti pintaa kohtisuoraa linjaa tullessaan tiheämpään väliaineeseen ja taipuu pois siitä poistuessaan.

Prisma on muotoiltu vähintään kahdella tasaisella, kulmassa olevalla pinnalla. Valo tulee sisään toisten kasvojen kautta ja poistuu toisten kautta. Koska nämä kaksi pintaa eivät ole yhdensuuntaisia, sisääntulon yhteydessä tapahtuva taittuminen ei häviä ulostulossa. Sen sijaan molemmat taitteet yhdistyvät ja taivuttavat valoa edelleen samaan suuntaan.

Miksi valkoinen valo jakautuu väreihin

Valkoinen valo ei ole yksivärinen. Se on sekoitus näkyvän spektrin kaikkia värejä, joilla kullakin on oma aallonpituutensa. Violettitiin valon aallonpituus on noin 380-450 nanometriä, kun taas punaisen valon toisessa päässä on noin 620-750 nanometriä.

Kriittinen yksityiskohta on, että lasi hidastaa eri aallonpituuksia eri määrillä. Lyhyemmät aallonpituudet, kuten violetti, hidastavat enemmän lasin sisällä ja siten taipuvat terävämmin. Pidemmät aallonpituudet, kuten punainen, hidastavat vähemmän ja taipuvat vähemmän. Tätä aallonpituuteen perustuvaa taivutuskulman vaihtelua kutsutaan dispersio .

Tyypillisessä lasiprismassa violetin ja punaisen valon taitekerroin ero on noin 0,02 - 0,05 , riippuen lasityypistä. Tämä pieni ero riittää levittämään värit näkyväksi sateenkaareksi, kun valo poistuu prismasta.

Värien järjestys spektrissä

Värit näkyvät aina samassa järjestyksessä, koska ne taipuvat aina kiinteitä, ennakoitavia määriä. Vähiten taipuneesta eniten taivutettuun järjestys on:

• Punainen
• Oranssi
• Keltainen
• Vihreä
• Sininen
• Indigo
• Violet

Tämä on sama sekvenssi, joka nähdään luonnollisissa sateenkaareissa, joissa vesipisarat toimivat pieninä prismoina ilmakehässä.

Prisman muodon rooli

Vakioprisman kolmion muoto ei ole sattumaa. Kolmion huipun kulma, jota kutsutaan huippukulmaksi tai prismakulmaksi, ohjaa suoraan sitä, kuinka paljon valon kokonaispoikkeamaa tapahtuu. Suurempi huippukulma tuottaa suuremman eron värien välillä.

Useimpien esittelyprismien huippukulma on 60 astetta , joka tarjoaa vahvan ja helposti näkyvän dispersion ilman äärimmäistä geometriaa. 30 asteen prisma ohjaa valoa hellävaraisemmin, kun taas yli 70 asteen kulmat alkavat aiheuttaa merkittävää valohäviötä pintojen sisäisten heijastusten vuoksi.

Myös prisman materiaalilla on väliä. Tiheällä piikivilasilla on korkeampi taitekerroin kuin tavallisella borosilikaattilasilla, joten se hajottaa värejä voimakkaammin. Tästä syystä tarkkaa värierottelua vaativissa optisissa instrumenteissa käytetään erikoislasia tavallisen ikkunalasin sijaan.

Taitekerroin verrattuna eri väreihin

Vaikka taitekertoimen erot näyttävät paperilla pieniltä, ne tuottavat selvästi näkyvän värihajonnan, kun prisman geometria vahvistaa niitä poistumispinnan poikki.

Voiko prisma yhdistää valon takaisin valkoiseksi

Kyllä. Isaac Newton osoitti tämän vuonna 1666 asettamalla toisen prisman ylösalaisin hajallaan olevan spektrin tielle ensimmäisestä. Toinen prisma taivutti jokaisen värin takaisin linjaan yhdistäen ne uudelleen yhdeksi valkoiseksi valonsäteeksi. Tämä koe osoitti kaksi asiaa: valkoinen valo sisältää kaikki värit, ja prisma itse ei lisää väriä valoon, vaan paljastaa vain sen, mitä oli jo olemassa.

Tämä palautuvuus on tärkeä optisessa suunnittelussa. Järjestelmät, joiden on erotettava aallonpituudet analysointia varten, voivat myöhemmin yhdistää ne uudelleen ilman tiedon menetystä, kun oletetaan, että optiikka on ihanteellinen ilman poikkeamia.

Prismien käytännölliset käyttötavat värien erottamisen lisäksi

Prismoja ei käytetä vain sateenkaarien luomiseen. Ne palvelevat monia tarkkoja toimintoja optisissa instrumenteissa ja tekniikassa.

Spektroskopia

Tutkijat käyttävät prismapohjaisia spektrometrejä aineiden lähettämän tai absorboiman valon analysoimiseen. Jokainen elementti tuottaa ainutlaatuisen joukon spektriviivoja, jotka toimivat kuin sormenjälki. Tähtitieteilijät käyttävät tätä tekniikkaa miljoonien valovuosien päässä olevien tähtien kemiallisen koostumuksen määrittämiseen keräämättä koskaan fysikaalista näytettä.

Kiikarit ja periskoopit

Kattoprismat ja Porro-prismat kiikarien sisällä täydellinen sisäinen heijastus hajaantumisen sijaan. Kun valo osuu lasin sisäpintaan kriittistä kulmaa jyrkemmässä kulmassa, se heijastuu täysin ilman häviötä. Tämän ansiosta kiikarit voivat taittaa optisen reitin kompaktiin muotoon säilyttäen samalla kuvan kirkkauden ja suunnan.

Tietoliikenne ja kuituoptiikka

Kuituoptisissa verkoissa aallonpituusjakoinen multipleksointi käyttää dispersiopohjaisia komponentteja, jotka toimivat samalla tavalla kuin prismat. Eri datakanavat lähetetään eri valon aallonpituuksilla ja sitten erotetaan tai yhdistetään käyttämällä diffraktiohilaa tai prismamaisia ​​elementtejä, jolloin yksi kuitu voi kuljettaa valtavia määriä informaatiota samanaikaisesti.

Kamera- ja projektorijärjestelmät

Huippuluokan videokamerat käyttävät säteen jakavia prismoja jakaakseen tulevan valon erillisiin punaisiin, vihreisiin ja sinisisiin kanaviin, joista kukin sieppaa oma anturi. Tämä tuottaa tarkemman värintoiston kuin yhden anturin järjestelmät, jotka perustuvat värisuodatinryhmiin.

Kuinka tulokulma vaikuttaa ulostuloon

Kulma, jossa valo osuu prisman pintaan, vaikuttaa merkittävästi tulokseen. Pienimmässä poikkeamakulmassa valo kulkee symmetrisesti prisman läpi ja dispersio on puhtain. Jyrkemmillä tulokulmilla jotkin aallonpituudet voivat heijastua täydellisesti sisäisesti eivätkä poistu prismasta ollenkaan.

60 asteen kruunulasiprismassa pienin poikkeamakulma on noin 37-40 astetta näkyvälle valolle. Optiset insinöörit laskevat tämän tarkasti suunnitellessaan instrumentteja varmistaakseen, että halutut aallonpituudet kulkevat läpi mahdollisimman vähän vääristymällä.

Jos valo osuu pintaan liian matalassa kulmassa, se voi heijastua pois lasin sisään sen sijaan, että se tunkeutuisi ollenkaan, Fresnel-yhtälöiden hallitsema ilmiö. Korkealaatuiset heijastuksenestopinnoitteet optiset prismat minimoida tämä pintahäviö ja parantaa siirtotehokkuutta.

Ero prismien ja diffraktioritilöiden välillä

Sekä prismat että diffraktiohilat voivat erottaa valon komponenttiaallonpituuksiinsa, mutta ne tekevät sen täysin erilaisten fysikaalisten mekanismien kautta. Prisma käyttää taittumista ja taitekertoimen aallonpituusriippuvuutta. Diffraktiohila käyttää tuhansien hienojen yhdensuuntaisten viivojen peittämältä pinnalta sironneiden valoaaltojen interferenssiä.

Erityisesti värijärjestys on päinvastainen näiden kahden välillä. Prismassa violetti taipuu eniten. Diffraktiohilassa punainen taittuu suurimpaan kulmaan. Tämä ero on suora seuraus taustalla olevasta fysiikasta kussakin tapauksessa.

Miksi jotkin materiaalit hajottavat valoa enemmän kuin toiset

Materiaalin taipumus hajottaa valoa mitataan sen Abbe-luvulla. A alhainen Abbe-numero tarkoittaa suurta dispersiota, eli materiaali erottaa värit voimakkaasti. Suuri Abbe-luku tarkoittaa alhaista hajontaa. Tiheän piikivilasin Abbe-luku on noin 36, kun taas borosilikaattikruunulasi on lähellä 64:ää.

Kameran linsseissä suuri dispersio ei yleensä ole toivottavaa, koska se aiheuttaa kromaattista poikkeamaa, jossa eri värit tarkentuvat hieman eri etäisyyksille ja aiheuttavat reunuksia tai sumennusta. Linssisuunnittelijat yhdistävät tietoisesti elementtejä, jotka on valmistettu korkea- ja mataladispersioisesta lasista poistaakseen kromaattisen virheen, jota kutsutaan akromaattiseksi korjaukseksi.

Prismaspektrometrissä korkea dispersio on kuitenkin juuri sitä mitä haluat. Mitä voimakkaampi dispersio on, sitä laajempi spektri on hajautunut, mikä helpottaa lähekkäin olevien aallonpituuksien erottamista.

Avaimet takeawayt

Prisma jakaa valkoisen valon spektriksi, koska lasi hidastaa eri aallonpituuksia eri määrillä, jolloin jokainen väri taittuu ainutlaatuisessa kulmassa. Prisman kolmion muotoinen geometria varmistaa, että sekä sisään- että ulostulotaittuminen taivuttaa valoa samaan suuntaan, mikä vahvistaa erotusta. Tuloksena on näkyvä sateenkaari, joka kulkee punaisesta matalassa päässä violettiin jyrkässä päässä.

1. Taittuminen aiheuttaa valon taipumisen liikkuessaan eri optisen tiheyden omaavien materiaalien välillä.
2. Dispersio aiheuttaa eri aallonpituuksien taipumista eri määriä samassa materiaalissa.
3. Prisman muoto yhdistää taittumisen kahdella pinnalla, mikä tuottaa näkyvän värien erottelun.
4. Prosessi on täysin palautuva, kuten Newton osoitti yhdistämällä spektrin uudelleen toiseen prismaan.
5. Prismoja käytetään spektroskopiassa, kuvantamisjärjestelmissä, kiikareissa ja tietoliikenteessä, ei vain luokkahuoneesittelyissä.