Pryzmat i rozszczepienie światła

Wstęp — skąd bierze się tęcza?

Po letniej burzy, gdy zza chmur wyjdzie Słońce, na niebie czasem pojawia się tęcza — łuk we wszystkich kolorach. Skąd się bierze? I dlaczego, gdy światło przechodzi przez szklany pryzmat, też widać barwy tęczy?

Odpowiedź jest zaskakująca: białe światło wcale nie jest „białe" — to mieszanina wszystkich barw naraz! W tej lekcji odkryjemy, jak je rozdzielić.

Z poprzedniej lekcji wiemy już, że światło załamuje się na granicy ośrodków. Teraz dodamy jeden ważny szczegół: różne barwy załamują się nieco inaczej.

W tej lekcji dowiesz się:

• czym jest rozszczepienie światła,
• dlaczego pryzmat rozdziela światło na barwy tęczy,
• że białe światło to mieszanina barw,
• jak powstaje tęcza i czym różni się od niej światło lasera.

Rozszczepienie światła w pryzmacie

Pryzmat to przezroczysty klocek szkła w kształcie graniastosłupa (najczęściej trójkątnego). Gdy wpuścimy do niego wąską wiązkę białego światła, po drugiej stronie wychodzi ono rozłożone na pas barw tęczy: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską i fioletową.

Rozszczepienie światła to rozdzielenie światła białego na barwy składowe.

Dlaczego tak się dzieje? Bo każda barwa załamuje się trochę inaczej. Światło fioletowe załamuje się najbardziej, a czerwone — najmniej. Możemy to zapisać krótko, porównując kąty załamania obu skrajnych barw:

$$\beta_{\text{fioletowy}} < \beta_{\text{czerwony}}$$

Gdzie:

• $\beta_{\text{fioletowy}}$ — kąt załamania światła fioletowego (najmniejszy, bo skręca najmocniej),
• $\beta_{\text{czerwony}}$ — kąt załamania światła czerwonego (największy, bo skręca najsłabiej).

Skoro do pryzmatu wchodzą wszystkie barwy razem (jako biel), a każda skręca pod nieco innym kątem, to na wyjściu się rozdzielają.

Rys. 1. Pryzmat rozszczepia białe światło na barwy tęczy.

Zobacz to w działaniu:

Kolejność barw jest zawsze taka sama. Pomaga ją zapamiętać zdanie:

Czego Potrzebujesz Żeby Zobaczyć Nową Fizykę? — czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, fioletowy.

Białe światło to mieszanina barw

Doświadczenie z pryzmatem po raz pierwszy przeprowadził Isaac Newton ponad 300 lat temu. Zauważył coś jeszcze ważniejszego: jeśli rozdzielone barwy przepuścimy przez drugi pryzmat, odwrócony, to znów połączą się w białe światło!

To dowód, że biel nie jest osobnym kolorem — jest sumą wszystkich barw naraz.

Rys. 2. Rozdzielone barwy można znów zmieszać w białe światło — biel to ich mieszanina.

To dlatego przedmioty mają kolory! Czerwone jabłko odbija głównie czerwoną część światła, a resztę barw pochłania. Zielony liść odbija zieloną. Gdyby oświetlić je czystym światłem jednej barwy, ich kolory wyglądałyby zupełnie inaczej.

Jak powstaje tęcza?

Tęcza to gigantyczne rozszczepienie światła na niebie. Rolę pryzmatów pełnią miliony kropel deszczu.

Gdy promień Słońca wpada do kropli, załamuje się, rozszczepia na barwy, odbija się wewnątrz kropli i wraca, ponownie się załamując. Do naszego oka z każdej kropli trafia inna barwa — a z wielu kropel razem układa się kolorowy łuk.

Rys. 3. Krople deszczu działają jak maleńkie pryzmaty — tak powstaje tęcza.

Dlatego tęczę widać tylko wtedy, gdy pada deszcz, a Słońce świeci zza naszych pleców. Kolejność barw w tęczy jest zawsze taka sama jak w pryzmacie: na zewnątrz łuku czerwony, wewnątrz fioletowy.

Światło lasera — jedna barwa

Nie każde światło da się rozszczepić. Światło lasera jest jednobarwne (np. czysto czerwone albo zielone) — składa się tylko z jednej barwy. Dlatego po przejściu przez pryzmat nie rozszczepia się na tęczę: nie ma się na co rozdzielić.

To dobry test: światło białe (Słońce, żarówka) rozszczepia się w pryzmacie, a jednobarwne (laser) — nie.

Zadanie krok po kroku

Przez pryzmat przepuszczamy zielone światło lasera. Czy zobaczymy tęczę? Uzasadnij.

Krok 1. Przypominamy, że rozszczepienie polega na rozdzieleniu światła na barwy składowe.

Krok 2. Światło lasera jest jednobarwne — składa się tylko z jednej barwy (zielonej). Nie ma innych barw, które można by od siebie oddzielić.

Odpowiedź: Nie zobaczymy tęczy. Zielone światło pozostanie zielone — jednobarwnego światła nie da się rozszczepić.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Pryzmat tworzy (maluje) kolory." Nie — pryzmat tylko rozdziela barwy, które już były ukryte w białym świetle. Nic nie „dodaje".
2. „Białe światło nie ma koloru." Przeciwnie — białe światło zawiera wszystkie barwy naraz.
3. „Tęcza to półokrąg zawieszony w konkretnym miejscu." Tęcza nie ma stałego położenia — każdy obserwator widzi „swoją" tęczę, zależnie od kąta patrzenia na krople i Słońce.
4. „Laser rozszczepia się w pryzmacie jak Słońce." Nie — światło lasera jest jednobarwne, więc się nie rozszczepia.

Podsumowanie

• Rozszczepienie to rozdzielenie białego światła na barwy składowe; zachodzi, bo każda barwa załamuje się nieco inaczej (fioletowa najbardziej, czerwona najmniej).
• Pryzmat rozszczepia białe światło na barwy tęczy: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, fioletową.
• Białe światło to mieszanina wszystkich barw — rozdzielone barwy można ponownie połączyć w biel.
• Tęcza powstaje, gdy krople deszczu rozszczepiają światło Słońca.
• Światło lasera jest jednobarwne i nie rozszczepia się w pryzmacie.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania o rozszczepieniu światła białego, kolejności barw, powstawaniu tęczy oraz jednobarwnym świetle lasera: Pryzmat i rozszczepienie światła — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Załamanie światła — dlaczego światło zmienia kierunek w wodzie i szkle?
• Odbicie światła — jak działa lustro?
• Światło i źródła światła — skąd bierze się światło?