As crianças costumam fazer perguntas simples que fazem você pensar se realmente entende o assunto. Um jovem conhecido meu chamado Collin se perguntou por que as cores do arco-íris estavam sempre na mesma ordem - vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo, violeta. Por que eles não se misturam?
A sequência familiar é capturada no famoso Roy G. Biv acrônimo, que descreve a sequência de cores do arco-íris começando com vermelho, que tem o maior comprimento de onda e terminando em violeta, o menor. O comprimento de onda - a distância entre duas cristas de ondas sucessivas - e a frequência, o número de ondas de luz que passam por um determinado ponto a cada segundo, determinam a cor da luz.
As células cônicas em nossas retinas respondem a comprimentos de onda de luz entre 650 nanômetros (vermelho) e 400 (violeta). UMA nanômetro é igual a um bilionésimo de metro. Considerando que um cabelo humano tem 80.000 a 100.000 nanômetros de largura, as ondas de luz visíveis são realmente pequenas coisas.
Então, por que Roy G. Biv e não Rob G. Ivy? Quando a luz passa pelo vácuo, ela o faz em linha reta, sem desvio, na velocidade máxima de 300.000 km / s, a 300.000 km / s. A essa velocidade, o mais rápido conhecido no universo, conforme descrito no artigo de Einstein. Teoria Especial da Relatividade, a luz que viaja da tela do computador até seus olhos leva apenas cerca de 1 / 1.000.000.000 de segundo. Muito rápido.
Mas quando olhamos além da tela para o universo grande e amplo, a luz parece diminuir lentamente, levando todas as 4,4 horas para chegar a Plutão e 25.000 anos para voar pelo buraco negro no centro da galáxia Via Láctea. Não há algo mais rápido? Einstein responderia com um enfático "Não!"
Uma das propriedades mais interessantes da luz é que ela muda de velocidade, dependendo do meio pelo qual viaja. Enquanto a velocidade de um feixe no ar é quase a mesma do vácuo, os meios "mais espessos" diminuem consideravelmente. Um dos mais familiares é a água. Quando a luz passa do ar para a água, digamos uma gota de chuva, sua velocidade cai para 226.000 km / s (140.430 milhas por segundo). O vidro retarda os raios de luz para 124.275 milhas / segundo, enquanto os átomos de carbono que compõem o diamante reduzem sua velocidade para apenas 77.670 milhas / segundo.
Por que a luz diminui é um pouco complicado, mas tão interessante, vamos demorar um pouco para descrever o processo. A luz que entra na água é absorvida imediatamente por átomos de oxigênio e hidrogênio, fazendo com que seus elétrons vibrem momentaneamente antes de reemitir como luz. Livre novamente, o feixe agora viaja até atingir mais átomos, fazer seus elétrons vibrarem e ser reemitido novamente. E de novo. E de novo.
Como uma linha de montagem, o ciclo de absorção e reemissão continua até que o raio saia da gota. Mesmo que todo fóton (ou onda - sua escolha) viaje na velocidade de vácuo da luz nos espaços vazios entre os átomos, os pequenos minutos de tempo durante o processo de absorção e reemissão aumentam, fazendo com que a velocidade líquida do feixe de luz diminua . Quando finalmente sai da gota, retoma sua velocidade normal através do ar.
Vamos voltar agora para o arco-íris. Quando a luz passa de um meio para outro e sua velocidade cai, ela também fica torta ou refratado. Coloque um lápis em um copo meio cheio de água e você verá o que quero dizer.
Até o momento, conversamos apenas sobre luz branca, mas como todos aprendemos na ciência elementar, Sir Isaac Newton conduziu experimentos com prismas no final de 1600 e descobriu que a luz branca é composta por todas as cores do arco-íris. Não é surpresa que cada uma dessas cores viaje a uma velocidade ligeiramente diferente através de uma gota de água. A luz vermelha interage apenas fracamente com os elétrons dos átomos e é refratada e diminui o mínimo. A luz violeta de comprimento de onda menor interage mais fortemente com os elétrons e sofre um maior grau de refração e desaceleração.
Os arco-íris se formam quando bilhões de gotas de água agem como prismas em miniatura e refratam a luz do sol. Violeta (a mais refratada) aparece na borda inferior ou interna do arco. Laranja e amarelo são refratados um pouco menos que violeta e ocupam o meio do arco-íris. A luz vermelha, menos afetada pela refração, aparece ao longo da borda externa do arco.
Como suas velocidades através da água (e outras mídias) são uma propriedade definida da luz, e como a velocidade determina o quanto cada uma é dobrada ao cruzar do ar para a água, elas sempre se alinham como Roy G. Biv. Ou a ordem inversa se o feixe de luz refletirduas vezes dentro da gota de chuva antes de sair, mas a relação de cor com cor é sempre preservada. A natureza não pode e não pode misturar aleatoriamente o esquema. Como Scotty, de Star Trek, diria: "Você não pode mudar as leis da física!"
Então, para responder à pergunta original de Collin, as cores da luz sempre ficam na mesma ordem, porque cada uma viaja a uma velocidade diferente quando refratada em ângulo através de uma gota de chuva ou prisma.
A luz não apenas muda sua velocidade quando entra em um novo meio, seu comprimento de onda muda, mas sua frequência permanece a mesma. Embora o comprimento de onda possa ser uma maneira útil de descrever as cores da luz em um único meio (ar, por exemplo), ele não funciona quando a luz faz a transição de um meio para outro. Para isso, contamos com sua frequência ou quantas ondas de luz colorida passam um ponto definido por segundo.
Crams de luz violeta de alta frequência em 790 trilhões de ondas por segundo (ciclos por segundo) vs. 390 trilhões em vermelho. Curiosamente, quanto maior a frequência, mais energia um determinado sabor da luz carrega, uma das razões pelas quais os UV proporcionam queimaduras solares e a luz vermelha não.
Quando um raio de sol entra em uma gota de chuva, a distância entre cada crista sucessiva da onda de luz diminui, diminuindo o comprimento de onda do feixe. Isso pode fazer você pensar que sua cor deve ficar mais azul à medida que passa por uma gota de chuva. Não porque a frequência permanece a mesma.
Medimos a frequência dividindo o número de cristas de ondas passando um ponto por unidade de tempo. O tempo extra que a luz leva para viajar através da gota cancela ordenadamente o encurtamento do comprimento de onda causado pela queda na velocidade do raio, preservando a frequência do feixe e, portanto, a cor. Clique AQUI para uma explicação adicional.
Por que prismas / gotas de chuva dobram e separam a luz
Antes de encerrarmos, ainda resta uma pergunta sem resposta no fundo de nossas mentes. Por que a luz se curva em primeiro lugar quando brilha através da água ou do vidro? Por que não seguir em frente? Bem, a luz passa direto se for perpendicular para o meio. Somente se chegar a um ângulo lateral, será dobrado. É como assistir uma onda oceânica dobrar em torno de um penhasco. Para uma boa explicação visual, recomendo o excelente vídeo curto acima.
Ah, e Collin, obrigado pela pergunta, amigo!
