Prizma Nasıl Çalışır? Işık, Kırılma ve Dağılım Açıklaması

Bir prizma, ışığı camdan geçerken bükerek çalışır ve ışığın her rengi biraz farklı bir açıyla büküldüğünden, beyaz ışık tam görünür bir spektruma yayılır. Bu süreç iki temel fiziksel prensibi içerir: kırılma ve dağılım . Bu iki kuvvetin nasıl etkileştiğini anlamak, gökyüzündeki gökkuşağından fizik laboratuvarındaki lazer deneylerine kadar her şeyi açıklıyor.

Işık Prizmaya Girdiğinde Ne Olur?

Işık ışını havadan cama doğru ilerlerken yavaşlar. Cam optik olarak havadan daha yoğundur, bu da ışığın camın içinde daha düşük bir hızda hareket ettiği anlamına gelir. Hızdaki bu değişiklik, ışık ışınının iki malzeme arasındaki sınırda bükülmesine neden olur. Bu bükülmeye denir kırılma .

Bükülme miktarı, geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranının, iki ortamdaki ışık hızlarının oranına eşit olduğunu belirten Snells Yasası ile tanımlanır. Pratik anlamda ışık, daha yoğun bir ortama girerken yüzeye dik bir çizgiye doğru bükülür ve çıkarken ondan uzaklaşır.

Bir prizma en az iki düz, açılı yüzeye sahip olarak şekillendirilir. Işık bir yüzünden girer ve diğer yüzünden çıkar. İki yüzey paralel olmadığı için girişte meydana gelen kırılma çıkışta iptal edilmez. Bunun yerine, her iki kırılma da birleşerek ışığı aynı yönde daha fazla büker.

Beyaz Işık Neden Renklere Ayrılıyor?

Beyaz ışık tek bir renk değildir. Görünür spektrumdaki her birinin kendi dalga boyuna sahip tüm renklerinin bir karışımıdır. Mor ışık yaklaşık 380 ila 450 nanometrelik bir dalga boyuna sahipken, diğer uçta kırmızı ışık yaklaşık 620 ila 750 nanometrelik bir dalga boyuna sahiptir.

Kritik detay, camın farklı dalga boylarını farklı miktarlarda yavaşlatmasıdır. Menekşe gibi daha kısa dalga boyları camın içinde daha fazla yavaşlar ve dolayısıyla daha keskin bir şekilde bükülürler. Kırmızı gibi daha uzun dalga boyları daha az yavaşlar ve daha az bükülür. Dalga boyuna bağlı olarak bükülme açısındaki bu değişime denir. dağılım .

Tipik bir cam prizmada mor ve kırmızı ışık arasındaki kırılma indisi farkı yaklaşık olarak 0,02 ila 0,05 Camın türüne bağlı olarak. Bu küçük fark, ışık prizmadan çıktığında renkleri görünür bir gökkuşağına yaymak için yeterlidir.

Spektrumdaki Renklerin Sırası

Renkler her zaman aynı sırada görünür çünkü her zaman sabit, öngörülebilir miktarlarda bükülürler. En az bükülmüşten en çok bükülmüşe doğru sıralama şu şekildedir:

• Kırmızı
• Turuncu
• Sarı
• Yeşil
• Mavi
• Çivit mavisi
• Menekşe

Bu, su damlacıklarının atmosferde küçük prizmalar gibi davrandığı doğal gökkuşağılarda görülen dizinin aynısıdır.

Prizma Şeklinin Rolü

Standart bir prizmanın üçgen şekli tesadüfi değildir. Tepe açısı veya prizma açısı olarak adlandırılan üçgenin tepesindeki açı, ışığın toplam sapmasının ne kadar olacağını doğrudan kontrol eder. Daha büyük bir tepe açısı renkler arasında daha fazla ayrım sağlar.

Gösteri prizmalarının çoğunun tepe açısı 60 derece aşırı bir geometri gerektirmeden güçlü ve kolayca görülebilen bir dağılım sağlar. 30 derecelik bir prizma ışığı daha yumuşak bir şekilde saptırırken, 70 derecenin üzerindeki açılar yüzeylerdeki iç yansımalar nedeniyle önemli miktarda ışık kaybına neden olmaya başlar.

Prizmanın malzemesi de önemlidir. Yoğun çakmaktaşı cam, standart borosilikat cama göre daha yüksek kırılma indisine sahip olduğundan renkleri daha güçlü bir şekilde dağıtır. Hassas renk ayrımı gerektiren optik cihazlarda sıradan pencere camı yerine özel formüle edilmiş cam kullanılmasının nedeni budur.

Kırılma İndeksi Renkler Arasında Karşılaştırıldığında

Kırılma indisindeki farklılıklar kağıt üzerinde küçük görünse de, prizmanın geometrisi onları çıkış yüzü boyunca güçlendirdiğinde açıkça görülebilen bir renk dağılımı üretirler.

Prizma Işığı Tekrar Beyaza Dönüştürebilir mi?

Evet. Isaac Newton, 1666'da, ilkinden itibaren dağılmış spektrumun yoluna ikinci bir prizmayı baş aşağı yerleştirerek bunu gösterdi. İkinci prizma her rengi tekrar hizaya getirerek tek bir beyaz ışık huzmesi halinde yeniden birleştiriyor. Bu deney iki şeyi kanıtladı: Beyaz ışık tüm renkleri içeriyor ve prizmanın kendisi ışığa renk katmıyor, yalnızca mevcut olanı ortaya çıkarıyor.

Bu tersinirlik optik tasarımda önemlidir. Analiz için dalga boylarını ayırması gereken sistemler, daha sonra herhangi bir bilgi kaybı olmadan, sapmaların olmadığı ideal optikler varsayılarak bunları yeniden birleştirebilir.

Renk Ayrımının Ötesinde Prizmaların Pratik Kullanımları

Prizmalar yalnızca gökkuşağı oluşturmak için kullanılmaz. Optik aletler ve teknolojide çeşitli hassas işlevlere hizmet ederler.

Spektroskopi

Bilim adamları, maddeler tarafından yayılan veya emilen ışığı analiz etmek için prizma tabanlı spektrometreler kullanıyor. Her öğe, parmak izi gibi davranan benzersiz bir dizi spektral çizgi üretir. Gökbilimciler bu tekniği, milyonlarca ışıkyılı uzaklıktaki yıldızların kimyasal bileşimini, hiçbir zaman fiziksel bir örnek toplamadan belirlemek için kullanırlar.

Dürbün ve Periskoplar

Dürbün kullanımındaki çatı prizmaları ve Porro prizmaları toplam iç yansıma dağılımdan ziyade. Işık, camın iç yüzeyine kritik açıdan daha dik bir açıyla çarptığında hiçbir kayıp olmadan tamamen yansır. Bu, dürbünlerin görüntü parlaklığını ve yönelimini korurken optik yolu kompakt bir biçime katlamasına olanak tanır.

Telekomünikasyon ve Fiber Optik

Fiber optik ağlarda dalga boyu bölmeli çoğullama, prizmalara benzer şekilde işlev gören dağılım tabanlı bileşenleri kullanır. Farklı veri kanalları, ışığın farklı dalga boylarında iletilir ve daha sonra kırınım ızgaraları veya prizma benzeri elemanlar kullanılarak ayrılır veya birleştirilir; böylece tek bir fiberin aynı anda muazzam miktarda bilgi taşımasına olanak sağlanır.

Kamera ve Projektör Sistemleri

Üst düzey video kameralar, gelen ışığı her biri özel bir sensör tarafından yakalanan ayrı kırmızı, yeşil ve mavi kanallara bölmek için ışın bölücü prizmalar kullanır. Bu, renk filtresi dizilerine dayanan tek sensörlü sistemlere göre daha doğru renk üretimi sağlar.

Geliş Açısı Çıktıyı Nasıl Etkiler?

Işığın prizma yüzeyine çarpma açısı sonucu önemli ölçüde etkiler. Minimum sapma açısında ışık prizmadan simetrik olarak geçer ve dağılım en temiz olur. Daha dik geliş açılarında, bazı dalga boyları toplam iç yansımaya maruz kalabilir ve prizmadan hiç çıkmayabilir.

60 derecelik taç cam prizma için minimum sapma açısı yaklaşık olarak 37 ila 40 derece görünür ışık için. Optik mühendisleri, istenen dalga boylarının minimum bozulmayla geçmesini sağlayacak cihazları tasarlarken bunu tam olarak hesaplar.

Işık yüzeye çok sığ bir açıyla çarparsa, camın içine girmek yerine yansıyabilir; bu, Fresnel denklemleri tarafından yönetilen bir olgudur. Yüksek kaliteli yansıma önleyici kaplamalar optik prizmalar Bu yüzey kaybını en aza indirin ve iletim verimliliğini artırın.

Prizmalar ve Kırınım Izgaraları Arasındaki Fark

Hem prizmalar hem de kırınım ızgaraları, ışığı bileşen dalga boylarına ayırabilir, ancak bunu tamamen farklı fiziksel mekanizmalar yoluyla yaparlar. Bir prizma kırılmayı ve kırılma indisinin dalga boyu bağımlılığını kullanır. Kırınım ızgarası, binlerce ince paralel çizgiyle kaplı bir yüzeyden saçılan ışık dalgalarının girişimini kullanır.

İkisi arasında renk sırasının tersine döndüğü dikkat çekicidir. Bir prizmada en çok menekşe bükülür. Bir kırınım ızgarasında kırmızı, en büyük açıya kırılır. Bu fark her durumda altta yatan fiziğin doğrudan bir sonucudur.

Neden Bazı Malzemeler Işığı Diğerlerine Göre Daha Fazla Dağıtır?

Bir malzemenin ışığı dağıtma eğilimi Abbe sayısıyla ölçülür. bir düşük Abbe numarası yüksek dağılım anlamına gelir; bu da malzemenin renkleri güçlü bir şekilde ayırdığı anlamına gelir. Yüksek Abbe sayısı düşük dağılım anlamına gelir. Yoğun çakmaktaşı camın Abbe numarası 36 civarında, borosilikat taç camı ise 64 civarındadır.

Kamera lenslerinde, yüksek dağılım genellikle istenmez çünkü bu, farklı renklerin biraz farklı mesafelere odaklandığı ve saçaklanma veya bulanıklık oluşturduğu renk sapması yarattığından. Lens tasarımcıları, akromatik düzeltme adı verilen bir teknikle, kromatik hatayı ortadan kaldırmak için yüksek ve düşük dağılımlı camdan yapılmış öğeleri bilinçli olarak birleştirir.

Ancak prizma spektrometresinde yüksek dağılım tam olarak istediğiniz şeydir. Dağılım ne kadar güçlü olursa spektrum da o kadar genişler ve yakın aralıklı dalga boylarını ayırt etmek daha kolay olur.

Temel Çıkarımlar

Bir prizma beyaz ışığı bir spektruma böler çünkü cam farklı dalga boylarını farklı miktarlarda yavaşlatır ve her rengin benzersiz bir açıyla kırılmasına neden olur. Prizmanın üçgen geometrisi, hem giriş hem de çıkış kırılmalarının ışığı aynı yönde bükerek ayrılmayı güçlendirmesini sağlar. Sonuç, sığ uçta kırmızıdan dik uçta mora uzanan görünür bir gökkuşağıdır.

1. kırılma Farklı optik yoğunluktaki malzemeler arasında hareket ederken ışığın bükülmesine neden olur.
2. Dağılım farklı dalga boylarının aynı malzeme içinde farklı miktarlarda bükülmesine neden olur.
3. Prizma şekli, iki yüzeydeki kırılmayı birleştirerek görünür bir renk ayrımı sağlar.
4. Newton'un spektrumu ikinci bir prizmayla yeniden birleştirerek kanıtladığı gibi, süreç tamamen tersine çevrilebilir.
5. Prizmalar yalnızca sınıf gösterilerinde değil, spektroskopide, görüntüleme sistemlerinde, dürbünlerde ve telekomünikasyonda da kullanılır.