Hoe werkt een prisma? Licht, breking en spreiding uitgelegd

Een prisma werkt door licht te buigen terwijl het door het glas gaat, en omdat elke lichtkleur onder een iets enere hoek buigt, waaiert wit licht uit in een volledig zichtbaar spectrum. Dit proces omvat twee belangrijke fysieke principes: breking and verspreiding . Begrijpen hoe deze twee krachten op elkaar inwerken, verklaart alles, van regenbogen in de lucht tot laserexperimenten in een natuurkundig laboratorium.

Wat er gebeurt als licht een prisma binnendringt

Wanneer een lichtstraal vanuit de lucht naar glas gaat, wordt deze langzamer. Glas is optisch dichter dan lucht, wat betekent dat licht er met een lagere snelheid doorheen beweegt. Deze snelheidsverandering zorgt ervoor dat de lichtstraal buigt op de grens tussen de twee materialen. Dit buigen heet breking .

De mate van buiging wordt beschreven door de wet van Snells, die stelt dat de verhouding van de sinus van de invalshoek tot de sinus van de brekingshoek gelijk is aan de verhouding van de lichtsnelheden in de twee media. In praktische termen buigt licht naar een lijn loodrecht op het oppervlak wanneer het een dichter medium binnengaat en buigt het ervan af wanneer het eruit gaat.

Een prisma heeft een vorm met ten minste twee platte, schuine oppervlakken. Licht komt binnen via de ene kant en gaat naar buiten via de andere. Omdat de twee oppervlakken niet evenwijdig zijn, wordt de breking die bij het binnenkomen optreedt, bij het verlaten niet opgeheven. In plaats daarvan worden beide brekingen samengevoegd, waardoor het licht verder in dezelfde richting wordt gebogen.

Waarom wit licht zich in kleuren splitst

Wit licht bestaat niet uit één kleur. Het is een mengsel van alle kleuren van het zichtbare spectrum, elk met zijn eigen golflengte. Violet licht heeft een golflengte van grofweg 380 tot 450 nanometer, terwijl rood licht aan de andere kant ongeveer 620 tot 750 nanometer ligt.

Het cruciale detail is dat glas verschillende golflengten in verschillende hoeveelheden vertraagt. Kortere golflengten, zoals violet, vertragen meer in het glas en buigen daarom scherper. Langere golflengten, zoals rood, vertragen minder en buigen minder. Deze variatie in buighoek op basis van de golflengte wordt genoemd verspreiding .

In een typisch glazen prisma is het verschil in brekingsindex tussen violet en rood licht ongeveer 0,02 tot 0,05 , afhankelijk van het type glas. Dat kleine verschil is genoeg om de kleuren in een zichtbare regenboog te verspreiden wanneer het licht het prisma verlaat.

De volgorde van kleuren in het spectrum

De kleuren verschijnen altijd in dezelfde volgorde omdat ze altijd in vaste, voorspelbare hoeveelheden buigen. Van minst gebogen naar meest gebogen is de volgorde:

• Rood
• Oranje
• Geel
• Groen
• Blauw
• Indigo
• Violet

Dit is dezelfde volgorde als bij natuurlijke regenbogen, waarbij waterdruppeltjes als kleine prisma's in de atmosfeer fungeren.

De rol van de prismavorm

De driehoekige vorm van een standaardprisma is niet toevallig. De hoek aan de top van de driehoek, de tophoek of prismahoek genoemd, bepaalt rechtstreeks hoeveel totale afwijking het licht ondergaat. Een grotere tophoek zorgt voor een grotere scheiding tussen kleuren.

De meeste demonstratieprisma's hebben een tophoek van 60 graden , wat zorgt voor een sterke en gemakkelijk zichtbare spreiding zonder dat een extreme geometrie vereist is. Een prisma van 30 graden buigt het licht zachter af, terwijl hoeken boven de 70 graden aanzienlijk lichtverlies beginnen te veroorzaken als gevolg van interne reflecties aan de oppervlakken.

Het materiaal van het prisma is ook van belang. Dicht flintglas heeft een hogere brekingsindex dan standaard borosilicaatglas, waardoor kleuren sterker worden verspreid. Dit is de reden waarom optische instrumenten die een nauwkeurige kleurscheiding vereisen, speciaal geformuleerd glas gebruiken in plaats van gewoon vensterglas.

Brekingsindex vergeleken met kleuren

Hoewel de verschillen in brekingsindex er op papier klein uitzien, produceren ze een duidelijk zichtbare spreiding van kleuren wanneer de geometrie van het prisma deze over het uitgangsvlak versterkt.

Kan een prisma licht weer in wit combineren?

Ja. Isaac Newton demonstreerde dit in 1666 door een tweede prisma ondersteboven in het pad van het verspreide spectrum te plaatsen vanaf het eerste. Het tweede prisma boog elke kleur weer op één lijn en combineerde ze opnieuw tot een enkele straal wit licht. Dit experiment bewees twee dingen: wit licht bevat alle kleuren, en het prisma zelf voegt geen kleur toe aan het licht, maar onthult alleen wat al aanwezig was.

Deze omkeerbaarheid is belangrijk bij optisch ontwerp. Systemen die golflengten moeten scheiden voor analyse, kunnen deze later opnieuw combineren zonder enig informatieverlies, uitgaande van ideale optica zonder aberraties.

Praktisch gebruik van prisma's die verder gaan dan kleurscheiding

Prismaa's worden niet alleen gebruikt om regenbogen te maken. Ze vervullen een verscheidenheid aan precieze functies in optische instrumenten en technologie.

Spectroscopie

Wetenschappers gebruiken op prisma's gebaseerde spectrometers om het licht te analyseren dat door stoffen wordt uitgezonden of geabsorbeerd. Elk element produceert een unieke reeks spectraallijnen, die als een vingerafdruk fungeren. Astronomen gebruiken deze techniek om de chemische samenstelling te bepalen van sterren die miljoenen lichtjaren verwijderd zijn, zonder ooit een fysiek monster te verzamelen.

Verrekijkers en periscopen

Dakkantprisma's en Porro-prisma's worden binnen een verrekijker gebruikt totale interne reflectie in plaats van spreiding. Wanneer licht het binnenoppervlak van het glas raakt onder een hoek die steiler is dan de kritische hoek, reflecteert het volledig zonder enig verlies. Hierdoor kan een verrekijker het optische pad in een compacte vorm vouwen terwijl de helderheid en oriëntatie van het beeld behouden blijven.

Telecommunicatie en glasvezel

Multiplexing met golflengteverdeling in glasvezelnetwerken maakt gebruik van op dispersie gebaseerde componenten die op dezelfde manier functioneren als prisma's. Verschillende datakanalen worden verzonden op verschillende golflengten van licht en vervolgens gescheiden of gecombineerd met behulp van diffractieroosters of prisma-achtige elementen, waardoor een enkele vezel enorme hoeveelheden informatie tegelijkertijd kan transporteren.

Camera- en projectorsystemen

Geavanceerde videocamera's gebruiken straalsplitsende prisma's om binnenkomend licht te verdelen in afzonderlijke rode, groene en blauwe kanalen, die elk worden opgevangen door een speciale sensor. Dit levert een nauwkeurigere kleurreproductie op dan systemen met één sensor die afhankelijk zijn van kleurenfilterarrays.

Hoe de invalshoek de output beïnvloedt

De hoek waaronder het licht op het prismaoppervlak valt, heeft een aanzienlijke invloed op het resultaat. Bij de minimale afwijkingshoek gaat het licht symmetrisch door het prisma en is de verspreiding het schoonst. Bij steilere invalshoeken kunnen sommige golflengten totale interne reflectie ondergaan en het prisma helemaal niet verlaten.

Voor een glazen kroonprisma van 60 graden is de minimale afwijkingshoek ongeveer 37 tot 40 graden voor zichtbaar licht. Optische ingenieurs berekenen dit nauwkeurig bij het ontwerpen van instrumenten om ervoor te zorgen dat de gewenste golflengten met minimale vervorming worden doorgegeven.

Als licht onder een te kleine hoek op het oppervlak valt, kan het reflecteren in plaats van het glas binnen te dringen, een fenomeen dat wordt beheerst door de Fresnel-vergelijkingen. Antireflectiecoatings op hoogwaardige kwaliteit optische prisma's minimaliseer dit oppervlakteverlies en verbeter de transmissie-efficiëntie.

Het verschil tussen prisma's en diffractieroosters

Zowel prisma's als diffractieroosters kunnen licht scheiden in de samenstellende golflengten, maar ze doen dit via totaal verschillende fysieke mechanismen. Een prisma maakt gebruik van breking en de golflengteafhankelijkheid van de brekingsindex. Een diffractierooster maakt gebruik van de interferentie van lichtgolven die worden verstrooid vanaf een oppervlak bedekt met duizenden fijne parallelle lijnen.

Opvallend is dat de kleurvolgorde tussen de twee is omgekeerd. In een prisma is violet het meest gebogen. In een diffractierooster wordt rood tot de grootste hoek afgebogen. Dit verschil is in elk geval een direct gevolg van de onderliggende fysica.

Waarom sommige materialen licht meer verspreiden dan andere

De neiging van een materiaal om licht te verspreiden wordt gemeten aan de hand van het Abbegetal. EEN laag Abbe-getal betekent hoge dispersie, wat betekent dat het materiaal de kleuren sterk scheidt. Een hoog Abbegetal betekent een lage spreiding. Dicht flintglas heeft een Abbe-nummer van ongeveer 36, terwijl borosilicaatkroonglas bijna 64 is.

Bij cameralenzen is een hoge spreiding meestal ongewenst omdat hierdoor chromatische aberratie ontstaat, waarbij verschillende kleuren op enigszins verschillende afstanden worden scherpgesteld en randen of onscherpte ontstaan. Lensontwerpers combineren opzettelijk elementen gemaakt van glas met hoge en lage dispersie om de chromatische fout op te heffen, een techniek die achromatische correctie wordt genoemd.

In een prismaspectrometer is een hoge spreiding echter precies wat u zoekt. Hoe sterker de dispersie, hoe meer het spectrum wordt uitgespreid, waardoor het gemakkelijker wordt om dicht bij elkaar gelegen golflengten te onderscheiden.

Belangrijkste afhaalrestaurants

Een prisma splitst wit licht in een spectrum omdat glas verschillende golflengten met verschillende hoeveelheden vertraagt, waardoor elke kleur onder een unieke hoek breekt. De driehoekige geometrie van het prisma zorgt ervoor dat zowel de inkomende als de uitgaande breking het licht in dezelfde richting buigen, waardoor de scheiding wordt versterkt. Het resultaat is een zichtbare regenboog die loopt van rood aan het ondiepe gedeelte tot violet aan het steile gedeelte.

1. Breking zorgt ervoor dat licht buigt wanneer het beweegt tussen materialen met verschillende optische dichtheid.
2. Verspreiding zorgt ervoor dat verschillende golflengten in hetzelfde materiaal met verschillende hoeveelheden buigen.
3. De prismavorm compenseert de breking op twee oppervlakken, waardoor een zichtbare scheiding van kleuren ontstaat.
4. Het proces is volledig omkeerbaar, zoals Newton bewees door het spectrum opnieuw te combineren met een tweede prisma.
5. Prisma's worden gebruikt in spectroscopie, beeldvormingssystemen, verrekijkers en telecommunicatie, en niet alleen in demonstraties in de klas.