La velocidad de propagación de los rayos de luz de diferentes frecuencias en un medio está determinada por las propiedades de la materia a nivel atómico.
Sabemos que la velocidad de la luz en un medio es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Esta propiedad generalmente se refleja en el llamado coeficiente o índice de refracción del medio, que está determinado por la relación:
n = c / v
donde c es la velocidad de propagación de la luz en el vacío y v en un medio. La luz se inhibe en el medio como resultado de interacciones constantes con las capas de electrones de los átomos.
La situación aquí se puede comparar con el tráfico: si la velocidad de la luz en el vacío se compara con el movimiento a lo largo de una carretera rural idealmente recta y completamente libre; en la que un automóvil puede recorrer todo el camino a la velocidad máxima. Entonces la velocidad de la luz en un entorno se puede imaginar como un movimiento en una gran ciudad; la luz el rayo de la máquina se ralentiza una y otra vez en la siguiente intersección de átomos. Como resultado, la velocidad de la luz en la materia es ciertamente menor que la velocidad de la luz en el vacío. El índice de refracción, en particular del vidrio, es de aproximadamente 1,5; por lo tanto, la luz viaja aproximadamente un tercio más lento en el vidrio que en el vacío.
Se sabe desde hace mucho tiempo que no solo los diferentes materiales tienen diferentes índices de refracción; sino que en el mismo material los rayos de luz de diferentes colores se refractan de diferentes maneras. Este fenómeno se llama dispersión de luz . De acuerdo con la ley de Snell; el ángulo de refracción de un rayo después de entrar en un medio transparente depende del índice de refracción de este medio respectivamente. La dispersión se manifiesta en que los rayos de diferentes colores, que tienen diferentes índices de refracción en el medio, se refractan en diferentes ángulos.
En la mayoría de los materiales, en particular en el vidrio, se observa una dispersión normal, en el que el índice de refracción es inversamente proporcional a la longitud de onda; cuanto más corta es la onda, mayor es el índice de refracción. Algunas sustancias, sin embargo, tienen rangos de longitudes de onda de luz en las que se observa una dispersión anómala; las ondas cortas se refractan más débiles que las largas.
Este es el principio que subyace en el funcionamiento del prisma. Cuando la luz ordinaria (que en realidad contiene todos los colores del espectro) por ejemplo, la luz solar golpea un prisma; el rayo comienza a dividirse inmediatamente después de cruzar el borde del aire con el vidrio, ya que los rayos violetas son los más refractados y los rojos los más débiles. Como resultado, después de que la luz cruza el segundo límite del vidrio con el aire; el rayo blanco se divide en los rayos de colores que lo constituyen. Como resultado, vemos una imagen familiar del espectro del arco iris en una pantalla o pared.
Por cierto, sobre el arco iris: también aparece como resultado de la dispersión de la luz sobre las gotas de lluvia. Al entrar en la gota, el rayo de sol se refracta, su dispersión ocurre dentro de la gota; luego el rayo descompuesto en un espectro se refleja desde el hemisferio posterior de la gota. En el camino de regreso ocurre su mayor dispersión; el rayo sale de regreso a través de la superficie frontal de la gota, siendo descompuesto en un espectro de arco iris. luz de sol.
Es por eso que observamos un arco iris solo cuando el Sol está a un lado de nosotros y está lloviendo del otro lado. Debido a la dispersión, cada color en los rayos reflejados se junta en su propio ángulo estrictamente definido; y esto explica por qué el arco iris forma un arco en el cielo. Los colores del arco iris no están muy claramente separados, ya que las gotas tienen diferentes diámetros; y en algunas gotas la dispersión es más pronunciada, en otras es más débil.
Un fenómeno de arco iris doble más raro ocurre cuando un rayo de luz se refleja desde la superficie interna dos veces dentro de una parte de las gotas de lluvia; y un arco iris triple muy raro indica el efecto de un reflejo interno triple del rayo en una parte de las gotas de lluvia.
Las causas físicas fundamentales de la dispersión sólo podrían explicarse dentro del marco de la teoría atómica moderna de la estructura de la materia y la interacción de la luz con la materia. Como los rayos de todos los rangos del espectro electromagnético , los rayos de luz son ondas electromagnéticas transversales. El campo eléctrico excitado en tal onda, según las ecuaciones de Maxwell, actúa sobre los electrones de los átomos excitándolos. Cuando se excita, un electrón absorbe un fotón de cierta frecuencia para emitir casi inmediatamente exactamente el mismo fotón y volver a su estado normal en el orbital inferior desocupado de su átomo. Así, la luz en un medio se propaga a través de una cadena de absorción y emisión continua de fotones. Ésta es la razón de la ralentización de la propagación de la luz en el medio.
Los electrones de los átomos son prisioneros de sus núcleos. Para comprender algunos de los fenómenos del mundo subatómico, es útil imaginar electrones unidos a núcleos en resortes rígidos. La reacción de un electrón a la acción del campo eléctrico de una onda luminosa depende de cómo la frecuencia de la onda se relaciona con las frecuencias de las oscilaciones naturales de este resorte imaginario.
Los cálculos muestran que cuanto más corta es la longitud de onda de la luz; mayor es la probabilidad de que entre en resonancia con las frecuencias naturales de excitación electrónica. En consecuencia, a menudo los electrones absorberán y volverán a emitir fotones de la frecuencia correspondiente; retardando así la propagación de la luz de esta frecuencia. Se ha demostrado que la intensidad de emisión de tales ondas de luz secundarias por los átomos es proporcional a la longitud de onda a la cuarta potencia.
Una consecuencia del mismo efecto de interacción de la luz con los átomos es la dispersión de la luz en el medio. La luz que no interactúa con los átomos nos llega directamente. Por lo tanto, cuando miramos no a una fuente de luz, sino a la luz dispersa de esta fuente; observamos en ella un predominio de ondas cortas de la parte azul del espectro.
¡Por eso el cielo se ve azul y el sol amarillento! Cuando miras el cielo lejos del Sol, ves luz solar difusa, donde predominan las longitudes de onda cortas de la parte azul del espectro. Cuando mira directamente al Sol, observa el espectro de su radiación, del cual al dispersarse en los átomos de aire; se eliminan algunos de los rayos azules, y el espectro inicialmente blanco del Sol cambia a una región de color amarillo-rojo cuando pasa a través de la atmósfera. Nunca intente verificar esto con sus propios ojos, mirando directamente al Sol. La intensidad de la luz solar directa es tan alta que incluso una segunda mirada al Sol es suficiente; en el mejor de los casos, para una ceguera temporal y, en el peor, para una discapacidad visual funcional crónica.
