Lom svetla hranolom a dúha

Lom svetla hranolom a dúha

SVETLO je formou energie nazývanej elektromagnetické žiarenie, ktoré sa šíri ako neviditeľné vlny. Prostredie, v ktorom sa svetlo šíri nazývame optickým prostredím. Optické prostredie delíme na priesvitné (matné sklo), priehľadné (vzduch), číre (sklo, tenká vrstva vody), farebné (farebná fólia). V rovnorodom prostredí (vzduch) sa svetlo šíri priamočiaro rýchlosťou 300 000 km/s. Ak však narazí na prekážku ako je napríklad sklenená doska dochádza  k lomu svetla. Zákon lomu svetla objavil  francúzsky učenec René Descartes.
Každej vlnovej dĺžke svetla zodpovedá istá "čistá" farba svetla.  V skutočnosti je svetlo, ktoré nám vchádza do očí, zložením svetelných vlnení  s rôznymi vlnovými dĺžkami a farbami. Ako prvý  začal v roku 1666 skúmať rozklad slnečného svetla  anglický fyzik a matematik Sir Isaac Newton. Lúč bieleho svetla rozložil pomocou optického hranola.
 
Biele svetlo sa pri prechode trojbokým priehľadným hranolom láme dvakrát, čím sa rozdelí na jednotlivé farebné zložky s rozdielnymi vlnovými dĺžkami. Hranol láme svetlo každej vlnovej dĺžky pod iným uhlom a vzniká pás farieb – biele svetelné spektrum. Spektrum je rozdelenie svetelnej energie podľa jednotlivých farieb, presnejšie ich vlnových dĺžok (frekvencií). Ak je energia rozdelená na všetky vlnové dĺžky, hovoríme o spojitom spektre.
 
Farby, z ktorých sa skladá spojité spektrum sú spektrálne farby, je ich šesť  v poradí:  červená, oranžová, žltá, zelená, modrá a fialová. Najdlhšiu vlnovú dĺžku má červená farba a najkratšiu fialová.
 
Zásluhou objavu Isaaca Newtona si dnes vieme vysvetliť asi najúžasnejší prírodný jav, ktorý je príkladom spojitého spektra - farebný oblúk na oblohe pri daždi alebo vo vodnej triešti vodopádu, či pri polievaní záhrady.
Áno, je to farebná DÚHA.

Hádam odjakživa sa ľudia snažili vysvetliť vznik a princíp dúhy. Predvedecké vysvetlenia boli veľmi rôznorodé a dúha bola pre niektoré národy znamením nádeje a zmierenia, pre iné symbolom démonických síl. Napríklad podľa Biblie je dúha symbolom božskej dohody so Zemou o tom, že už nedôjde k zhubnej potope. Celkom opačne hodnotia dúhu niektoré kmene z Mjanmarska, podľa ktorých dúha predstavuje nebezpečné démonické sily, ktoré sú schopné pohltiť ľudskú dušu. Aj pre príslušníkov afrického kmeň Zuluov nie je dúha vítaným javom. Pre niektorých Laponcov zas stelesňuje dúhový oblúk boha hromu, ktorý miesto šípov strieľa blesky.
 
O jedno z prvých takmer vedeckých vysvetlení sa pokúsil v staroveku grécky učenec Aristoteles (384 – 322 p.n.l.), keď vysvetľoval dúhu ako odraz slnečných lúčov na dažďovom mraku. Prvé vedecké vysvetlenie dúhy na princípoch geometrickej optiky predložil práve objaviteľ zákonu lomu svetla francúzsky učenec René Descartes (1596 – 1650).
 
Dúha vzniká  pri končiacej sa dažďovej prehánke. Dážď síce ešte padá, ale zároveň slnečné lúče osvetľujú dažďové kvapky. V týchto kvapkách sa svetlo láme, rozkladá a odráža, a tak práve na opačnej strane ako svieti Slnko, môžeme pozorovať dúhu. Čím sú kvapky väčšie, tým je dúha jasnejšia.  
 
Farebný žiariaci oblúk, ktorý pozorujeme pri daždi na oblohe alebo vo vodnej  triešti vodopádu, predstavuje primárnu dúhu. Jej najnápadnejším rysom je farebnosť. Svetlo každej dúhovej farby má odlišný index lomu a teda lúče vychádzajúce z dažďových kvapiek sa budú koncentrovať pre jednotlivé farby  v mierne odlišných uhloch, čím sa vysvetľujú farebné pásy v dúhe. Červené svetlo sa láme najmenej, fialové najviac, preto sú krajnými farbami dúhy.

Jas a zreteľnosť farebných pásov sa môže značne meniť, ale poradie farieb zostáva stále rovnaké: najvnútornejšia je fialová a tá prechádza postupne do rôznych odtieňov modrej, zelenej, žltej a  oranžovej, až na vonkajšom okraji je červená.

Lúče svetla sa môže vo vnútri kvapky odraziť viackrát a niektoré z nich budú aj pozorovateľné ako sekundárna (vedľajšia) dúha. Sekundárnu dúhu môžeme pozorovať na oblohe vyššie než sa nachádza primárna dúha. Sekundárna dúha má poradie farieb opačné oproti primárnej, pretože vzniká na základe ešte jedného odrazu, kde sa poradie farieb obracia. Sekundárna dúha je vďaka tomuto naviac odrazu oproti primárnej dúhe slabšia, pretože pri každom odraze sa „sila“ svetla zoslabuje.

Bežne pozorujeme dúhu ako oblúk. Jednou z najčastejších odpovedí na otázku prečo má dúha kruhový tvar, býva odpoveď: Lebo Zem je guľatá. Možno by niekto odpovedal, lebo Slnko je guľaté. Tieto odpovede nie sú správne. Veď keď pozorujeme dúhu v malom vodopáde, sotva jej tvar môže ovplyvniť tvar Zeme. Správnou odpoveďou je, že dúha má tvar kruhového oblúka preto, lebo kvapka vody ma tvar gule. Lúče svetla dopadajú na kvapku nielen v jednej rovine, ale vo všetkých rovinách, preto vidíme dúhu ako oblúk symetrický okolo osi, kam smeruje pozorovateľov tieň vrhaný Slnkom. Preto z vysokých kopcov či z lietadla je pozorovateľná dúha ako uzavretý kruh.

Dúha nie je pozorovateľná, ak Slnko je vyššie nad obzorom ako je 42°. Ak je Slnko nízko nad obzorom, dúha vytvára vysoký oblúk, ak je Slnko vyššie nad obzorom, ale do 42°,  dúha vytvára nižší oblúk.