Dispersione negli arcobaleni
Quindi ho provato a cercare il funzionamento di un arcobaleno. Ho trovato molte fonti e la spiegazione era chiara. Ho ancora un problema però. Poiché la dispersione avviene a causa di diversi indici di rifrazione per diversi colori, la divisione dovrebbe avvenire sempre indipendentemente dall'angolo. Allora perché è possibile solo a 40-42 gradi. Il mio tentativo era pensare che la ragione potesse essere che la riflessione interna totale non avviene da altri angoli anche se si verifica la scissione, ma non riuscivo a capirlo del tutto. Come si comprende questa dipendenza dall'angolo di dispersione?
Risposte
Ci sono due diversi presupposti che non sono strettamente corretti nella tua domanda:
In primo luogo, un malinteso comune è che gli arcobaleni si formino a causa della riflessione interna totale. Questo non è vero . In effetti, come fai notare, se fosse davvero la Riflessione Interna Totale, non ci sarebbe a priori alcun motivo per cui tutti gli arcobaleni abbiano lo stesso angolo dalla linea che unisce il sole e il punto anti-solare.
Come ho spiegato nella mia risposta a questa domanda: Differenza tra arcobaleno primario e secondario , l'arcobaleno appare a determinati angoli perché le gocce sferiche hanno un angolo di deviazione minima (che dipende dall'indice di rifrazione). I raggi di luce che colpiscono la goccia vicino a questo angolo sono "raggruppati" insieme e quindi hanno un'intensità sufficiente per poterli vedere con i tuoi occhi. Se non fossero così ravvicinati, i tuoi occhi non li riconoscerebbero come una "fascia" di un certo colore.
Secondariamente (e forse più al punto della sua domanda), l'indice di rifrazione di un materiale è dipendente dalla lunghezza d'onda della luce (anzi, questo è il principio per cui il prisma opera!), Vedi qui e qui per ulteriori informazioni. Di conseguenza, questo angolo di deviazione minima ha anche una dipendenza dalla lunghezza d'onda (o "colore") della luce, e questo è ciò che porta a diversi colori che appaiono ad angoli diversi.
Come ho accennato nell'altra risposta, controlla lo straordinario articolo di Jearl Walker che spiega come si forma l'arcobaleno e perché l'arcobaleno secondario ha i suoi colori "capovolti"!
In un arcobaleno primario, un raggio di luce proveniente dal sole entra da un lato di una goccia di pioggia, si riflette dal retro e esce dall'altro lato. A causa delle variazioni nell'indice di rifrazione, gli angoli saranno leggermente diversi per i diversi colori. Se si traccia l'angolo di deviazione (tra il raggio incidente e quello che lascia) rispetto all'angolo incidente (misurato dalla normale alla superficie) si scopre che la curva ha un minimo (vicino a 140 gradi di deviazione e 60 gradi incidente). A questo minimo, la deviazione cambia molto poco per piccoli cambiamenti nell'angolo incidente. Ciò significa che a questo angolo, la goccia può prendere raggi da diverse parti del sole e concentrarli in un raggio emergente (questo angolo di concentrazione è diverso per ogni colore e puoi vedere i colori che sono stati concentrati).