Kleur, prisma's en regenbogen

Kroonglas buigt violet licht van 410 nm iets sterker af dan rood licht van 660 nm. Dat komt doordat de brekingsindex voor violet 1.530 is en voor rood 1.512.

Wit licht is een mengsel

Midden jaren 1660 liet Isaac Newton een smalle bundel zonlicht door een gat in een luik een verduisterde kamer binnenkomen en stuurde die door een glazen prisma. Op de verre muur verscheen een kleurenband. In een artikel uit 1672 stelde hij dat het prisma de kleuren niet toevoegt. Wit licht is een mengsel van die kleuren en het prisma scheidt ze doordat elke kleur iets anders wordt gebroken. Een commentaar uit 2015 in het Royal Society-tijdschrift Philosophical Transactions noemt dit artikel het fundament van de moderne optica. Newton liet ook zien dat één kleur uit de band, door een tweede prisma gestuurd, dezelfde kleur blijft.

OpenStax verklaart de oorzaak. De index van een bepaald materiaal hangt enigszins af van de golflengte: hij stijgt als de golflengte daalt en is het grootst voor violet. Daardoor buigt violet sterker dan rood en spreidt wit licht zich uit in de bekende volgorde van rood tot violet. Deze splitsing in het spectrum heet dispersie. Meer in het algemeen ontstaat dispersie wanneer een proces de lichtrichting verandert met een hoeveelheid die van de golflengte afhangt.

Kleuren en golflengtes

Gewoonlijk benoemen we ongeveer zes kleuren in een regenboog: rood, oranje, geel, groen, blauw en violet, en soms ook indigo. OpenStax benadrukt dat het spectrum doorlopend is. De namen zijn labels voor golflengtegebieden, van ongeveer 700 nm voor rood tot ongeveer 400 nm voor violet. Wanneer het oog licht met één golflengte ontvangt, zien we doorgaans een van die kleuren. De vele andere tinten die we zien, zijn de reactie van het oog op mengsels. Zonlicht bevat alle zichtbare golflengtes en ziet er wit of heel lichtgeel uit.

Voorwerpen krijgen hun kleur door het licht dat ze naar ons terugsturen. In zonlicht lijkt een blad groen doordat het meer groen licht weerkaatst dan andere kleuren en een groot deel van de rest absorbeert. Onder een lamp zonder groen licht ziet hetzelfde blad er donker uit. Een filter doet iets vergelijkbaars met licht dat erdoorheen gaat: een rood filter laat rood licht door en absorbeert de meeste andere kleuren.

Regenbogen

Een regenboog ontstaat door dispersie in waterdruppels. OpenStax beschrijft hoe licht een druppel binnengaat, aan de achterkant wordt teruggekaatst en weer naar buiten komt. Zowel bij het binnengaan als bij het verlaten wordt het gebroken. Omdat de brekingsindex van water met de golflengte verandert, komen de kleuren onder iets verschillende hoeken naar buiten. Je ziet alleen een regenboog als de zon achter je staat. Elke kleur bereikt je oog uit druppels onder haar eigen hoek ten opzichte van de zonnestralen. Daarom heeft de regenboog de vorm van een boog. Twee terugkaatsingen binnen de druppels geven een zwakkere tweede regenboog boven de eerste. Rond 1300 onderzocht Kamal al-Din al-Farisi in Perzië dit volgens OpenStax met een groot glazen watervat in een camera obscura, als model voor een reusachtige regendruppel. Theodoric van Freiberg deed vergelijkbare proeven in Duitsland. Beiden bouwden voort op het werk van Ibn al-Haytham.