Tęcza na niebie pojawia się tylko wtedy, gdy słońce jest za naszymi plecami, a deszcz pada przed nami — miliony małych kropelek wody rozkładają białe światło na wszystkie kolory. To samo zjawisko możesz wywołać w misce wody, w ciemnym pokoju, w dowolnej chwili.

Co nam będzie potrzebne?

  • Płaska miska lub talerz głęboki wypełniony wodą
  • Małe lusterko (np. kompaktowe lub odłamek lusterka)
  • Latarka (najlepiej jednowiązkowa, telefon z latarką też działa)
  • Ciemny pokój lub zaciemniony kąt
  • Kartka białego papieru lub biała ściana

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotuj stanowisko w możliwie ciemnym miejscu. Im mniej światła otoczenia, tym wyraźniejsze będą kolory tęczy. Zasłoń rolety lub wybierz kąt pokoju z dala od okien. Wlej wodę do miski — wystarczy warstwa głęboka na 3–4 centymetry.

Krok 2: Umieść lusterko w misce pod kątem. Oprzyj lusterko o ściankę miski tak, żeby jego dolna krawędź była zanurzona w wodzie, a górna wystawała na zewnątrz. Lusterko powinno być ustawione ukośnie — pod kątem mniej więcej 30–45 stopni do poziomu wody. Możesz podeprzeć je kawałkiem plasteliny lub oprzeć o dno miski.

Krok 3: Skieruj latarkę na zanurzoną część lusterka. Trzymaj latarkę poziomo lub lekko skierowaną w dół i świeć bezpośrednio na fragment lusterka, który jest pod wodą. Wiązka światła powinna wchodzić do wody pod kątem i odbijać się od lusterka ku górze.

Krok 4: Szukaj tęczy na suficie lub ścianie. Skieruj kartkę białego papieru powyżej miski — tam, gdzie pada odbite światło. Przesuwaj kartkę lub zmieniaj kąt lusterka, aż na papierze pojawią się kolorowe pasy: fiolet, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony. Czasem tęcza jest wyraźna od razu, a czasem trzeba przez chwilę szukać właściwego ustawienia.

Krok 5: Pobaw się z położeniem lusterka i latarki. Zanurz lusterko głębiej lub płycej, zmień kąt nachylenia, przesuń latarkę bliżej lub dalej. Obserwuj, jak zmienia się kształt i szerokość tęczy. Możesz też delikatnie zmąć wodę palcem i obserwować, jak tęcza faluje i rozmywa się, gdy powierzchnia wody nie jest już spokojna.

Wyjaśnienie naukowe

Białe światło nie jest jednym kolorem — to mieszanina wszystkich kolorów widzialnego spektrum, od czerwonego (o najdłuższej fali, około 700 nm) do fioletowego (o najkrótszej fali, około 380 nm). Gdy wiązka światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego o innym współczynniku załamania (np. z powietrza do wody), ulega odchyleniu — i to odchylenie jest inne dla każdej długości fali. Krótsze fale (fiolet, niebieski) odchylają się bardziej, dłuższe (czerwony, pomarańczowy) mniej. To zjawisko nazywamy dyspersją i jest opisane przez prawo Snella.

W naszym doświadczeniu wiązka latarki wchodzi w wodę, gdzie ulega pierwszemu załamaniu i dyspersji. Następnie odbija się od lusterka i wychodzi z wody przez jej powierzchnię — przy wyjściu ulega drugiemu załamaniu, które jeszcze bardziej rozdziela kolory. Efektem jest rozłożenie białego światła na pełne spektrum, które widzimy jako tęczę na kartce papieru.

Dokładnie ten sam mechanizm działa w prawdziwej tęczy na niebie, tyle że tam rolę lusterka i warstwy wody pełni każda kropelka deszczu — wewnątrz kulki wodnej światło ulega załamaniu przy wejściu, odbija się od tylnej ścianki kropelki i ponownie załamuje przy wyjściu. Ponieważ każda kropelka rozkłada światło pod nieco innym kątem obserwacyjnym, widzimy tęczę jako łuk: czerwień z zewnątrz, fiolet od wewnątrz. Isaac Newton jako pierwszy opisał matematycznie dyspersję światła w pryzmach szklanych w 1666 roku, a jego odkrycie pozwoliło zrozumieć, dlaczego tęcza ma zawsze tę samą kolejność kolorów. Podobne zjawisko zachodzi w soczewce z wody w woreczku i w spektroskopie z płyty CD , gdzie dyfrakcja siatki — nie dyspersja — rozdziela światło na kolory.

Warianty

Tęcza z kryształowego szkła. Postaw szklankę pełną wody na parapecie w słoneczny dzień, tak żeby słońce świeciło przez nią bezpośrednio. Na podłodze lub ścianie po drugiej stronie pojawi się tęcza — szklanka działa jak pryzmat. Kryształowe szkło z nacięciami (żyrandol, wazon) da kilka tęcz jednocześnie, bo każda ściana nacięcia załamuje światło pod innym kątem.

Tęcza ze szczeliny. Zrób wąską szczelinę w kartce ciemnego kartonu (szerokość 1–2 mm) i przyłóż ją do szyby okna w słoneczny dzień. Wąska wiązka światła, która przejdzie przez szczelinę i padnie na ścianę, będzie miała wyraźną strukturę kolorów — szczelina zachowuje się podobnie jak pryzmat, bo granica powietrze–szkło–powietrze powoduje dyspersję.

Pomiar kąta tęczy. Ustaw doświadczenie tak, żeby tęcza padała na białą kartkę papieru przyczepioną do ściany w stałej odległości od miski. Zaznacz ołówkiem granice poszczególnych kolorów (gdzie kończy się czerwień, a zaczyna żółć itd.). Zmierz odległości między kolorami. Powtórz pomiar, zmieniając głębokość zanurzenia lusterka lub kąt padania latarki. Zobaczysz, że kąt rozłożenia kolorów zależy od kąta padania światła — to ten sam związek, który rządzi kształtem naturalnej tęczy na niebie.

Często zadawane pytania

Dlaczego czasem zamiast tęczy widzę tylko białe lub żółte światło? Najczęstszą przyczyną jest zbyt duży kąt padania latarki lub za krótka droga optyczna. Światło musi przejść przez wystarczającą grubość wody, żeby kolory zdążyły się rozdzielić. Spróbuj: zanurzaj lusterko głębiej (więcej wody między wejściem a odbiciem), zmień kąt latarki tak, żeby wiązka wchodziła do wody bardziej ukośnie (prawie poziomo), i odsuń kartkę papieru dalej od miski — im dalsza kartka, tym szerszy i wyraźniejszy ślad tęczy.

Jaka jest kolejność kolorów i dlaczego? Od wewnątrz (bliżej środka plamki świetlnej) do zewnątrz: fioletowy, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony — dokładnie odwrotnie niż w naturalnej tęczy na niebie, gdzie czerwień jest z zewnątrz łuku. Kolejność zależy od tego, jak bardzo każdy kolor ulega załamaniu: fiolet odchyla się najbardziej (wyższy współczynnik załamania dla krótkiej fali), czerwień najmniej. W naszym doświadczeniu geometria jest odwrócona względem naturalnej tęczy — w kropelce deszczu odbicie następuje od tylnej ścianki, co odwraca układ kolorów.

Czy można zrobić tęczę bez lusterka? Tak. Wystarczy szklanka wody ustawiona na słońcu — światło wchodzi przez jedną ściankę, przechodzi przez wodę i wychodzi przez drugą, za każdym razem się załamując. Można też użyć węża ogrodowego ustawionego tak, żeby mgła rozpylanej wody znalazła się między tobą a słońcem — to miniaturowa wersja naturalnej tęczy. Wystarczy pamiętać, że słońce musi być za twoimi plecami, a mgła (lub miska z wodą) przed tobą.