Hiện tượng cầu vồng

1/ Cầu vồng là hiện tượng tán sắc của các ánh sáng từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa.

Các màu sắc cầu vồng nằm theo thứ tự đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Các bức xạ hồng ngoại và tử ngoại nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy của mắt người, nên không hiện diện.

Tùy vào số lần phản xạ mà người ta phân ra làm cầu vồng bậc 1, bậc 2... Trong đó cầu vồng bậc 1 là rõ nhất (chỉ có 1 lần phản xạ nên năng lượng sáng mạnh nhất). Thường cầu vồng nhìn thấy là cầu vồng bậc 1. Tuy nhiên đôi khi ta còn quan sát thêm được cầu vồng bậc 2 mà trật tự màu sắc lại ngược lại với cầu vồng bậc 1 và cường độ sáng yếu hơn.

2/ Giải thích hiện tượng:

Giải thích hiện tượng dựa trên sự phân tích ánh sáng đi ngang qua lăng kính và ánh sáng trắng là sự tổng hợp những màu của phổ thấy được của Newton.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua nước mưa, nó phân ra thành 7 màu đỏ, cam, vàng, xanh , lam, chàm, tím vì những giọt nước mưa hành động như những lăng kính nhỏ. Khi qua lăng kính, ánh sáng trắng bị khúc xạ và mỗi màu nghiêng theo một góc khác nhau để cho ta thấy những màu khác nhau trải dài thành giải dưới dạng một hình cung.

Hình 13-1 là mô hình một giọt nước mưa kích thước nhỏ hình cầu (ko dẹt như các giọt lớn thông thường).

Tia sáng mặt trời đc biểu diễn bằng một mũi tên chiếu đến từ bên trái. Khi ánh sáng chiếu vào dưới một góc độ, nó tách ra nhiều màu sắc như trong lăng kính. Ánh sáng hầu hết xuyên qua màng giọt nước.

Như đối với bất kì bề mặt vật chất trong suốt nào, một số as thì xuyên qua, số khác thì được phản chiếu lại tuỳ thuộc góc chiếu sáng trên bề mặt. Màng sau của giọt nước mưa là một mặt cong. Các tia sáng chiếu tới mặt cong này dưới một giới hạn góc sao cho tia sáng có thể phản xạ lại và ko xuyên qua màng. Tất cả tia sáng được phản xạ này quay trở lại mặt đối diện mà chúng được chiếu tới, và các tia sáng cùng màu thì ló ra với cùng một góc độ.

Các tia ló tách ra nhiều màu sắc tuy nhiên sự pha trộn ánh sáng phản chiếu bởi tất cả các giọt nước khác từ những hướng khác nhau dẫn đến sự tổng hợp ánh sáng trắng. Vì vậy ở trên bầu trời phía ngoài cầu vồng chính thì sáng hơn phía trong. Khi quan sát, ta thấy những tia sáng phản chiếu tại góc giới hạn và mỗi giọt nước cùng với góc độ này góp phần tạo nên cầu vồng

3. Vài tính toán về cầu vồng:

(Dựa trên sự giải thích của nhà toán học, vật lý người Pháp – Decactes)

Đây là mô hình giọt nước mưa được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời

Các chỉ số phần trăm là tỉ lệ năng lượng của tia sáng tương ứng. Ta sẽ thấy cường độ sáng của các tia khúc xạ phản xạ lần 1, 2,3 .. sẽ thay đổi khi góc tới i thay đổi.

Dùng hình học dễ dàng tính được góc lệch giữa tia khúc xạ số 3 và tia tới sẽ bằng: D= 4i -2r

Mà: sini/sinr = n => D = 4i - 2 arsin (sini/n)

Khảo sát hàm này sẽ cho cực đại ứng với tia đỏ D = 42,394 độ.

Vì sao khi D cực đại thì lại cho cường độ sáng của tia đỏ lớn nhất?

Lí do: Khi D cực đại <=> dD/di = 0

=> Sự biến đổi của i sẽ làm cho D không thay đổi nhiều, có nghĩa là với những tia sáng quanh giá trị i này thì sẽ cho cường độ tia đỏ lớn hơn các tia khác. Dẫn đến việc tập trung nhiều tia đỏ. Vì thế cường độ tia sáng khúc xạ đỏ đạt giá trị cực đại.

Do đó mỗi giọt nước mưa sẽ tạo ra một hình nón tia chùm tia đỏ có góc ở đỉnh là 42,394 và trục đối xứng là tia sáng mặt trời. Do có rất nhiều giọt nước cho nên tập hợp các tia này đến mắt ta sẽ tạo thành hình tròn.

Ở các góc khác có tia đỏ không?

Câu trả lời là có nhưng đồng thời có cả các tia khác nữa và không có tia nào thắng thế về cường độ sáng cả do đó có sự tổng hợp lại thành ánh sáng trắng. Tương tự với các màu khác sẽ thấy màu xanh có góc cực đại nhỏ hơn nên nằm bên trong.

4. Tại sao bảy sắc cầu vồng lại được sắp sếp theo thứ tự như vậy?

Ánh sáng hằng ngày (do mặt trời) gọi là ánh sáng “trắng”. Ánh sáng trắng này là tổng hợp của những ánh sáng có màu sắc khác nhau. Nhìn vào một tấm kiếng, nhìn vào một cái bong bóng xà bông hay một lăng kính, bạn sẽ thấy màu sắc của các ánh sáng này. Cái khiến cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính bị phân tích thành ánh sáng có màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím chính là do mỗi thứ ánh sáng có độ dài sóng khác nhau.

Độ dài sóng (ánh sáng) tạo thành các dải màu song song với nhau, màu nọ sát khít bên màu kia theo một thứ tự nhất định. Dải màu này được gọi là quang phổ. Trong quang phổ, luôn luôn bao giờ cũng bắt đầu bằng dải màu đỏ và kết thúc là màu tím. Cầu vồng chính là một quang phổ lớn mà thôi.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua những phân tử nước kết thành những gọi nước li ti thì (ánh sáng ấy) bị phân tích cũng như khi chiếu qua kính quang phổ. Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua giọt nước, ta đã thấy ánh sáng bị phân tích thành dải bảy màu. Thế rồi các ánh sáng này lại xuyên qua giọt nước khác, giọt nước khác … cứ như vậy hình thành quang phổ cầu vồng. Nhìn vào quang phổ cầu vồng, phía trên cùng bao giờ cũng là màu đỏ, phía dưới cùng bao giờ cũng là màu tím.

5/ Tại sao cầu vồng có dạng một vòng cung?

Do cầu vồng được nhìn bởi cùng 1 góc (gần 42 độ với cầu vồng bậc 1 và 53 độ với cầu vồng bậc 2), là góc mà cường độ sáng của tất cả các tia mặt trời qua các giọt nước là đạt cực đại, đồng thời ánh sáng trắng bị khúc xạ qua nước mưa thành nhiều màu sắc và mỗi màu nghiêng theo một góc khác nhau nên cầu vồng có dạng một cung tròn. Mặt khác, một phần của vòng có tâm nằm dưới chân trời. Phần dưới không thấy được vì ở dưới trái đất. Ðộ cong của quả đất làm cho quan sát viên chỉ nhìn thấy một nửa vòng. Thật ra thì nếu nhìn từ máy bay hay đứng trên một núi cao nhìn một trận mưa lớn và hiếm khi ta có thể thấy cầu vồng dưới dạng một vòng tròn.

6/ Vùng Alexandre là gì?

Giữa vòng cung sơ cấp và vòng cung thứ cấp có một vùng tối hơn, đó là cùng Alexandre. Tên lấy từ Alexandre d'Aphrodisias (cuối thế kỷ II - đầu IIIe), một triết gia Hy Lạp, là người đã diễn tả cầu vồng đầu tiên.

Có thể có nhiều cầu vồng cùng một lúc?

Hiện tượng này gồm có một vòng cung sơ cấp và một vòng cung thứ cấp, một giải sẫm màu Alexandre và những vòng cung thừa. Vòng cung sơ cấp hướng vào giữa đường nối giữa mặt trời và người quan sát. Bán kính góc là 41° và chiều rộng là 2°15. Màu đỏ ở bên ngoài. Màu luôn luôn được xếp đặt từ dưới lên như sau: tím, chàm, lam, xanh lá cây, vàng, cam, đỏ. Nhưng không rõ nét giữa những màu. Vòng cung thứ cấp, đồng tâm với vòng sơ cấp, bán kính góc khoảng 52° . Những màu sắp đặt theo thứ tự ngược lại: Ðỏ ở phía dưới và tím ở phía trên. giữa hai vòng cung, trời thường có màu sậm hơn bên ngoài

Vòng thứ hai này mờ hơn gấp 10 lần vòng chính.

Cầu vồng xuất hiện với kiểu dáng chủ yếu ở 2 cấp độ: 1 vòng chính ( cơ bản) và vòng thứ 2. Ta nói đến kiểu dáng vì vòng chính hoặc vòng thứ 2 có thể chứa 2 hay nhiều vòng màu được gọi là vòng phụ. Vòng chính thường sáng nhất, vòng thứ 2 thì mờ nhạt hơn. Vòng thứ 3, thứ 4 theo lí thuyết thì có thể có nhưng thường không nhìn thấy được. Thứ tự vòng được xác định bởi góc từ điểm đối Mặt Trời (antisolar point). Một người đứng trên mặt đất quan sát khi trời nắng, cái bóng của đầu người đó đánh dấu 1 điểm được gọi là điểm đối Mặt Trời sao cho góc hợp bởi điểm này và Mặt Trời so với đầu người đó là 180°.

Khi cầu vồng xuất hiện, ta quan sát bóng, và tìm điểm đối Mặt Trời. Theo góc hướng nhìn từ điểm đối Mặt Trời đến cầu chính là khoảng 23o , đến cầu thứ 2 là khoảng 35o . Góc này ứng với cầu thứ 3 là 120o tính từ bóng đổ hoặc từ phía chiếu sáng, ứng với cầu thứ 4 là 160o.

7/ Tại sao không đến được chân cầu vồng?

Chẳng bao giờ bạn đến được chân trời, cũng như không thể bay tới chân cầu vồng. Đó là bởi cả hai trường hợp đều cần khoảng cách xa giữa vật thể và người quan sát mới tạo nên hiệu ứng.

Cầu vồng thực chất gồm nhiều giọt nước hấp thụ ánh sáng theo cách nào đó. Những giọt nước tròn, trong vắt khúc xạ và phản xạ một vài tia sáng tới người quan sát. Ánh sáng có bước sóng khác nhau khúc xạ ở những góc khác nhau, vì thế ánh sáng trắng của mặt trời được phân tách ra thành một dải ánh sáng nhiều màu.

Vì những cảnh tượng rực rỡ này được tạo thành từ ánh sáng và nước, nên đừng hy vọng tìm kiếm điểm dừng chân của nó. Hiện tượng quang học này phụ thuộc vào việc bạn phải đứng cách xa các giọt nước, và mặt trời phải ở sau lưng.

Theo: