رنگین کمان و تشکیل آن

رنگین کمان: پلی از نور و رنگ در آسمان

نور سفید و راز رنگ‌های پنهان آن

برای درک چگونگی تشکیل رنگین کمان، ابتدا باید با نور سفید و ماهیت آن آشنا شویم. نور سفید خورشید که به نظر ما یک رنگ واحد می‌رسد، در واقع ترکیبی از تمام رنگ‌های موجود در دنیاست. ایزاک نیوتن دانشمند بزرگ، با انجام آزمایشی ساده این موضوع را ثابت کرد. او با عبور دادن یک پرتو نور سفید از یک منشور شیشه‌ای مثلثی، مشاهده کرد که نور به طیفی از هفت رنگ اصلی تجزیه می‌شود. به این پدیده پاشندگی نور می‌گویند.

علت این پدیده آن است که نور سفید از رنگ‌های مختلفی با طول موج‌های متفاوت تشکیل شده است. هنگامی که نور از یک محیط (مثلاً هوا) به محیط دیگری (مثلاً شیشه یا آب) وارد می‌شود، سرعت و مسیر آن تغییر می‌کند که به این پدیده شکست نور می‌گویند. نکته کلیدی اینجاست که هر رنگ، با توجه به طول موج خود، به میزان متفاوتی می‌شکند. برای مثال، نور بنفش که کوتاه‌ترین طول موج را دارد، بیشترین شکست را تجربه می‌کند، در حالی که نور قرمز با طول موج بلندتر، کمترین میزان شکست را دارد. این تفاوت در میزان شکست، باعث جدا شدن رنگ‌ها از یکدیگر و تشکیل طیف رنگ می‌شود.

قطره باران: منشور طبیعی سازنده رنگین کمان

حالا که با پاشندگی نور آشنا شدیم، می‌توانیم نقش قطرات باران را در آسمان درک کنیم. هر قطره باران مانند یک منشور کوچک و کروی عمل می‌کند. هنگامی که پرتوهای نور خورشید به این قطرات برخورد می‌کنند، فرآیند زیر مرحله به مرحله رخ می‌دهد:

۱. شکست: نور خورشید هنگام ورود به قطره باران می‌شکند و کمی هم تجزیه می‌شود.
۲. بازتاب: این نور شکسته شده به دیواره داخلی پشت قطره برخورد کرده و بازتاب می‌یابد.
۳. شکست مجدد: نور بازتاب‌یافته هنگام خروج از قطره، برای بار دوم می‌شکند. این شکست دوم، باعث می‌شود جداسازی رنگ‌ها کاملاً مشهود شود.

این فرآیند برای میلیون‌ها قطره باران که در زاویه دید مناسب نسبت به خورشید و چشمان ناظر قرار دارند، اتفاق می‌افتد. هر قطره فقط یک رنگ از طیف را به سمت چشمان ما بازمی‌تاباند. قطراتی که در زوایای بالاتر قرار دارند، نور قرمز و قطراتی که در زوایای پایین‌تر قرار دارند، نور بنفش را به ما می‌رسانند. به همین دلیل است که ما رنگین کمان را به صورت یک کمان دایره‌وار (یا نیم‌دایره) با ترتیب ثابت رنگ‌ها می‌بینیم.

ترتیب رنگ‌ها در رنگین کمان؛ از قرمز تا بنفش

ترتیب رنگ‌ها در یک رنگین کمان اصلی همیشه ثابت است. این ترتیب از بیرونی‌ترین رنگ (بالای کمان) به داخلی‌ترین رنگ (پایین کمان) به شرح زیر است:

برای به خاطر سپردن این ترتیب می‌توان از کلمه‌های مخفف استفاده کرد. مثلاً "قنزآسبن" که از حروف اول رنگ‌ها (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش) تشکیل شده است.

چرا رنگین کمان را به شکل کمان می بینیم؟

دلیل کمانی شکل بودن این پدیده، هندسه و زوایای مؤثر است. نور خورشید پس از برخورد با قطرات باران و طی فرآیند شکست و بازتاب، در یک زاویه خاص (حدود 42 درجه برای نور قرمز و 40 درجه برای نور بنفش) از قطره خارج می‌شود و به سمت ناظر می‌آید. تمام قطراتی که در آسمان روی یک مخروط با زاویه راس حدود 42 درجه نسبت به خط واصل خورشید به چشمان ناظر قرار دارند، نور قرمز را به چشم ما می‌رسانند و یک کمان قرمز را تشکیل می‌دهند. به همین ترتیب، قطرات روی مخروط‌های با زوایای کوچک‌تر، رنگ‌های دیگر را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که ما سطح مقطع این مخروط را می‌بینیم، آن را به شکل یک کمان می‌بینیم.

اگر بتوانید در ارتفاع خیلی زیادی باشید (مثلاً در یک هواپیما)، ممکن است بتوانید یک رنگین کمان کامل و دایره‌وار را ببینید، زیرا زمین مانع دید شما نمی‌شود.

ساخت رنگین کمان؛ یک فعالیت عملی و مفرح

شما می‌توانید به راحتی و با وسایل بسیار ساده در خانه یا مدرسه یک رنگین کمان کوچک بسازید. این کار نه تنها لذت‌بخش است، بلکه به درک بهتر مفاهیم فیزیکی پشت این پدیده کمک می‌کند.

روش اول با آبپاش: در یک روز آفتابی، پشت به خورشید بایستید و با یک شلنگ آب یا آبپاش، مه یا ذرات ریز آب در هوا ایجاد کنید. اگر زاویه مناسبی داشته باشید، خواهید دید که یک رنگین کمان زیبا در مقابل شما ظاهر می‌شود. شما در این لحظه در حال تقلید از طبیعت پس از یک باران هستید.

روش دوم با آینه و ظرف آب: یک آینه کوچک را داخل یک ظرف پر از آب قرار دهید. ظرف را در مقابل نور خورشید یا یک نور قوی (مثل چراغ قوه) بگذارید. آینه را بچرخانید تا پرتوهای نور بازتاب‌یافته از آن به روی یک دیوار یا سقف سفید بیفتند. خواهید دید که یک طیف رنگی کوچک روی دیوار تشکیل می‌شود. در این آزمایش، آب درون ظرف نقش منشور را ایفا می‌کند.

انواع دیگر رنگین کمان در طبیعت

علاوه بر رنگین کمان معمولی (رنگین کمان اصلی)، انواع دیگری از این پدیده نیز وجود دارند که تحت شرایط خاصی تشکیل می‌شوند:

رنگین کمان ثانویه: گاهی اوقات در بالای رنگین کمان اصلی، یک رنگین کمان کمرنگ‌تر و با ترتیب معکوس رنگ‌ها دیده می‌شود. این رنگین کمان در اثر دو بار بازتاب داخلی نور در قطرات آب ایجاد می‌شود. به دلیل این بازتاب اضافی، نور بیشتری جذب شده و رنگین کمان کم‌رنگ‌تر می‌شود و همچنین ترتیب رنگ‌ها برعکس می‌گردد (بنفش در بیرون و قرمز در داخل).

رنگین کمان ماه (Moonbow): این پدیده بسیار نادر است و در شب‌های بسیار روشن و تحت نور ماه کامل ایجاد می‌شود. از آنجایی که نور ماه بسیار ضعیف‌تر از نور خورشید است، رنگ‌های این رنگین کمان معمولاً بسیار محو هستند و اغلب به صورت یک کمان سفیدرنگ دیده می‌شوند.

رنگین کمان مه (Fogbow): این نوع رنگین کمان بر روی مه تشکیل می‌شود. از آنجایی که ذرات مه بسیار کوچک‌تر از قطرات باران هستند، پدیده شکست و بازتاب به خوبی در آنها رخ نمی‌دهد. در نتیجه، رنگین کمان مه فاقد رنگ‌های واضح است و بیشتر به شکل یک کمان سفید و پهن با حاشیه‌های قرمز بسیار کمرنگ دیده می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹ طول موج (Wavelength): به فاصله بین دو قله متوالی در یک موج گفته می‌شود و با واحد نانومتر (nm) سنجیده می‌شود. هر رنگ نور مرئی طول موج خاص خود را دارد.
² ضریب شکست (Refractive Index): عددی است که نشان می‌دهد سرعت نور در یک ماده چقدر کاهش می‌یابد. ضریب شکست خلأ 1 و ضریب شکست آب حدود 1.33 است.
³ nm: نماد نانومتر، معادل یک میلیاردم متر ($ 10^{-9} $ متر).