Просто обяснение

Какво е Раят?

Небето е безкрайност. За всеки народ небето е символ на чистота, защото се смята, че там живее самият Бог. Хората, обърнати към небето, искат дъжд или обратно за слънцето. Тоест, небето не е само въздух, небето е символ на чистота и чистота.

Небе - това е просто въздух, този обикновен въздух, който дишаме всяка секунда, този, който не може да се види и докосне, защото е прозрачен и безтегловност. Но дишаме прозрачен въздух, защо той придобива такъв син цвят отгоре? Въздухът съдържа няколко елемента, азот, кислород, въглероден диоксид, водни пари, различни частици прах, които са постоянно в движение.

Физически

На практика, както казват физиците, небето е просто въздух, оцветен от слънчевите лъчи. Най-просто казано, слънцето грее на Земята, но слънчевите лъчи трябва да преминат през огромен слой въздух, който буквално обгръща Земята. И тъй като слънчевият лъч има много цветове, или по-скоро седем цвята на дъгата. За тези, които не знаят, струва си да припомним, че седемте цвята на дъгата са червен, оранжев, жълт, зелен, светло син, син, лилав.

Нещо повече, всеки лъч има всички тези цветове и той, преминавайки през този слой въздух, след това пръска различни цветове на дъгата във всички посоки, но тук синият цвят е разпръснат най-вече, поради което небето придобива син цвят. Накратко, синьото небе е пръските, които лъчът, боядисан в този цвят, дава.

И на Луната

Няма атмосфера и затова небето на Луната не е синьо, а черно. Астронавтите, които излизат в орбита, виждат черно-черно небе, на което искрят планети и звезди. Разбира се, небето на Луната изглежда много красиво, но все пак не бих искал да виждам постоянно черно небе над главата.

Небето променя цвета си

Небето не винаги е синьо, то има тенденция да променя цвета си. Всички вероятно са забелязали, че понякога е белезникав, понякога синкавочерен ... Защо е така? Например, през нощта, когато слънцето не изпраща своите лъчи, ние виждаме небето не синьо, атмосферата ни се струва прозрачна. И през прозрачния въздух човек може да вижда планетите и звездите. И следобед синият цвят отново надеждно ще скрие мистериозното пространство от любопитни очи.

Различни хипотези Защо небето е синьо? (хипотези на Гьоте, Нютон, учени от 18-ти век, Рейли)

Толкова много хипотези бяха изложени по различно време, за да се обясни цветът на небето. Наблюдавайки как димът на фона на тъмна камина придобива синкав цвят, Леонардо да Винчи пише: „... лекотата над тъмнината става синя, колкото по-красива, толкова по-отлична ще бъде светлината и тъмното.“ Приблизително същата гледна точка се поддържаше Гьоте, който беше не само световноизвестен поет, но и най-големият естествознател на своето време. Това обяснение на цвета на небето обаче се оказа несъстоятелно, тъй като, както стана ясно по-късно, смесването на черно и бяло може да даде само сиви тонове, но не и цветове. Синият цвят на дима от камината се дължи на съвсем различен процес.

След откриването на смущения, по-специално в тънки филми, Нютонсе опита да приложи смущения, за да обясни цвета на небето. За целта той трябваше да приеме, че водните капчици са под формата на тънкостенни мехурчета, като сапунени мехурчета. Но тъй като водните капчици, съдържащи се в атмосферата, всъщност са сфери, то тази хипотеза скоро „избухва“ като сапунен мехур.

Учени от 18 век Marriott, Booger, Euler мисълта, че синият цвят на небето се дължи на собствения цвят на съставните части на въздуха. Това обяснение дори получи известно потвърждение по-късно, още през 19 век, когато беше установено, че течният кислород е син, а течният озон е син. Най-близко до правилното обяснение на цвета на небето дойде О.Б. Сосюр. Той вярваше, че ако въздухът е абсолютно чист, небето ще бъде черно, но въздухът съдържа примеси, които отразяват предимно син цвят (по-специално водни пари и водни капчици). Към втората половина на 19 век. натрупа богат експериментален материал за разсейването на светлината в течности и газове, по-специално беше открита една от характеристиките на разсеяната светлина, идваща от небесния небосвод - нейната поляризация. Араго беше първият, който го откри и проучи. Това беше през 1809 г. По-късно Бабинет, Брустър и други учени бяха ангажирани с изследване на поляризацията на небесния скал. Въпросът за цвета на небето привлече вниманието на учените толкова много, че експериментите, проведени върху разсейването на светлината в течности и газове, които имаха много по-широко значение, се провеждаха от ъгъла на гледане „лабораторно възпроизвеждане на синия цвят на небето“. "Брук или" За синия цвят на небето, поляризацията на светлината от облачна материя като цяло "Тиндал. Успехите на тези експерименти насочиха мислите на учените към правилния път - да търсят причината за синьото небе в разсейването на слънчевата светлина в атмосферата.

Първият, който създаде последователна, строга математическа теория за молекулярното разсейване на светлината в атмосферата, беше английският учен Рейли. Той вярваше, че разсейването на светлината се случва не върху примесите, както мислеха неговите предшественици, а върху самите молекули на въздуха. Първата работа на Рейли върху разсейването на светлината е публикувана през 1871 г. В окончателния си вид теорията му за разсейване, основана на установената по това време електромагнитна природа на светлината, е представена в работата "За светлината от небето, нейната поляризация и цвят", публикувана в 1899 г. За работата си в областта на разсейването на светлината Rayleigh (пълното му име е John William Strett, Lord Rayleigh III) често се нарича Rayleigh Scattering, за разлика от сина си, Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV се нарича Rayleigh Atmospheric за големия си принос в развитието на физиката на атмосферата. За да обясним цвета на небето, ще дадем само едно от заключенията на теорията на Rayleigh и ще се позоваваме на други няколко пъти, когато обясняваме различни оптични явления. Това заключение казва: яркостта или интензивността на разсеяната светлина се променя обратно пропорционално на четвъртата степен на дължината на вълната на светлината, падаща върху разсейваща частица По този начин молекулярното разсейване е изключително чувствително към най-малката промяна в дължината на вълната на светлината, например виолетовата дължина на вълната оптичните лъчи (0,4 микрона) са около половината от дължината на вълната на червеното (0,8 микрона). Следователно виолетовите лъчи ще бъдат разпръснати 16 пъти по-силно от червените и при еднаква интензивност на падащите лъчи в разсеяната светлина ще има 16 пъти повече. Всички останали цветни лъчи от видимия спектър (син, циан, зелен, жълт, оранжев) ще бъдат включени в разсеяната светлина в количества, обратно пропорционални на четвъртата степен на дължината на вълната на всеки от тях. Ако сега всички цветни разпръснати лъчи се смесят в това съотношение, тогава цветът на сместа от разсеяни лъчи ще бъде син.

Директната слънчева светлина (т.е. светлината, излъчвана директно от слънчевия диск), губеща предимно сини и виолетови лъчи поради разсейване, придобива слаб жълтеникав оттенък, който се засилва, когато Слънцето се спуска към хоризонта. Сега лъчите трябва да пътуват все повече и повече през атмосферата. По дълъг път загубата на дължина на късата вълна, т.е.виолетови, сини, сини, лъчи става все по-забележима, а в пряката светлина на Слънцето или Луната предимно лъчите с дължина на вълната - червени, оранжеви, жълти - достигат повърхността на Земята. Следователно цветът на Слънцето и Луната става първо жълт, след това оранжев и червен. Червеният цвят на слънцето и синият цвят на небето са две последици от един и същ процес на разсейване. При пряка светлина, след като премине през атмосферата, остават предимно дълговълнови лъчи (червено слънце), докато късо вълновите лъчи (синьо небе) попадат в разсеяната светлина. Така че теорията на Рейли много ясно и убедително обясни загадката на синьото небе и червеното слънце.

небесно термично молекулярно разсейване

Всички сме свикнали с факта, че цветът на небето е непостоянна характеристика. Мъгла, облаци, време на деня - всичко влияе върху цвета на купола над главата ви. Ежедневната му промяна не заема умовете на повечето възрастни, което не може да се каже за децата. Те постоянно се чудят защо небето е синьо по отношение на физиката или какви цветове е залезът червен. Нека се опитаме да разберем тези не най-прости въпроси.

Сменяем

Струва си да започнем с отговор на въпроса какво всъщност е небето. В древния свят на него наистина се е гледало като на купол, покриващ Земята. Днес обаче едва ли някой не знае, че колкото и високо да се издига любопитният изследовател, той няма да може да достигне до този купол. Небето не е нещо, а по-скоро панорама, която се отваря, когато се гледа от повърхността на планетата, нещо като вид, изтъкан от светлина. Освен това, ако наблюдавате от различни точки, може да изглежда различно. И така, от този, който се издига над облаците, в този момент се открива съвсем различен изглед, отколкото от земята.

Ясното небе е синьо, но щом влязат облаците, то става сиво, оловно или почти бяло. Нощното небе е черно, понякога можете да видите червеникави области по него. Това е отражение на изкуственото осветление на града. Причината за всички тези промени е светлината и нейното взаимодействие с въздуха и частиците. различни вещества в него.

Естество на цвета

За да отговорите на въпроса защо небето е синьо от гледна точка на физиката, трябва да запомните какъв цвят е. Това е вълна с определена дължина. Светлината, идваща от Слънцето към Земята, се вижда като бяла. От експериментите на Нютон е известно, че това е сноп от седем лъча: червен, оранжев, жълт, зелен, светлосин, син и виолетов. Цветовете се различават по дължината на вълната. Червено-оранжевият спектър включва най-впечатляващите вълни по този параметър. части от спектъра се характеризират с къса дължина на вълната. Разлагането на светлината в спектър се случва, когато тя се сблъска с молекули на различни вещества, докато част от вълните могат да бъдат абсорбирани, а част - разпръснати.

Причина за разследване

Много учени са се опитали да обяснят защо небето е синьо от гледна точка на физиката. Всички изследователи се стремяха да открият явление или процес, който разсейва светлината в атмосферата на планетата по такъв начин, че в резултат само синьото да достига до нас. Водата беше и първият кандидат за ролята на такива частици. Смятало се, че те абсорбират червената светлина и предават синята и в резултат на това виждаме синьо небе. Последвалите изчисления обаче показват, че количеството озон, ледени кристали и молекули водни пари в атмосферата не е достатъчно, за да придаде на небето син цвят.

Причината е замърсяването

На следващия етап от изследването Джон Тиндал предположи, че прахът играе ролята на желаните частици. Синята светлина има най-голяма устойчивост на разсейване и следователно е в състояние да премине през всички слоеве прах и други суспендирани частици. Тиндал проведе експеримент, който потвърди предположението му. Той създава модел на смог в лаборатория и го осветява с ярка бяла светлина. Смогът придоби син оттенък. Ученият направи еднозначно заключение от своето изследване: цветът на небето се определя от прахови частици, тоест, ако въздухът на Земята беше чист, тогава над главите на хората грееше не синьо, а бяло небе.

Лордови изследвания

Последната точка по въпроса защо небето е синьо (от гледна точка на физиката) беше поставена от английския учен, лорд Д. Рейли. Той доказа, че не прахът или смогът оцветяват пространството отгоре в сянката, с която сме свикнали. Става въпрос за самия въздух. Газовите молекули поглъщат най-голямата и предимно най-дългата дължина на вълната, еквивалентна на червената. Синьото се разсейва. Така днес се обяснява цветът на небето, който виждаме при ясно време.

Внимателните ще забележат, че следвайки логиката на учените, куполът над главата ви трябва да е лилав, тъй като именно този цвят има най-късата дължина на вълната във видимия диапазон. Това обаче не е грешка: делът на виолетовото в спектъра е много по-малък от този на синьото и човешките очи са по-чувствителни към последното. Всъщност синьото, което виждаме, е резултат от смесването на синьо с лилаво и някои други цветове.

Залези и облаци

Всеки знае, че по различно време на деня можете да видите различни цветове на небето. Снимките на красиви залези над морето или езерото са чудесна илюстрация на това. Всякакви нюанси на червено и жълто в комбинация със светло синьо и тъмно синьо правят такъв спектакъл незабравим. И се обяснява със същото разсейване на светлината. Факт е, че по здрач и разсъмване слънчевите лъчи трябва да преодолеят много по-голям път през атмосферата, отколкото през разгара на деня. В този случай светлината на синьо-зелената част на спектъра се разсейва в различни посоки и облаците, разположени на линията на хоризонта, се оцветяват в червени нюанси.

Когато небето е покрито с облаци, картината се променя напълно. неспособни да преодолеят плътния слой и повечето от тях просто не достигат до земята. Лъчите, които са успели да преминат през облаците, се срещат с водни капки дъжд и облаци, които отново изкривяват светлината. В резултат на всички тези трансформации бялата светлина достига до земята, ако облаците са с малки размери, и сива, когато небето е покрито от впечатляващи облаци, които отново поглъщат част от лъчите.

Друго небе

Чудя се какво на други планети Слънчева система когато се гледа от повърхността, можете да видите небе, което е много различно от земята. На космически обекти, лишени от атмосферата, слънчевите лъчи свободно достигат до повърхността. В резултат на това небето тук е черно, без никаква сянка. Такава картина може да се види на Луната, Меркурий и Плутон.

Марсианското небе има червено-оранжев оттенък. Причината за това се крие в праха, с който е наситена атмосферата на планетата. Боядисана е в различни нюанси на червено и оранжево. Когато Слънцето се издигне над хоризонта, марсианското небе става розово-червено, докато частта от него, непосредствено заобикаляща диска на светилото, изглежда синя или дори лилава.

Небето над Сатурн е със същия цвят като на Земята. Аквамариновото небе се простира над Уран. Причината се крие в метановата мъгла, разположена в горните планети.

Венера е скрита от очите на изследователите от плътен слой облаци. Той не позволява на лъчите от синьо-зеления спектър да достигнат повърхността на планетата, така че небето тук е жълто-оранжево със сива ивица по хоризонта.

Изследването на космическото пространство през деня разкрива не по-малко чудеса от изследването на звездното небе. Разбирането на процесите, протичащи в облаците и зад тях, помага да се разбере причината за нещата, които са доста познати на обикновения човек, което въпреки това не всеки може да обясни веднага.

Радостта да видиш и разбереш
е най-красивият дар на природата.
Алберт Айнщайн

Загадката на небесното синьо

Защо небето е синьо? ...

Няма такъв човек, който да не е мислил за това поне веднъж в живота си. Средновековните мислители вече са се опитали да обяснят произхода на цвета на небето. Някои от тях предполагаха, че синьото е истинският цвят на въздуха или някои от съставните му газове. Други смятаха, че истинският цвят на небето е черен - начинът, по който изглежда през нощта. През деня черният цвят на небето се комбинира с бял - слънчевите лъчи и се оказва ... син.

Сега може би няма да срещнете човек, който, желаейки да получи синя боя, би смесил черно и бяло. И имаше време, когато законите на смесването на цветовете все още бяха неясни. Те са инсталирани само преди триста години от Нютон.

Нютон също се заинтересува от тайната на небесното синьо. Той започна с отхвърляне на всички предишни теории.

Първо, твърди той, смес от бяло и черно никога не образува синьо. Второ, синьото съвсем не е истинският цвят на въздуха. Ако това беше така, тогава Слънцето и Луната по залез нямаше да изглеждат червени, както е в действителност, а сини. Върховете на далечните снежни планини щяха да изглеждат така.

Представете си, че въздухът е оцветен. Дори и да е много слаб. Тогава нейният дебел слой би действал като цветно стъкло. И ако погледнете през затъмнено стъкло, тогава всички предмети изглеждат в същия цвят като това стъкло. Защо далечните заснежени върхове ни се струват розови, а изобщо не сини?

В спор с неговите предшественици истината беше на страната на Нютон. Той доказа, че въздухът не е оцветен.

Въпреки това той не разгада загадката на синьото небе. Той беше объркан от дъгата, един от най-красивите, поетични феномени на природата. Защо изведнъж се появява и също толкова внезапно изчезва? Нютон не може да бъде доволен от преобладаващото суеверие: дъгата е знак отгоре, предвещава добро време. Стремял се е да намери материалната причина за всяко явление. Той откри и причината за дъгата.

Дъгата е резултат от пречупване на светлината в дъждовните капки. Осъзнавайки това, Нютон успя да изчисли формата на дъговата дъга и да обясни последователността на цветовете в дъгата. Неговата теория не може да обясни само появата на двойна дъга, но е възможно това да стане само три века по-късно с помощта на много сложна теория.

Успехът на дъговата теория хипнотизира Нютон. Той погрешно предположи, че синьото небе и дъгата са причинени от една и съща причина. Дъга наистина пламва, когато слънчевите лъчи пробият рояк дъждовни капки. Но синьото на небето се вижда не само под дъжда! Напротив, при ясно време, когато няма дори намек за дъжд, небето е особено синьо. Как великият учен не забеляза това? Нютон смятал, че най-малките водни мехурчета, които според неговата теория образуват само синята част на дъгата, се носят във въздуха при всяко време. Но това беше заблуда.

Първо решение

Изминаха почти 200 години и друг английски учен, Рейли, се зае с този въпрос, без да се страхува, че задачата е невъзможна дори за великия Нютон.

Рейли е работил в оптиката. А хората, посветили живота си на изучаването на светлината, прекарват много време в тъмното. Чуждата светлина пречи на най-добрите експерименти; следователно прозорците на оптичната лаборатория почти винаги са покрити с черни, непроницаеми завеси.

Рейли прекара часове в мрачната си лаборатория сам със лъчи светлина, излизащи от инструментите. По пътя на лъчите те обикаляха като живи прахови частици. Те бяха ярко осветени и затова се открояваха на тъмния фон. Ученият, може би, дълго време в мисли, следваше плавните им движения, точно както човек наблюдава играта на искри в камина.

Не бяха ли тези прашинки, танцуващи в лъчите на светлината, подсказали на Рейли нова идея за произхода на цвета на небето?

Още в древни времена стана известно, че светлината се разпространява по права линия. Това важно откритие би могло да бъде направено от примитивен човек, наблюдавайки как, пробивайки се през пукнатините на хижата, слънчевите лъчи падат върху стените и пода.

Но едва ли го притесняваше мисълта защо вижда светлинни лъчи, гледайки ги отстрани. И тук има над какво да се замислим. В края на краищата слънчевата светлина е лъч от процепа до пода. Окото на наблюдателя е разположено отстрани и въпреки това вижда тази светлина.

Виждаме и светлината от прожектор, насочен към небето. Това означава, че част от светлината по някакъв начин се отклонява от прекия път и се изпраща към нашето око.

Какво го заблуждава? Оказва се, че самите прашинки, с които въздухът е пълен. Лъчи, разпръснати от прашинка, навлизат в окото ни, които, срещайки препятствия, отбиват от пътя и се разпространяват по права линия от разсейващата прашинка към окото ни.

„Не са ли тези прашинки, които оцветяват небето в синьо?“ Веднъж Рейли си помисли. Той изчисли математиката и предположението се превърна в увереност. Той намери обяснение за синьото небе, червените зори и синята мъгла! Разбира се, най-малките частици прах, чийто размер е по-малък от дължината на вълната на светлината, разсейват слънчевата светлина и колкото повече, толкова по-къса е дължината на вълната, обявява Рейли през 1871 година. И тъй като виолетовите и сините лъчи във видимия слънчев спектър имат най-късата дължина на вълната, те се разпръскват най-силно, придавайки на небето син цвят.

Слънцето и снежните върхове се подчиниха на това изчисление от Рейли. Те дори потвърдиха теорията на учения. При изгрев и залез, когато слънчевата светлина преминава през най-голямата дебелина на въздуха, виолетовите и сините лъчи, казва теорията на Рейли, се разпръскват най-силно. В същото време те се отклоняват от прекия път и не попадат в очите на наблюдателя. Наблюдателят вижда предимно червени лъчи, които се разпръскват много по-слабо. Следователно при изгрев и залез слънцето ни се вижда червено. По същата причина върховете на далечните снежни планини също изглеждат розови.

Поглеждайки към чистото небе, ние виждаме синьо-сини лъчи, които се отклоняват от правия път поради разсейване и попадат в очите ни. И мъглата, която понякога виждаме близо до хоризонта, също ни се струва синя.

Досадна дреболия

Хубаво обяснение, нали? Той беше толкова увлечен от самия Рейли, учените бяха толкова изумени от хармонията на теорията и победата на Рейли над Нютон, че никой от тях не забеляза едно просто нещо. И въпреки това тази дреболия трябваше да промени напълно тяхната оценка.

Кой би отрекъл, че далеч от града, където във въздуха има много по-малко прах, синият цвят на небето е особено ясен и ярък? Трудно беше да се отрече това на самия Рейли. И така ... праховите частици не разсейват ли светлината? Какво тогава?

Той отново преразгледа всичките си изчисления и се увери, че неговите уравнения са правилни, но това означава, че разсейващите частици наистина не са прахови частици. В допълнение, праховите частици, които се намират във въздуха, са много по-големи от дължината на вълната на светлината и изчисленията убедиха Рейли, че голямото им натрупване не увеличава синьото на небето, а, напротив, го отслабва. Разсейването на светлината от големи частици слабо зависи от дължината на вълната и следователно не предизвиква промяна в цвета си.

Когато светлината се разсейва от големи частици, както разсеяната, така и предаваната светлина остава бяла, поради което появата на големи частици във въздуха придава белезникав цвят на небето, а натрупването на голям брой големи капчици причинява белия цвят на облаците и мъглата. Лесно е да проверите това на обикновена цигара. Димът, излизащ от него отстрани на мундщука, винаги изглежда белезникав, а димът, издигащ се от изгарящия му край, има синкав цвят.

Най-малките частици дим, издигащи се над изгарящия край на цигара, са по-малки от дължината на вълната на светлината и в съответствие с теорията на Рейли те се разпръскват предимно в лилаво и синьо. Но когато преминават през тесни канали в дебелината на тютюна, димните частици се слепват (коагулират), комбинирайки се в по-големи бучки. Много от тях стават по-големи от дължините на вълните на светлината и разпръскват всички светлинни вълни по един и същи начин. Ето защо димът, идващ отстрани на мундщука, изглежда белезникав.

Да, беше безполезно да се спори и защитава теорията, базирана на прахови частици.

И така, загадката на синия цвят на небето отново се появи пред учените. Но Рейли не се предаде. Ако синият цвят на небето е по-чист и по-ярък, по-чиста е атмосферата, разсъждава той, тогава цветът на небето не може да бъде причинен от нищо друго, освен от молекулите на самия въздух. Въздушните молекули, пише той в новите си статии, - това са най-малките частици, които разпръскват слънчевата светлина!

Този път Рейли беше много внимателен. Преди да съобщи новата си идея, той реши да я тества, някак да провери теорията с опит.

Случаят се представя през 1906г. На Рейли е помогнал американският астрофизик Абат, който изучава синьото сияние на небето в обсерваторията на планината Уилсън. Чрез обработка на резултатите от измерването на яркостта на сиянието на небето въз основа на теорията на разсейването на Rayleigh, Абат изчислява броя на молекулите, съдържащи се във всеки кубичен сантиметър въздух. Оказа се огромен брой! Достатъчно е да се каже, че ако разпределите тези молекули на всички хора, обитаващи земното кълбо, тогава всеки ще получи повече от 10 милиарда от тези молекули. Накратко, Абат открива, че във всеки кубичен сантиметър въздух при нормална температура и атмосферно налягане има 27 милиарда пъти милиард молекули.

Броят на молекулите в кубичен сантиметър газ може да бъде определен по различни начини въз основа на напълно различни и независими явления. Всички те водят до съвпадащи резултати и дават число, наречено число на Лошмид.

Този брой е добре известен на учените и неведнъж е служил като мярка и контрол при обяснението на явленията, които се случват в газовете.

И сега числото, получено от абат при измерване на сиянието на небето, съвпадна с голяма точност с броя на Лошмид. Но той използва теорията на Rayleigh за разсейване в своите изчисления. По този начин той ясно доказа, че теорията е вярна, молекулярното разсейване на светлината наистина съществува.

Изглеждаше, че теорията на Рейли е надеждно потвърдена чрез експеримент; всички учени я смятаха за безупречна.

Той стана общопризнат и влезе във всички учебници по оптика. Човек можеше да диша спокойно: най-накрая беше намерено обяснение на феномена, толкова познат и същевременно загадъчен.

Още по-изненадващо е, че през 1907 г. на страниците на известно научно списание отново се повдига въпросът: защо небето е синьо?!

Спор

Кой се осмели да постави под съмнение общоприетата теория на Рейли?

Колкото и да е странно, това беше един от най-запалените фенове и почитатели на Рейли. Може би никой не е оценявал и разбирал толкова добре Рейли, не е познавал работата му толкова добре, не се е интересувал толкова от неговата научна работа, колкото младият руски физик Леонид Манделщам.

- В природата на ума на Леонид Исаакович - припомни по-късно друг съветски учен, академик Н.Д. Папалекси - имаше много общи неща с Рейли. И не случайно пътищата на тяхната научна работа често вървяха успоредно и многократно се пресичаха.

Те се прекръстиха и този път по въпроса за произхода на цвета на небето. Преди това Манделщам обичаше главно радиотехниката. За началото на нашия век това беше съвсем нова научна област и малко хора я разбираха. След А.С. Попов (през 1895 г.) изминаха само няколко години и имаше много работа тук. За кратък период от време Манделщам извърши много сериозни изследвания в областта на електромагнитните трептения, приложени към радиотехническите устройства. През 1902 г. той защитава дисертацията си и на двадесет и три получава докторска степен по естествена философия от Страсбургския университет.

Занимавайки се с възбуждането на радиовълните, Манделщам, естествено, изучава произведенията на Рейли, който е признат авторитет в изследването на трептящите процеси. И младият лекар неизбежно се запозна с проблема с цвета на небето.

Но, запознавайки се с въпроса за цвета на небето, Манделщам не само показа заблудата, или, както той самият каза, „недостатъчността“ на общоприетата теория за молекулярното разсейване на светлината от Рейли, не само разкри тайната на синия цвят на небето, но и инициира изследвания, които доведоха до един от най-важните открития на физиката на XX век.

Всичко започна с спор за кореспонденция с един от най-великите физици, бащата на квантовата теория, М. Планк. Когато Манделщам се запознава с теорията на Рейли, тя го пленява с липсата на яснота и вътрешни парадокси, които за изненада на младия физик не забелязват стария, опитен Рейли. Неадекватността на теорията на Рейли беше особено ясно разкрита при анализа на друга теория, базирана на нея от Планк, за да се обясни затихването на светлината, когато тя преминава през оптично хомогенна прозрачна среда.

В тази теория беше взето за основа, че самите молекули на веществото, през които преминава светлината, са източници на вторични вълни. За създаването на тези вторични вълни, твърди Планк, се изразходва част от енергията на преминаващата вълна, която след това се отслабва. Виждаме, че тази теория се основава на теорията на Рейли за молекулярното разсейване и се основава на нейния авторитет.

Най-лесният начин да разберете същността на въпроса е чрез изследване на вълните на повърхността на водата. Ако вълна среща неподвижни или плаващи обекти (купчини, трупи, лодки и т.н.), тогава малки вълни се разпръскват във всички посоки от тези обекти. Това не е нищо повече от разсейване. Част от енергията на падащата вълна се изразходва за възбуждане на вторични вълни, които са доста аналогични на разсеяната светлина в оптиката. В този случай първоначалната вълна е отслабена - тя изчезва.

Плаващите обекти могат да бъдат много по-къси от дължината на вълната на пътуващата вода. Дори дребните зърна ще предизвикат вторични вълни. Разбира се, когато размерът на частиците намалява, вторичните вълни, които генерират, ще отслабнат, но все пак ще поемат енергията на основната вълна.

Приблизително така Планк си представя процеса на отслабване на светлинната вълна, когато тя преминава през газ, но ролята на зърната в неговата теория се играе от газовите молекули.

Манделщам се заинтересува от тази работа.

Мисловният поток на Манделщам също може да бъде обяснен с примера на вълните на повърхността на водата. Просто трябва да го обмислите по-отблизо. И така, дори малки зърна, плаващи по повърхността на водата, са източници на вторични вълни. Но какво се случва, ако тези зърна се изсипят толкова плътно, че да покрият цялата повърхност на водата? Тогава се оказва, че отделни вторични вълни, причинени от многобройни зърна, ще се сгънат по такъв начин, че да изгасят напълно онези части от вълните, които се движат в страни и назад, и разсейването ще спре. Ще има само вълна, която тече напред. Тя ще тича напред, без да отслабва изобщо. Единственият резултат от наличието на цялата маса на зърната ще бъде леко намаляване на скоростта на разпространение на първичната вълна. Особено важно е всичко това да не зависи от това дали зърната са неподвижни или се движат по повърхността на водата. Съвкупността от зърна просто ще действа като товар върху повърхността на водата, променяйки плътността на горния й слой.

Манделщам извърши математическо изчисление за случая, когато броят на молекулите във въздуха е толкова голям, че дори в такава малка площ като дължината на светлинната вълна се съдържа много голям брой молекули. Оказа се, че в този случай вторичните светлинни вълни, възбудени от отделни хаотично движещи се молекули, се събират по същия начин, както вълните в примера със зърна. Това означава, че в този случай светлинната вълна се разпространява без разсейване и затихване, но с малко по-ниска скорост. Това опроверга теорията на Рейли, който вярваше, че движението на разсейващите частици във всички случаи осигурява разсейването на вълните, което означава, че също така опровергава теорията на Планк, базирана на него.

И така, пясъкът е открит в основата на теорията на разсейването. Цялата величествена сграда се разклати и заплаши да рухне.

Съвпадение

Но какво да кажем за определянето на числото на Лошмид от измервания на синьото сияние на небето? В края на краищата опитът потвърди теорията на Релей за разсейване!

„Това съвпадение трябва да се счита за случайно“, пише Манделщам през 1907 г. в своя труд „За оптически еднородни и мътни медии“.

Манделщам показа, че нарушеното движение на молекулите не може да направи газ хомогенен. Напротив, в реалния газ винаги има най-малкото разреждане и кондензация в резултат на хаотично топлинно движение. Именно те водят до разсейване на светлината, тъй като нарушават оптичната еднородност на въздуха. В същата работа Манделщам пише:

"Ако средата е оптически неоднородна, тогава, най-общо казано, падащата светлина ще се разпръсне в страни."

Но тъй като размерите на нехомогенностите в резултат на хаотично движение са по-малки от дължината на светлинните вълни, вълните, съответстващи на виолетовите и сините части на спектъра, ще бъдат разпръснати главно. И това води по-специално до синия цвят на небето.

Така загадката на небесното синьо беше окончателно решена. Теоретичната част е разработена от Рейли. Физическата природа на разсейвачите е установена от Манделщам.

Голямата заслуга на Манделщам е, че той доказа, че предположението за съвършена хомогенност на газа е несъвместимо с факта, че светлината се разсейва в него. Той осъзна, че синият цвят на небето доказва, че хомогенността на газовете е само очевидна. По-точно, газовете изглеждат хомогенни само когато се изследват от груби инструменти, като барометър, везна или други инструменти, които едновременно се влияят от много милиарди молекули. Но светлинният лъч усеща несравнимо по-малки количества молекули, измерени само в десетки хиляди. И това е достатъчно, за да се установи безспорно, че плътността на газа непрекъснато е обект на малки местни вариации. Следователно среда, която е хомогенна от нашата „груба“ гледна точка, всъщност е нехомогенна. От "гледна точка на светлината" тя изглежда облачна и следователно разсейва светлината.

Случайните локални промени в свойствата на дадено вещество в резултат на топлинното движение на молекулите сега се наричат \u200b\u200bфлуктуации. След като изясни флуктуационния произход на молекулярното разсейване на светлината, Манделщам проправи пътя за нов метод за изследване на материята - флуктуационен или статистически метод, който по-късно е разработен от Смолуховски, Лоренц, Айнщайн и самият той в нов основен физически отдел - статистическа физика

Небето трябва да блести!

И така, тайната на синьото небе беше разкрита. Но изследването на разсейването на светлината не спря дотук. Обръщайки внимание на почти незабележимите промени в плътността на въздуха и обяснявайки цвета на небето чрез флуктуационно разсейване на светлината, Манделщам с повишения си инстинкт на учен открива нова, още по-фина черта на този процес.

В крайна сметка нехомогенностите на въздуха са причинени от случайни колебания в неговата плътност. Мащабът на тези случайни нехомогенности, плътността на бучките се променя с течение на времето. Следователно, разсъждава ученият, интензитетът също трябва да се променя с времето - силата на разсеяната светлина! В крайна сметка, колкото по-плътни са натрупванията на молекули, толкова по-интензивна е светлината, разпръсната върху тях. И тъй като тези съсиреци се появяват и изчезват хаотично, небето, просто казано, трябва да трепти! Силата на сиянието и цвета му трябва да се променят през цялото време (но много слабо)! Но някой някога е забелязал подобно трептене? Разбира се, че не.

Този ефект е толкова фин, че не можете да го видите с просто око.

Никой от учените също не е наблюдавал такава промяна в сиянието на небето. Самият Манделщам не е имал възможност да провери изводите на своята теория. Организацията на най-сложните експерименти беше възпрепятствана отначало от оскъдните условия на царска Русия, а след това и от трудностите от първите години на революцията, външната намеса и гражданската война.

През 1925 г. Манделщам става ръководител на катедрата в Московския университет. Тук той се срещна с изключителния учен и опитен експериментатор Григорий Самуилович Ландсберг. И така, обвързани от дълбоко приятелство и общи научни интереси, те заедно продължиха щурмуването на тайни, скрити в слабите лъчи на разпръсната светлина.

Оптичните лаборатории на университета през онези години все още бяха много бедни на инструменти. В университета нямаше нито едно устройство, което да може да открие трептенето на небето или онези малки разлики в честотите на падаща и разсеяна светлина, които теорията прогнозира, са резултат от това трептене.

Това обаче не спря изследователите. Те се отказаха от идеята да имитират небето в лабораторията. Това само би усложнило и без това финото преживяване. Те решиха да изследват не разсейването на бяла - сложна светлина, а разсейването на лъчи от една, строго определена честота. Ако те знаят точно честотата на падащата светлина, ще бъде много по-лесно да търсят тези честоти близо до нея, които трябва да възникнат по време на разсейването. В допълнение, теорията предполага, че наблюденията са по-лесни за извършване в твърди вещества, тъй като молекулите в тях са разположени много по-близо, отколкото в газовете, а разсейването е толкова по-голямо, колкото по-плътно е веществото.

Започна усилено търсене на най-подходящите материали. Накрая изборът падна върху кварцови кристали. Просто защото големите прозрачни кварцови кристали са по-лесно достъпни от всички други.

Подготвителните експерименти продължиха две години, бяха избрани най-чистите проби от кристали, техниката беше усъвършенствана, бяха установени признаци, чрез които несъмнено беше възможно да се разграничи разсейването върху кварцови молекули от разсейването върху случайни включвания, кристални нехомогенности и примеси.

Остроумие и труд

Липсвайки мощно оборудване за спектрален анализ, учените избраха гениално решение, което трябваше да направи възможно използването на наличните инструменти.

Основната трудност в тази работа беше, че много по-силна светлина беше насложена върху слабата светлина, причинена от молекулно разсейване, разпръснато от малки замърсители и други дефекти на тези кристални проби, получени за експерименти. Изследователите решиха да се възползват от факта, че разсеяната светлина, образувана от кристални дефекти и отражения от различни части на инсталацията, точно съвпада по честота с падащата светлина. Те се интересуваха само от светлина с честота, променена в съответствие с теорията на Манделщам, така че задачата беше да подчертае светлината с променена честота, причинена от молекулярно разсейване на фона на тази много по-ярка светлина.

За да може разсеяната светлина да има величина, достъпна за регистрация, учените решиха да осветят кварца с най-мощното осветително устройство, което им е на разположение: живачна лампа.

И така, светлината, разпръсната в кристал, трябва да се състои от две части: от слаба светлина с променена честота, дължаща се на молекулярно разсейване (изследването на тази част е била целта на учените) и от много по-силна светлина с непроменена честота, причинена от външни причини (тази част е вредна, затрудни изследването).

Идеята на метода е привлечена от неговата простота: необходимо е да се абсорбира светлина с постоянна честота и да се предава само светлина с променена честота в спектралния апарат. Но разликите в честотата бяха само няколко хилядни от процента. Никоя друга лаборатория в света не е разполагала с филтър, способен да разделя толкова близки честоти. Решение обаче беше намерено.

Разпръснатата светлина е преминала през съд с живачни пари. В резултат на това цялата „вредна“ светлина се „заби“ в съда и „полезната“ светлина премина без забележимо затихване. В този случай експериментаторите се възползваха от едно вече известно обстоятелство. Според квантовата физика атомът на материята е способен да излъчва светлинни вълни само с доста определени честоти. В същото време този атом също е способен да поглъща светлина. Освен това само светлинни вълни от тези честоти, които той самият може да излъчи.

В живачна лампа светлината се излъчва от живачни пари, които светят под въздействието на електрически разряд, който възниква вътре в лампата. Ако тази светлина бъде пропусната през съд, който също съдържа живачни пари, тя ще бъде почти напълно абсорбирана. Това, което теорията прогнозира, ще се случи: атомите на живака в съда ще абсорбират светлината, излъчвана от атомите на живака в лампата.

Светлината от други източници, като неонова лампа, ще премине през живачните пари невредими. Атомите на живака дори няма да му обърнат внимание. Тази част от светлината на живачната лампа, която се разсейва в кварц с промяна в дължината на вълната, също няма да бъде абсорбирана.

От това удобно обстоятелство се възползваха Манделщам и Ландсберг.

Удивително откритие

През 1927 г. започват решителни експерименти. Учените осветяват кварцовия кристал със светлината на живачна лампа и обработват резултатите. И ... бяха изненадани.

Резултатите от експеримента бяха неочаквани и необичайни. Учените не са намерили това, което са очаквали, а не това, което е предсказано от теорията. Те откриха съвсем ново явление. Но кой? И това не е ли грешка? В разсеяната светлина бяха открити не очаквани честоти, а много по-високи и по-ниски честоти. В спектъра на разсеяната светлина се появи цяла комбинация от честоти, които не присъстваха при падащата светлина върху кварца. Просто беше невъзможно да се обясни появата им с оптични нехомогенности в кварца.

Започна щателна проверка. Експериментите са проведени безупречно. Те бяха замислени толкова умно, съвършено и гениално, че човек не можеше да не им се възхищава.

- Толкова красиво, а понякога и блестящо, Леонид Исаакович понякога просто решаваше много трудни технически проблеми, които неволно всеки от нас имаше въпрос: „Защо не ми се е случвало преди това?“ - казва един от служителите.

Различни контролни експерименти последователно потвърждават, че няма грешка. На снимките на спектъра на разсеяната светлина се запазват слаби и въпреки това съвсем очевидни линии, показващи наличието на „допълнителни“ честоти в разсеяната светлина.

В продължение на много месеци учените търсят обяснение на това явление. Откъде дойдоха „извънземните“ честоти в дифузната светлина?!

И дойде денят, когато Манделщам беше поразен от невероятно предположение. Това беше невероятно откритие, което сега се смята за едно от най-важните открития на 20-ти век.

Но и Манделщам, и Ландсберг стигнаха до единодушното решение, че това откритие може да бъде публикувано само след солидна проверка, след изчерпателно проникване в дълбините на явлението. Започнаха финалните експерименти.

С помощта на слънцето

На 16 февруари индийски учени C.N. Раман и К.С. Кришнан изпрати телеграма от Калкута до това списание с кратко описание на откритието си.

В онези години до списание „Природа“ се стичаха писма от цял \u200b\u200bсвят за различни открития. Но не всяко съобщение е предназначено да предизвика вълнение сред учените. Когато въпросът с писмо от индийски учени излезе от печат, физиците бяха много развълнувани. Самото заглавие на бележката - „Нов тип вторично излъчване“ - предизвика интерес. В крайна сметка оптиката е една от най-старите науки и не е било често възможно да се открие нещо непознато в нея през 20 век.

Може да си представим с какъв интерес физиците по целия свят са очаквали нови писма от Калкута.

Интересът им до голяма степен се подхранва от личността на един от авторите на откритието Раман. Това е човек с любопитна съдба и изключителна биография, много подобна на тази на Айнщайн. В младостта си Айнщайн е бил обикновен учител в гимназията, а след това служител в патентното ведомство. През този период той завършва най-значимите си творби. Раман, блестящ физик, също след завършване на университета е принуден да служи във финансовия департамент в продължение на десет години и едва след това е поканен в департамента на университета в Калкута. Скоро Раман става признат ръководител на Индийското училище по физика.

Не след дълго преди описаните събития Раман и Кришнан бяха увлечени от интересна задача. Тогава страстите, предизвикани през 1923 г. от откритието на американския физик Комптън, който, изучавайки преминаването на рентгеновите лъчи през материята, открива, че някои от тези лъчи, разсейващи се от първоначалната посока, увеличават дължината на вълната си, все още не са утихнали. Преведено на езика на оптиката, можем да кажем, че рентгеновите лъчи, сблъсквайки се с молекули на материята, са променили своя "цвят".

Това явление беше лесно обяснимо от законите на квантовата физика. Следователно откритието на Комптън е едно от решаващите доказателства за правилността на младата квантова теория.

Нещо подобно, но в оптиката решихме да опитаме. открит от индийски учени. Те искаха да пропуснат светлината през веществото и да видят как лъчите му ще се разпръснат върху молекулите на веществото и дали дължината на вълната им ще се промени.

Както можете да видите, волно или неволно индийските учени си поставят същата задача като съветските учени. Но целите им бяха различни. В Калкута се търси оптична аналогия за ефекта на Комптън. В Москва - експериментално потвърждение на прогнозата на Манделщам за промяна на честотата в разсейването на светлината чрез флуктуиращи нехомогенности.

Раман и Кришнан замислиха трудно преживяване, защото очакваният ефект трябваше да бъде изключително малък. Експериментът изисква много ярък източник на светлина. И тогава те решиха да използват слънцето, събирайки лъчите му с телескоп.

Диаметърът на лещата му беше осемнадесет сантиметра. Изследователите изпращат събраната светлина през призма до съдове, в които се поставят течности и газове, внимателно почистени от прах и други замърсители.

Но беше безнадеждно да се открие очакваното малко удължение на разсеяната светлина с помощта на бяла слънчева светлина, която съдържа почти всички възможни дължини на вълните. Затова учените решиха да използват светлинни филтри. Те поставиха синьо-виолетов филтър пред обектива и наблюдаваха разсеяната светлина през жълто-зелен филтър. Те правилно решиха, че това, което пропусна първият филтър, ще заседне във втория. В края на краищата жълто-зеленият филтър абсорбира синьо-виолетовите лъчи, предавани от първия филтър. И двете, поставени една след друга, трябва да поемат цялата падаща светлина. Ако някакви лъчи попаднат в окото на наблюдателя, тогава ще бъде възможно да се каже с увереност, че те не са били в падащата светлина, а са родени в изследваното вещество.

Колумб

В действителност в дифузната светлина Раман и Кришнан откриха лъчи, преминаващи през втория филтър. Те записват допълнителни честоти. По принцип това може да е оптичният ефект на Комптън. Тоест, когато се разпръсне от молекулите на веществото в съдовете, синьо-виолетовата светлина може да промени цвета си и да стане жълто-зелена. Но това все още трябваше да бъде доказано. Може да има и други причини за появата на жълто-зелена светлина. Например, може да се появи в резултат на луминисценция - слабо сияние, което често се появява в течности и твърди вещества под въздействието на светлина, топлина и други причини. Очевидно имаше едно нещо - тази светлина се роди отново, тя не се съдържаше в падащата светлина.

Учените повториха експеримента си с шест различни течности и два вида пари. Те се увериха, че нито луминисценцията, нито други причини играят роля тук.

Фактът, че дължината на вълната на видимата светлина се увеличава, когато се разпръсне в материята, изглежда на Раман и Кришнан е установен. Изглеждаше, че търсенето им е увенчано с успех. Те откриха оптична аналогия с ефекта на Комптън.

Но за да могат експериментите да имат завършена форма и заключенията да са достатъчно убедителни, трябваше да се направи още една част от работата. Не беше достатъчно да се засече промяната в дължината на вълната. Беше необходимо да се измери големината на тази промяна. Първият помогна да се направи светлинен филтър. Беше безсилен да направи второто. Тук учените се нуждаеха от спектроскоп - устройство, което може да измерва дължината на вълната на изследваната светлина.

И изследователите започнаха втората част, не по-малко трудна и старателна. Но тя също отговори на техните очаквания. Резултатите отново потвърдиха заключенията от първата част на работата. Дължината на вълната обаче беше неочаквано дълга. Много повече от очакваното. Изследователите не се смутиха от това.

Как да не си спомня тук за Колумб? Стреми се да намери морски път до Индия и, виждайки сушата, не се съмнява, че е постигнал целта си. Имаше ли основание да се съмнява в доверието си в погледа на Червенокожите и непознатата природа на Новия свят?

Нали Раман и Кришнан, опитвайки се да открият ефекта на Комптън във видима светлина, си мислеха, че са го открили, като изследват светлината, преминала през техните течности и газове?! Съмняваха ли се, когато измерванията показаха неочаквано по-голяма промяна в дължината на вълната на разсеяните лъчи? Какъв извод са направили от откритието си?

Според индийски учени те са намерили това, което са търсили. На 23 март 1928 г. телеграма отлетя за Лондон със статия, озаглавена „Оптична аналогия на ефекта на Комптън“. Учените писаха: "По този начин оптичната аналогия на ефекта на Комптън е очевидна, с изключение на това, че имаме работа с промяна в дължината на вълната, много по-голяма ..." Забележка: "много по-голяма ..."

Танц на атомите

Работата на Раман и Кришнан беше посрещната с бурни овации сред учените. Всички с право се възхищаваха на експерименталното им изкуство. За това откритие Раман е удостоен с Нобелова награда през 1930 година.

Към писмото на индийските учени е приложена снимка от спектъра, в която линиите заемат местата си, изобразявайки честотата на падащата светлина и светлината, разпръсната от молекулите на веществото. Тази снимка, според Раман и Кришнан, илюстрира откритието им по-ясно.

Когато Манделщам и Ландсберг погледнаха тази снимка, те видяха почти точно копие на снимката, която бяха направили! Но когато се запознаха с нейното обяснение, веднага разбраха, че Раман и Кришнан грешат.

Не, не индийските учени откриха ефекта на Комптън, а съвсем различно явление, същото, което съветските учени изучават от много години ...

Докато вълнението, предизвикано от откритието на индийските учени, нарастваше, Манделщам и Ландсберг приключваха контролните експерименти, обобщавайки последните решителни резултати.

И на 6 май 1928 г. те изпращат статия за печат. Снимка на спектъра беше приложена към статията.

Накратко очертавайки историята на проблема, изследователите дадоха подробна интерпретация на явлението, което откриха.

И така, какво беше това явление, което накара много учени да страдат и да си чупят главите?

Дълбоката интуиция и ясен аналитичен ум на Манделщам незабавно подтикват учения, че откритите промени в честотата на разсеяната светлина не могат да бъдат причинени от онези междумолекулни сили, които изравняват случайните повторения на плътността на въздуха. За учения стана ясно, че причината несъмнено се крие в самите молекули на веществото, че явлението се причинява от вътремолекулни вибрации на атомите, образуващи молекулата.

Такива колебания се случват с много по-висока честота от тези, които съпътстват образуването и резорбцията на случайни нехомогенности на средата. Именно тези вибрации на атомите в молекулите влияят върху разсеяната светлина. Атомите като че ли го маркират, оставят следите си върху него, кодират го с допълнителни честоти.

Това беше най-красивото предположение, дръзкото навлизане на човешката мисъл отвъд кордона на малка природна крепост - молекула. И тази интелигентност е донесла най-ценната информация за нейната вътрешна структура.

Ръка за ръка

Така че, когато се опитва да открие малка промяна в честотата на разсеяната светлина, причинена от междумолекулни сили, беше открита по-голяма промяна в честотата, причинена от вътремолекулни сили.

По този начин, за да се обясни новото явление, получило името „раманово разсейване на светлината“, беше достатъчно да се допълни теорията за молекулярното разсейване, създадена от Манделщам, с данни за влиянието на вибрациите на атомите вътре в молекулите. Новият феномен е открит в резултат на развитието на идеята на Манделщам, формулирана от него още през 1918 година.

Да, не без основание, както академик С.И. Вавилов, „Природата дари Леонид Исаакович с напълно необичаен, проницателен, фин ум, който веднага забеляза и разбра основното, което мнозинството отмина безразлично. Така беше разбрана флуктуационната същност на разсейването на светлината и се появи идеята за промяна на спектъра по време на разсейването на светлината, която стана основа за откриването на раманово разсейване. "

Впоследствие от това откритие бяха получени огромни ползи и то получи ценни практически приложения.

В момента на откриването си той изглеждаше само най-ценният принос към науката.

Ами Раман и Кришнан? Как реагираха на откритието на съветските учени и на своите също? Разбраха ли какво са открили?

Отговорът на тези въпроси се съдържа в следващото писмо от Раман и Кришнан, което те изпращат до пресата 9 дни след публикуването на статията от съветските учени. Да, те разбраха - феноменът, който наблюдават, не е ефектът на Комптън. Това е Раманово разсейване на светлината.

След публикуването на писмата на Раман и Кришнан и статиите на Манделщам и Ландсберг, стана ясно за учените от цял \u200b\u200bсвят, че едно и също явление е направено независимо и практически едновременно направено и изучавано в Москва и Калкута. Но московските физици са го изследвали в кварцови кристали, а индийските в течности и газове.

И този паралелизъм, разбира се, не беше случаен. Тя говори за спешността на проблема, голямото му научно значение. Не е изненадващо, че резултатите, близки до заключенията на Манделщам и Раман в края на април 1928 г., също са получени независимо от френските учени Рокард и Кабан. След известно време учените си спомниха, че през 1923 г. чешкият физик Смекал теоретично прогнозира същото явление. След работата на Смекал се появяват теоретичните изследвания на Крамерс, Хайзенберг, Шрьодингер.

Очевидно само липсата на научна информация може да обясни факта, че учените в много страни са работили върху решаването на един и същ проблем, без дори да знаят за него.

Тридесет и седем години по-късно

Изследванията на Раманово разсейване не само отвориха нова глава в науката за светлината. В същото време те дадоха мощни оръжия на технологиите. Индустрията има чудесен начин да изследва свойствата на дадено вещество.

В края на краищата честотите на Раманово разсейване на светлината са отпечатъци, които се наслагват върху светлината от молекулите на средата, които разсейват светлината. И в различни вещества тези отпечатъци не са еднакви. Това е, което даде право на академик Манделщам да нарича разсейването на светлината на Раман „езикът на молекулите“. За тези, които могат да разчитат следите от молекули върху лъчите на светлината, да определят състава на разсеяната светлина, молекулите, използвайки този език, ще разкажат за тайните на тяхната структура.

Негативът на снимката на комбинирания спектър не съдържа нищо друго освен линии с различна чернота. Но от тази снимка специалистът ще изчисли честотите на вътремолекулни вибрации, появили се в разсеяната светлина, след като е преминала през веществото. Картината ще разкаже за много непознати досега аспекти от вътрешния живот на молекулите: за тяхната структура, за силите, които свързват атомите в молекули, за относителните движения на атомите. Научавайки се да дешифрират спектрограмите на Раман, физиците се научиха да разбират вида „светлинен език“, който молекулите използват, за да разказват за себе си. Така че новото откритие направи възможно проникването по-дълбоко във вътрешната структура на молекулите.

Днес физиците използват Раманово разсейване, за да изследват структурата на течности, кристали и стъкловидни вещества. Химиците използват този метод, за да определят структурата на различни съединения.

Методи за изследване на материята, използващи явлението на Раманово разсейване на светлината, са разработени от служители на лабораторията на П.Н. Лебедев от Академията на науките на СССР, начело с академик Ландсберг.

Тези методи позволяват във фабрична лаборатория бързо и точно да извършват количествени и качествени анализи на авиационни бензини, крекинг продукти, рафинирани петролни продукти и много други сложни органични течности. За да направите това, достатъчно е да осветите изследваното вещество и да определите състава на разсеяната от него светлина със спектрограф. Изглежда много просто. Но преди този метод да се окаже наистина удобен и бърз, учените трябваше да работят много по създаването на точно, чувствително оборудване. И ето защо.

От общото количество светлинна енергия, постъпваща в изследваното вещество, само незначителна част - около една десет милиардна част - е разсеяна светлина. А разсейването на Раман рядко представлява дори два или три процента от тази стойност. Очевидно това е причината самото разсейване на Раман да остане незабелязано дълго време. И не е изненадващо, че получаването на първите снимки на Раман изисква експозиции с продължителност десетки часове.

Съвременното оборудване, създадено у нас, дава възможност да се получи комбиниран спектър от чисти вещества в рамките на няколко минути, а понякога дори секунди! Дори за анализ на сложни смеси, в които отделни вещества са включени в количество от няколко процента, обикновено е достатъчна експозиция от не повече от час.

Изминаха тридесет и седем години, откакто езикът на молекулите, записани на фотографски плочи, беше открит, дешифриран и разбран от Манделщам и Ландсберг, Раман и Кришнан. Оттогава целият свят работи усилено, за да състави „речник“ на езика на молекулите, който оптиката нарича каталог на Рамановите честоти. Когато се състави такъв каталог, интерпретацията на спектрограмите ще бъде значително улеснена и Рамановото разсейване на светлината ще стане още по-пълно в услуга на науката и индустрията.

Общинска бюджетна образователна институция

"Кисловское средно училище" на Томска област

Изследвания

Тема: "Защо залезът е червен ..."

(Светлинна дисперсия)

Завършена работа:,

ученик от 5А клас

Глава;

учител по химия

1. Въведение ………………………………………………… 3

2. Основна част …………………………………………… 4

3. Какво е светлина …………………………………………… .. 4

Предмет на обучение - залез и небе.

Изследователски хипотези:

Слънцето има лъчи, които оцветяват небето в различни цветове;

Червеното може да се получи при лабораторни условия.

Актуалността на моята тема се крие във факта, че тя ще бъде интересна и полезна за слушателите, защото толкова много хора гледат ясното синьо небе, възхищават му се и малцина знаят защо е толкова синьо през деня, а при залез слънце е червено и какво дава такъв цвят за него.

2. Основна част

На пръв поглед този въпрос изглежда прост, но всъщност той засяга най-дълбоките аспекти на пречупването на светлината в атмосферата. Преди да можете да разберете отговора на този въпрос, трябва да имате представа какво представлява светлината..jpg "align \u003d" left "height \u003d" 1 src \u003d "\u003e

Какво е светлина?

Слънчевата светлина е енергия. Топлината на слънчевите лъчи, фокусирана от лещата, се превръща в огън. Светлината и топлината се отразяват от белите повърхности и се абсорбират от черните. Ето защо белите дрехи са по-студени от черните.

Каква е природата на светлината? Исак Нютон беше първият, който се опита сериозно да изучава светлината. Той вярваше, че светлината се състои от частици на корпускули, които се изстрелват като куршуми. Но някои от характеристиките на светлината не могат да бъдат обяснени от тази теория.

Друг учен, Хюйгенс, предложи различно обяснение за същността на светлината. Той разработи „вълнова“ теория за светлината. Той вярваше, че светлината създава импулси или вълни по същия начин, по който камък, хвърлен в езерце, създава вълни.

Какви възгледи имат днес учените относно произхода на светлината? В момента се смята, че светлинните вълни имат характеристики и частици и вълни едновременно. Провеждат се експерименти за потвърждаване на двете теории.

Светлината се състои от фотони - безтегловни частици, които нямат маса, пътуват със скорост около 300 000 км / сек и имат вълнови свойства. Честотата на вълновите вибрации на светлината определя нейния цвят. Освен това, колкото по-висока е честотата на вибрациите, толкова по-къса е дължината на вълната. Всеки цвят има своя собствена честота на вибрации и дължина на вълната. Бялата слънчева светлина се състои от много цветове, които могат да се видят чрез пречупване през стъклена призма.

1. Призма разлага светлината.

2. Бялата светлина е сложна.

Ако се вгледате внимателно в преминаването на светлината през триъгълна призма, можете да видите, че разлагането на бялата светлина започва веднага щом светлината премине от въздух към стъкло. Вместо стъкло можете да вземете други материали, прозрачни за светлина.

Забележително е, че този опит е оцелял от векове и неговата методология все още се използва в лабораториите без значителни промени.

dispersio (лат.) - разсейване, разсейване - разпръскване

Дисперсията на Нютон.

И. Нютон е първият, който изучава феномена на дисперсията на светлината и се счита за едно от най-важните му научни постижения. Нищо чудно на неговия надгробен камък, издигнат през 1731 г. и украсен с фигури на млади мъже, които държат неговата емблема големи открития, една фигура държи призма, а надписът на паметника съдържа думите: „Той разследва разликата между светлинните лъчи и различните свойства, които се появяват едновременно, за които никой не е подозирал преди това“. Последното твърдение не е съвсем точно. Дисперсията е била известна по-рано, но не е проучена подробно. Подобрявайки телескопите, Нютон обърна внимание на факта, че изображението, дадено от лещата, е оцветено по краищата. Изследвайки рефракционно оцветени ръбове, Нютон прави своите открития в областта на оптиката.

Видим спектър

Когато белият лъч се разложи в призма, се образува спектър, в който излъчването с различни дължини на вълната се пречупва под различни ъгли. Цветовете, включени в спектъра, т.е. онези цветове, които могат да бъдат получени чрез светлинни вълни със същата дължина (или много тесен диапазон), се наричат \u200b\u200bспектрални цветове. Основните спектрални цветове (които имат свое име), както и характеристиките на емисиите на тези цветове, са представени в таблицата:

Всеки „цвят” в спектъра трябва да бъде свързан със светлинна вълна с определена дължина

Най-простата представа за спектъра може да бъде получена чрез гледане на дъга. Бялата светлина, пречупваща се във водни капчици, образува дъга, тъй като се състои от много лъчи от всички цветове и те се пречупват по различни начини: червената - най-слабата, синята и виолетовата - най-силната. Астрономите изучават спектрите на Слънцето, звездите, планетите, кометите, тъй като от спектрите може да се научи много.

Азот. Червената и синята светлина взаимодействат по различен начин с кислорода. Тъй като дължината на вълната на синьото е приблизително размерът на кислородния атом и поради това синьото светлината се разсейва от кислород в различни посоки, докато червената светлина тихо преминава през атмосферния слой. Всъщност виолетовата светлина се разсейва още повече в атмосферата, но човешкото око е по-малко податливо на нея, отколкото на синя светлина. човек от всички страни улавя синята светлина, разпръсната от кислорода, което прави небето синьо за нас.

Без атмосфера на Земята Слънцето щеше да ни се появи като ярка бяла звезда, а небето щеше да е черно.

0 "style \u003d" border-kolaps: колапс; граница: няма "\u003e

Необичайни явления

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg "alt \u003d" (! LANG: Aurora Borealis" align="left" width="140" height="217 src=">!} Полярни светлини От древни времена хората са се възхищавали на величествената картина на полярното сияние и са се чудили за произхода им. Едно от най-ранните споменавания за сияние се среща при Аристотел. В неговата „Метеорология“, написана преди 2300 години, можете да прочетете: „Понякога в ясни нощи се наблюдават много явления в небето - пропуски, пропуски, кървавочервен цвят ...

Изглежда, че пламък гори. "

Какво лъч изчиства през нощта?

Какво удря тънкият пламък върху небосвода?

Като мълния без страховити облаци

Стремеж от земята към зенита?

Как може да е, че замръзнала топка

Имаше ли пожар посред зима?

Какво е полярно сияние? Как се формира?

Отговор. Полярното сияние е луминесцентно сияние в резултат на взаимодействието на заредени частици (електрони и протони), летящи от Слънцето, с атоми и молекули на земната атмосфера. Появата на тези заредени частици в определени области на атмосферата и на определени височини е резултат от взаимодействието на слънчевия вятър с магнитното поле на Земята.

Аерозолни "href \u003d" / text / category / ayerozolmz / "rel \u003d" bookmark "\u003e аерозолно разсейване на прах и влага, те са основната причина за разлагането на слънчевия цвят (дисперсия). В зенитна позиция честотата на слънчевия лъч върху аерозолните въздушни компоненти възниква почти под прав ъгъл, техният слой между очите на наблюдателя и слънцето е незначителен. Колкото по-ниско е слънцето, слизащо до линията на хоризонта, толкова повече се увеличава дебелината на атмосферния въздушен слой и количеството аерозолна суспензия в него. Слънчевите лъчи спрямо наблюдателя променят ъгъла на падане върху частиците от суспензията, след това се наблюдава дисперсията на слънчевата светлина. Така, както беше споменато по-горе, слънчевата светлина се състои от седем основни цвята. Всеки цвят, подобно на електромагнитната вълна, има своя дължина и способност да се разсейва в атмосферата. Червеният цвят има най-малка способност да се разпръсква (следователно, абсорбира) в атмосферата. дисперсия всички цветове, които следват червеното по скалата, се разпръскват от компонентите на аерозолната суспензия и се абсорбират от тях. Наблюдателят вижда само червено. Това означава, че колкото по-дебел е слоят атмосферен въздух, толкова по-голяма е плътността на суспендираното вещество, толкова повече спектър лъчи ще бъдат разпръснати и погълнати. Добре известен природен феномен: след мощното изригване на вулкана Кракатаа през 1883 г. на различни места на планетата в продължение на няколко години се наблюдават необичайно ярки, червени залези. Това се дължи на мощното изпускане на вулканичен прах в атмосферата по време на изригването.

Не мисля, че изследванията ми ще свършат дотук. Все още имам въпроси. Искам да знам:

Какво се случва, когато светлинните лъчи преминават през различни течности, разтвори;

Как светлината се отразява и поглъща.

След като завърших тази работа, се убедих колко изненадващо и полезно за практическата дейност може да бъде феноменът на пречупване на светлината. Именно това ми позволи да разбера защо залезът е червен.

Литература

1., Физика. Химия. 5-6 cl. Учебник. М.: Дрофа, 2009, стр. 106

2. Булат е явление в природата. М.: Образование, 1974, 143 с.

3. "Кой прави дъгата?" - Quant 1988, No 6, стр. 46.

4. Лекции по оптика. Тарасов сред природата. - М.: Образование, 1988

Интернет ресурси:

1. http: // potomy. ru / Защо небето е синьо?

2. http: // www. voprosy-kak-i-pochemu. ru Защо небето е синьо?

3.http: // опитност. ru / категория / образование /

Известно е, че синьо небе - Това е причината за взаимодействието на озоновия слой и слънчевата светлина. Но какво точно се случва по отношение на физиката и защо небето е синьо? Имаше няколко теории за този резултат. Всички те в крайна сметка потвърждават, че основната причина е атмосферата. Но е обяснен и механизмът на взаимодействие.

Основният факт е за слънчевата светлина. Известно е, че слънчевата светлина е бяла. Бялото е сумата от всички спектри... Той може да се разложи на дъга (или спектри) при преминаване през дисперсионна среда.

Въз основа на този факт учените са предложили няколко теории.

Първата теория обясни синия цвят с това разсейване от частици в атмосферата. Предполагаше се, че голямо количество механичен прах, частици от цветен прашец, водна пара и други малки включвания работят като дисперсионна среда. В резултат до нас достига само синкавият цветен спектър. Но как тогава да обясним, че цветът на небето не се променя през зимата или на север, където има по-малко такива частици или естеството им е различно? Теорията бързо беше отхвърлена.

Следваща теория предполага се, че бял светлинен поток преминава през атмосферата, която се състои от частици. Когато светлинен лъч премине през тяхното поле, частиците се възбуждат. Активираните частици започват да излъчват допълнителни лъчи. Това превръща слънчевия цвят в синкав цвят. В допълнение към механичното разсейване и разпръскване, бялата светлина активира и атмосферните частици. Явлението прилича на луминисценция. В момента това обяснение е.

Най-новата теория най-простата и е достатъчно да се обясни основната причина за явлението. Значението му е много подобно на предишните теории. Въздухът е способен да разсейва светлина през спектрите. Това е основната причина за синьото сияние. Светлината с къси дължини на вълната се разпространява по-интензивно от светлината с къса дължина на вълната. Тези. виолетовото е по-дифузно от червеното. Този факт обяснява промяната в цвета на небето при залез слънце. Достатъчно е да смените ъгъла на слънцето. Това се случва, когато земята се върти и цветът на небето се променя на оранжево-розов при залез слънце. Колкото по-високо е слънцето над хоризонта, толкова по-синя светлина ще видим. Причината за всичко е същата дисперсия или явлението на разлагането на светлината в спектри.

В допълнение към всичко това трябва да разберете, че всички горепосочени фактори не могат да бъдат изключени. В крайна сметка всеки от тях допринася някак си за цялостната картина. Например, преди няколко години в Москва, в резултат на обилен цъфтеж на растения през пролетта, се образува плътен облак от цветен прашец. Оцвети небето зелен цвят... Това е доста рядко явление, но показва, че има и отхвърлената теория за микрочастиците във въздуха. Вярно е, че тази теория не е изчерпателна.