Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Играя на улице, я однажды обратил внимание на небо, оно было необыкновенное: бездонное, бесконечное и голубое, голубое! И лишь облака слегка прикрывали этот голубой цвет. Я задумался, а почему небо окрашено в голубой цвет? Тут же вспомнилась песенка лисы Алисы из сказки про Буратино «Какое небо голубое…!» и урок географии, где мы, изучая тему «Погода» описывали состояние неба, и тоже говорили, что оно голубого цвета. Так все - таки, почему небо голубое? Придя домой, я задал этот вопрос маме. Она мне рассказала, что когда люди плачут, они просят у неба помощи. Небо забирает их слезинки, поэтому оно как, озеро, становится голубым. Но рассказ мамы не удовлетворил мой вопрос. Я решил выяснить у своих одноклассников и учителей, знают ли они, почему небо голубое? В анкетировании приняли участие 24 ученика и 17 педагогов. Обработав анкеты, получили следующие результаты:
В школе на уроке географии этот вопрос я задал учителю. Она мне ответила, что цвет неба можно легко объяснить с точки зрения физики. Это явление называется дисперсией. Из википедии я узнал, что дисперсия - это процесс разложения света на спектр. Учитель по географии Лариса Борисовна предложила мне пронаблюдать это явление опытным путем. И мы отправились в кабинет физики. Василий Александрович, преподаватель физики нам охотно согласился в этом помочь. При помощи специального оборудования мне удалось проследить, как в природе происходит процесс дисперсии.
Для того, чтобы найти ответ на вопрос почему небо голубое мы решили провести исследование. Так появилась идея написания проекта. С моим руководителем мы определили тему, цель и задачи исследования, выдвинули гипотезу, определили методы исследования и механизмы реализации нашей идеи.
Гипотеза : свет на Землю посылает Солнце и чаще всего, когда мы смотрим на него, он нам кажется ослепительно белым. Значит и небо должно быть белого цвета? Но на самом деле небо голубое. В ходе исследования найдем объяснения этим противоречиям.
Цель : найти ответ на вопрос, почему небо голубое и выяснить, от чего зависит его цвет.
Задачи: 1. Ознакомиться с теоретическим материалом по теме
2. Экспериментально изучить явление дисперсии света
3. Понаблюдать за цветом неба в разное время суток и при разной погоде
Объект исследования : небо
Предмет: свет и цвет неба
Методы исследования: анализ, эксперимент, наблюдение
Этапы работы:
1. Теоретический
2. Практический
3. Заключительный: выводы по теме исследования
Практическое значение работы : материалы исследования можно использовать на уроках географии и физики в качестве учебного модуля.
2. Основная часть.
2.1. Теоретические аспекты проблемы. Явление голубого неба с точки зрения физики
Почему небо голубое - очень трудно найти ответ на такой простой вопрос. Сначала дадим определение понятию. Небо — пространство над Землёй или поверхностью любого другого астрономического объекта. В целом, небом обычно называют панораму, открывающуюся при взгляде с поверхности Земли (или другого астрономического объекта) в направлении космоса.
Многие ученые ломали себе головы в поисках ответа. Леонардо да Винчи, наблюдая за огнем в камине, писал: «Светлота поверх темноты становится синей». Но сегодня известно, что слияние белого и черного цвета дает серый цвет.
Рис. 1. Гипотеза Леонардо да Винчи
Исаак Ньютон почти объяснил цвет неба, правда, для этого ему пришлось допустить, что капли воды, содержащиеся в атмосфере имеют тонкие стенки наподобие мыльных пузырей. Но оказалось, что эти капли являются сферами, а значит, не имеют толщины стенки. Так мыльный пузырь Ньютона и лопнул!
Рис. 2. Гипотеза Ньютона
Наилучшее решение проблемы около 100 лет назад предложил английский физик лорд Джон Рэлей. Но начнем сначала. Солнце излучает ослепительно белый свет, значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все-таки голубое. Что происходит с белым светом в атмосфере? Он, проходя через атмосферу, как через призму, распадается на семь цветов. Вам наверняка известны эти строчки: каждый охотник желает знать, где сидит фазан. В этих предложениях сокрыт глубокий смысл. Они представляют нам основные цвета в спектре видимого света.
Рис. 3. Спектр белого света.
Лучшая природная демонстрация этого спектра, конечно же, радуга.
Рис. 4 Спектр видимого света
Видимый свет - это электромагнитное излучение, волны которого имеют разную длину. Есть и не видимый свет, его наш глаз не воспринимает. Это ультрафиолетовый и инфракрасный. Мы его не видим, потому что его длина либо слишком велика, либо слишком мала. Видеть свет, значит воспринимать его цвет, а вот какой цвет мы будем увидеть, зависит от длины волны. Самые длинные видимые волны - красные, а самые короткие - фиолетовые.
От длины волны зависит еще и способность света к рассеиванию, то есть, к распространению в среде. Красные световые волны рассеиваются хуже всех, а вот синий и фиолетовый цвета обладают высокой способностью к рассеиванию.
Рис. 5. Способность света к рассеиванию
И, наконец, то мы приблизились вплотную к ответу на наш вопрос, а почему же небо голубое? Как уже говорилось выше, белый цвет - это смесь всех возможных цветов. при столкновении с молекулой газа, каждый из семи цветовых компонентов белого света рассеивается. При этом свет с более длинными волнами рассеивается хуже, чем свет с короткими волнами. Из-за этого в воздухе остается в 8 раз больше синего спектра, чем красного. Хотя самая короткая волна у фиолетового цвета, небо все равно кажется голубым из-за смешения фиолетовых и зеленых волн. Кроме того, наши глаза лучше воспринимают голубой цвет, чем фиолетовый, при одинаковой яркости обоих. Именно эти факты и определяют цветовую гамму неба: атмосфера буквально наполнена лучами сине-голубого цвета.
Однако, небо голубое не всегда. В течение дня мы видим небо синим, голубым, серым, вечером - красным (Приложение 1). Почему закат красный? Во время заката Солнце приближается к горизонту, и солнечный луч направлен к поверхности Земли не вертикально, как днем, а под углом. Поэтому, путь, который он проходит через атмосферу, намного больше того, что он проходит днем, когда Солнце стоит высоко. Из-за этого сине-голубой спектр поглощается в атмосфере, не доходя до Земли, а более длинные световые волны красного спектра доходят до поверхности Земли, окрашивая небо в красные и желтые тона. Изменение цвета небо явно связаны с вращением Земли вокруг своей оси, а значит углом падения света на Землю.
2.2. Практические аспекты. Экспериментальный путь решения проблемы
В кабинете физике я познакомился с прибором спектрограф. Василий Александрович, учитель физики рассказал мне принцип работы данного прибора, после чего я самостоятельно провел опыт, который называется дисперсия. Луч белого света, проходя через призму, преломляется и на экране мы видим радугу (Приложение 2). Этот опыт помог мне понять, как на небе появляется это удивительное творение природы. С помощью спектрографа ученые сегодня могут получать информацию о составе и свойствах различных веществ.
Фото 1. Демонстрация опыта дисперсии в
кабинете физики
Получить радугу мне захотелось и в домашних условиях. Мой учитель географии, Лариса Борисовна рассказала, как можно это сделать. Аналогом спектрографа стали стеклянная емкость с водой, зеркало, фонарик и белый лист бумаги. В емкость с водой помещаем зеркало, сзади емкости ставим белый лист бумаги. Направляем на зеркало свет фонарика, так, чтобы отраженный свет падал на бумагу. На листе бумаги вновь появилась радуга! (Приложение 3). Опыт лучше проводить в затемненной комнате.
Мы уже говорили выше, что белый свет по сути уже содержит в себе все цвета радуги. Убедиться в этом и, собрать все цвета обратно в белый, можно сделав радужный волчок (Приложение 4). Если его сильно раскрутить, цвета будут сливаться и диск приобретет белый цвет.
Не смотря на научное объяснение образования радуги, это явление остается одним из загадочных оптических зрелищ в атмосфере. Смотрите и наслаждайтесь!
3. Заключение
В поисках ответа на так часто задаваемый родителям детский вопрос «Почему небо голубое?» я очень много узнал для себя интересного и поучительного. Противоречия в нашей гипотезе сегодня имеют научное объяснение:
Весь секрет в цвете неба в нашей атмосфере - в воздушной оболочке планеты Земля.
Белый луч солнца, проходя через атмосферу, распадается на лучи семи цветов.
Красные и оранжевые лучи - самые длинные, а голубые - самые короткие.
Голубые лучи меньше других достигают Земли, и небо оказывается благодаря этим лучам пронизано голубым цветом
Небо не всегда окрашено в голубой цвет и это связано с осевым движением Земли.
Опытным путем нам удалось наглядно представить и понять, как происходит дисперсия в природе. На классном часе в школе я рассказал своим одноклассникам, почему небо имеет голубой цвет. Также было интересно узнать, где можно наблюдать явление дисперсии в нашей повседневной жизни. Я нашел несколько практических областей применения этого уникального явления (Приложение 5). В дальнейшем мне хотелось бы и дальше изучать небо. Сколько еще оно таит в себе загадок? Какие явления еще происходят в атмосфере и, какова их природа? Как они влияют на человека и все живое на Земле? Возможно, это и будут темы моих будущих исследований.
Список литературы
1. Википедия - свободная энциклопедия
2. Л.А. Маликова. Электронное пособие по физике «Геометрическая оптика»
3. Перышкин А.В. Физика. 9 класс. Учебник. М.: Дрофа, 2014, с.202-209
4. htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru
5. Личный фото-архив «Небо над Голышманово»
Приложение 1.
«Небо над Голышманово» (личный фото архив)
Приложение 2.
Дисперсия света при помощи спектрографа
Приложение 3.
Дисперсия света в домашних условиях
«радуга»
Приложение 4.
Радужный волчок
Волчок в состоянии покоя Волчок в процессе вращения
Приложение 5.
Дисперсия в жизни человека
Бриллиант Огни на борту самолета
Фары автомобиля
Светоотражающие знаки
Почему небо голубое. Почему Солнце желтое? Эти вопросы, такие естественные, возникали перед человеком с глубокой древности. Однако чтобы получить правильное объяснение этих явлений, потребовались усилия выдающихся ученых средних веков и более позднего времени, вплоть до конца XIX в.
Какие гипотезы существовали? Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. 1 гипотеза Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает сине ватый цвет, Леонардо да Винчи писал:...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гёте, который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естество испытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного И белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.
Какие гипотезы существовали? 2 гипотеза После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре лопнула", как мыльный пузырь.
Какие гипотезы существовали? 3 гипотеза Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяс нение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О. Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности водяной пар и капельки воды).
Итоги исследования: Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей. Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея:
Итоги исследования: цвет смеси рассеянных лучей будет голубым Яркость, или интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым
Лиетратура: С.В. Зверева.В мире солнечного света.Л.,Гидрометеоиздат,1988
Радость видеть и понимать
есть самый прекрасный дар природы.
Альберт ЭЙНШТЕЙН
Загадка небесной лазури
Почему небо голубое?...
Нет такого человека, который не задумался над этим хоть раз в жизни. Объяснить происхождение цвета неба старались уже средневековые мыслители. Некоторые из них предполагали, что синий цвет – это истинный цвет воздуха или какого-нибудь из составляющих его газов. Другие думали, что настоящий цвет неба черный – такой, каким оно выглядит ночью. Днем же черный цвет неба складывается с белым – солнечных лучей, и получается... голубой.
Сейчас, пожалуй, не встретишь человека, который, желая получить голубую краску, стал бы смешивать черную и белую. А было время, когда законы смешения цветов были еще неясны. Их установил всего триста лет назад Ньютон.
Ньютон заинтересовался и тайной небесной лазури. Он начал с того, что отверг все предшествующие теории.
Во-первых, утверждал он, смесь белого и черного никогда не образует голубого. Во-вторых, голубой цвет – это совсем не истинный цвет воздуха. Если бы это было так, то Солнце и Луна на закате казались бы не красными, как это есть в действительности, а голубыми. Такими выглядели бы и вершины отдаленных снежных гор.
Представьте, что воздух окрашен. Пусть даже очень слабо. Тогда толстый слой его действовал бы как окрашенное стекло. А если смотреть сквозь окрашенное стекло, то все предметы покажутся такого же цвета, как это стекло. Почему же отдаленные снежные вершины представляются нам розовыми, а вовсе не голубыми?
В споре с предшественниками правда была на стороне Ньютона. Он доказал, что воздух не окрашен.
Но все же загадку небесной лазури он не разрешил. Его смутила радуга, одно из самых красивых, поэтичных явлений природы. Почему она неожиданно возникает и столь же неожиданно исчезает? Ньютон не мог удовлетвориться бытовавшим суеверием: радуга – это знамение свыше, она предвещает хорошую погоду. Он стремился отыскать материальную причину каждого явления. Нашел он и причину радуги.
Радуга – это результат преломления света в дождевых каплях. Поняв это, Ньютон сумел вычислить форму радужной дуги и объяснить последовательность цветов радуги. Его теория не могла объяснить лишь возникновение двойной радуги, но это удалось сделать лишь три века спустя при помощи очень сложной теории.
Успех теории радуги загипнотизировал Ньютона. Он ошибочно решил, что голубая окраска неба и радуга вызываются одной и той же причиной. Радуга действительно вспыхивает, когда лучи Солнца, пробиваются сквозь рой дождевых капель. Но ведь голубизна неба видна не только в дождь! Напротив, именно в ясную погоду, когда нет даже намека на дождь, небо особенно сине. Как же не заметил этого великий ученый? Ньютон думал, что мельчайшие водяные пузырьки, образующие по его теории только голубую часть радуги, плавают в воздухе при любой погоде. Но это было заблуждением.
Первое решение
Прошло почти 200 лет, и этим вопросом занялся другой английский ученый – Рэлей, не убоявшийся того, что задача оказалась не по силам даже великому Ньютону.
Рэлей занимался оптикой. А люди, посвятившие свою жизнь исследованию света, много времени проводят в темноте. Посторонний свет мешает тончайшим опытам, поэтому окна оптической лаборатории почти всегда затянуты черными, непроницаемыми шторами.
Рэлей часами оставался в своей мрачной лаборатории один на один с пучками света, вырывающимися из приборов. На пути лучей кружились как живые пылинки. Они были ярко освещены и поэтому выделялись на темном фоне. Ученый, возможно, подолгу в задумчивости следил за их плавными движениями, подобно тому, как следит человек за игрой искр в камине.
Не эти ли пылинки, танцующие в лучах света, подсказали Рэлею новую мысль о происхождении цвета неба?
Еще в глубокой древности стало известно, что свет распространяется прямолинейно. Это важное открытие мог сделать уже первобытный человек, наблюдая, как, пробиваясь сквозь щели шалаша, солнечные лучи падают на стены и пол.
Но вряд ли его беспокоила мысль, почему же он видит световые лучи, глядя на них сбоку. А тут есть над чем задуматься. Ведь солнечный свет идет лучом от щели к полу. Глаз же наблюдателя расположен в стороне и, тем не менее, видит этот свет.
Мы видим и свет от прожектора, направленного в небо. Это значит, часть света каким-то образом отклоняется от прямого пути и направляется в наш глаз.
Что же заставляет его свернуть с пути? Оказывается, те самые пылинки, которыми полон воздух. В наш глаз попадают лучи, рассеиваемые пылинка ми лучи, которые, встречая препятствия, сворачивают с дороги и распространяются по прямой от рассеивающей пылинки к нашему глазу.
«Не эти ли пылинки окрашивают небо в голубой цвет?» – подумал однажды Рэлей. Он провел математический расчет, и догадка превратилась в уверенность. Он нашел объяснение синего цвета неба, красных зорь и голубой дымки! Ну конечно же, мельчайшие пылинки, размеры которых меньше длины волны света, рассеивают солнечный свет и тем сильнее, чем короче длина его волны, – объявил Рэлей в 1871 году. А так как фиолетовые и синие лучи в видимом солнечном спектре имеют самую маленькую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно, придавая небу голубую окраску.
Этому расчету Рэлея подчинились Солнце и снежные вершины. Они даже подтвердили теорию ученого. На восходе и закате, когда солнечный свет проходит через наибольшую толщу воздуха, фиолетовые и синие лучи, говорит теория Рэлея, рассеиваются наиболее сильно. При этом они отклоняются от прямого пути и не попадают в глаза наблюдателю. Наблюдатель видит главным образом красные лучи, которые рассеиваются гораздо слабее. Поэтому на восходе и закате солнце кажется нам красным. По той же причине кажутся розовыми и вершины отдаленных снежных гор.
Глядя же на чистое небо, мы видим сине-голубые лучи, отклоняющиеся вследствие рассеяния от прямолинейного пути и попадающие в наши глаза. Да и дымка, которую мы иногда видим у горизонта, тоже кажется нам поэтому голубой.
Досадный пустяк
Не правда ли, красивое объяснение? Им так увлекся сам Рэлей, ученые так поразились стройности теории и победе Рэлея над Ньютоном, что никто из них не заметил одной простой вещи. А этот пустяк, тем не менее, должен был совершенно изменить их оценку.
Кто же будет отрицать, что вдали от города, где в воздухе гораздо меньше пыли, голубой цвет неба особенно чист и ярок? Трудно было отрицать это и самому Рэлею. Следовательно... не пылинки рассеивают свет? Тогда что же?
Он снова пересмотрел все свои расчеты и убедился, что его уравнения верны, но это значит, что рассеивающими частицами действительно являются не пылинки. Кроме того, пылинки, которые присутствуют в воздухе, гораздо больше длины волны света, и расчеты убедили Рэлея, что большое скопление их не усиливает голубизну неба, а, наоборот, ослабляет. Рассеяние света на крупных частицах слабо зависит от длины волны и поэтому не вызывает изменения его окраски.
При рассеянии света на крупных частицах и рассеянный и прошедший свет остается белым, поэтому появление в воздухе крупных частиц сообщает небу белесый цвет, а скопление большого количества крупных капелек обусловливает белый цвет облаков и тумана. Это легко проверить на обычной папиросе. Дым, выходящий из нее со стороны мундштука, всегда кажется белесым, а дым, поднимающийся с ее горящего конца, имеет голубоватый цвет.
Мельчайшие частицы дыма, поднимающегося над горящим концом папиросы, имеют размеры меньшие, чем длина световой волны, и в соответствии с теорией Рэлея рассеивают преимущественно фиолетовый и синий цвет. Но при прохождении через узкие каналы в толще табака частицы дыма слипаются между собой (коагулируют), объединяясь в более крупные комочки. Размеры многих из них становятся больше, чем длины волн света, и они рассеивают все волны света примерно одинаково. Именно поэтому дым, идущий со стороны мундштука, кажется белесым.
Да, спорить и защищать теорию, основанную на пылинках, было бесполезно.
Итак, загадка голубого цвета неба снова возникла перед учеными. Но Рэлей не сдавался. Если голубой цвет неба тем более чист и ярок, чем чище атмосфера, рассуждал он, значит окраска неба не может быть обусловлена нечем иным, как молекулами самого воздуха. Молекулы воздуха, писал он в своих новых статьях, – вот те мельчайшие частицы, которые рассеивают свет солнца!
На этот раз Рэлей был очень осторожен. Прежде чем сообщить о своей новой идее, он решил проверить ее, каким-нибудь образом сверить теорию с опытом.
Случай представился в 1906 году. Рэлею помог американский астрофизик Аббот, изучавший голубое свечение неба в обсерватории на горе Маунт-Вильсон. Обрабатывая результаты измерения яркости свечения неба на основе теории рассеяния Рэлея, Аббот подсчитал число молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре воздуха. Получилось грандиозное число! Достаточно сказать, что если раздать эти молекулы всем людям, населяющим земной шар, то каждому достанется по 10 с лишним миллиардов этих молекул. Короче говоря, Аббот обнаружил, что в каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальной температуре и давлении атмосферы содержится 27 миллиардов раз по миллиарду молекул.
Количество молекул в кубическом сантиметре газа можно определить разными способами на основе совершенно различных и независимых между собой явлений. Все они приводят к близко совпадающим результатам и дают число, называемое числом Лошмидта.
Это число хорошо знакомо ученым, и не раз оно служило мерилом и контролем при объяснении явлений, происходящих в газах.
И вот число, полученное Абботом при измерении свечения неба, с большой точностью совпало с числом Лошмидта. А ведь он при расчетах пользовался теорией рассеяния Рэлея. Таким образом, это наглядно доказывало, что теория верна, молекулярное рассеяние света действительно существует.
Казалось, теория Рэлея была надежно подтверждена опытом; все ученые считали ее безупречной.
Она стала общепризнанной и вошла во все учебники оптики. Можно было вздохнуть спокойно: наконец-то найдено объяснение явления – такого привычного и вместе с тем загадочного.
Тем более удивительно, что в 1907 году на страницах известного научного журнала вновь был поставлен вопрос: почему же небо голубое?!.
Спор
Кто же дерзнул подвергнуть сомнению общепризнанную рэлеевскую теорию?
Как ни странно, это был один из самых горячих поклонников и почитателей Рэлея. Пожалуй, никто так не ценил и не понимал Рэлея, не знал так хорошо его работ, не интересовался его научным творчеством так, как молодой русский физик Леонид Мандельштам.
– В характере ума Леонида Исааковича, – вспоминал впоследствии другой советский ученый, академик Н.Д. Папалекси, – было много общего с Рэлеем. И не случайно, что пути их научного творчества часто шли параллельно и неоднократно перекрещивались.
Перекрестились они и на сей раз, в вопросе о происхождении цвета неба. До этого Мандельштам в основном увлекался радиотехникой. Для начала нашего века это была совершенно новая область науки, и в ней мало кто разбирался. После открытия А.С. Попова (в 1895 году) прошло всего несколько лет, и здесь был непочатый край работы. За короткий период Мандельштам выполнил много серьезных исследований в области электромагнитных колебаний применительно к радиотехническим устройствам. В 1902 году он защитил диссертацию и в двадцать три года получил степень доктора натуральной философии Страсбургского университета.
Занимаясь вопросами возбуждения радиоволн, Мандельштам, естественно, изучал труды Рэлея, который был признанным авторитетом в исследовании колебательных процессов. И молодой доктор поневоле познакомился с проблемой окраски неба.
Но, познакомившись с вопросом окраски неба, Мандельштам не только показал ошибочность, или, как он сам говорил, «недостаточность» общепризнанной теории молекулярного рассеяния света Рэлея, не только раскрыл тайну голубого цвета неба, но и положил начало исследованиям, которые привели к одному из важнейших открытий физики XX века.
А началось все с заочного спора с одним из крупнейших физиков, отцом квантовой теории, М. Планком. Когда Мандельштам познакомился с теорией Рэлея, она захватила его своей недоговоренностью и внутренними парадоксами, которых, к удивлению молодого физика, не замечал старый, многоопытный Рэлей. Особенно отчетливо выявилась недостаточность теории Рэлея при анализе другой теории, построенной на ее основе Планком для объяснения ослабления света при его прохождении через оптически однородную прозрачную среду.
В этой теории было принято за основу, что сами молекулы вещества, через которое проходит свет, являются источниками вторичных волн. На создание этих вторичных волн, утверждал Планк, тратится часть энергии проходящей волны, которая при этом ослабляется. Мы видим, что эта теория основывается на рэлеевской теории молекулярного рассеяния и опирается на ее авторитет.
Проще всего уяснить себе суть дела, рассматривая волны на поверхности воды. Если волна встречается с неподвижными или плавающими предметами (сваи, бревна, лодки и т.п.), то во все стороны от этих предметов разбегаются мелкие волны. Это есть не что иное, как рассеяние. Часть энергии падающей волны расходуется на возбуждение вторичных волн, которые вполне аналогичны рассеянному свету в оптике. При этом первоначальная волна ослабляется – она затухает.
Плавающие предметы могут быть намного меньше, чем длина волны, бегущей по воде. Даже мелкие зерна будут вызывать вторичные волны. Конечно, по мере уменьшения размеров частиц образуемые ими вторичные волны ослабевают, но они все же будут забирать энергию основной волны.
Примерно так представлял себе процесс ослабления световой волны при прохождении ее через газ Планк, но роль зерен в его теории играли молекулы газа.
Этой работой Планка заинтересовался Мандельштам.
Ход мыслей Мандельштама также можно пояснить с помощью примера волн на поверхности воды. Нужно лишь рассмотреть его более внимательно. Итак, даже мелкие зерна, плавающие на поверхности воды, являются источниками вторичных волн. Но что будет, если насыпать эти зерна так густо, что они покроют всю поверхность воды? Тогда окажется, что отдельные вторичные волны, вызванные многочисленными зернами, будут складываться так, что они полностью погасят те части волн, которые бегут в стороны и назад, и рассеяние прекратится. Останется лишь волна, бегущая вперед. Она побежит вперед, совершенно не ослабляясь. Единственным результатом присутствия всей массы зерен окажется некоторое уменьшение скорости распространения первичной волны. Особенно важно, что все это не зависит от того, неподвижны ли зерна или они движутся по поверхности воды. Совокупность зерен будет действовать просто как нагрузка на поверхность воды, изменяя плотность ее верхнего слоя.
Мандельштам произвел математический расчет для случая, когда число молекул в воздухе так велико, что даже на таком маленьком участке, как длина световой волны, содержится очень большое число молекул. Оказалось, что при этом вторичные световые волны, возбуждаемые отдельными хаотически движущимися молекулами, складываются так же, как волны на примере с зернами. Значит, в этом случае световая волна распространяется без рассеяния и ослабления, но с несколько меньшей скоростью. Это опровергало теорию Рэлея, считавшего, что движение рассеивающих частиц во всех случаях обеспечивает рассеяние волн, а значит, опровергало и основанную на ней теорию Планка.
Так под фундаментом теории рассеяния был обнаружен песок. Все величественное здание заколебалось и грозило рухнуть.
Совпадение
Но как обстоит дело с определением числа Лошмидта из измерений голубого свечения неба? Ведь опыт подтверждал рэлеевскую теорию рассеяния!
«Это совпадение должно рассматриваться как случайное», – писал Мандельштам в 1907 году в своей работе «Об оптически однородных и мутных средах».
Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделать газ однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха. В той же работе Мандельштам писал:
«Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться и в стороны».
Но так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотического движения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественно волны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, в частности, к голубой окраске неба.
Так была окончательно решена загадка небесной лазури. Теоретическая часть была разработана Рэлеем. Физическая природа рассеивателей была установлена Мандельштамом.
Большая заслуга Мандельштама заключается в том, что он доказал, что предположение о совершенной однородности газа несовместимо с фактом рассеяния в нем света. Он понял, что голубой цвет неба доказывает, что однородность газов только кажущаяся. Точнее, газы представляются однородными только при исследовании грубыми приборами, такими, как барометр, весы или другие приборы, на которые воздействуют сразу многие миллиарды молекул. Но световой луч ощущает несравнимо меньшие количества молекул, измеряемые лишь десятками тысяч. И этого достаточно, чтобы бесспорно установить, что плотность газа непрерывно подвергается небольшим местным изменениям. Поэтому однородная с нашей «грубой» точки зрения среда в действительности неоднородна. С «точки зрения света» она кажется мутной и поэтому рассеивает свет.
Случайные местные изменения свойств вещества, образующиеся в результате теплового движения молекул, теперь носят название флуктуаций. Выяснив флуктуационное происхождение молекулярного рассеяния света, Мандельштам проложил дорогу новому методу исследования вещества – флуктуационному, или статистическому, методу, впоследствии развитому Смолуховским, Лорентцем, Эйнштейном и им самим в новый крупный отдел физики – статистическую физику.
Небо должно мерцать!
Итак, тайна голубого цвета неба была раскрыта. Но изучение рассеяния света на этом не прекратилось. Обратив внимание на почти неуловимые изменения плотности воздуха и объяснив окраску неба флуктуационным рассеянием света, Мандельштам своим обостренным чутьем ученого обнаружил новую, еще более тонкую особенность этого процесса.
Ведь неоднородности воздуха вызваны случайными колебаниями его плотности. Величина этих случайных неоднородностей, плотность сгустков меняется со временем. Поэтому, рассуждал ученый, должна меняться со временем и интенсивность – сила рассеянного света! Ведь чем плотнее сгустки молекул, тем интенсивнее рассеянный на них свет. А так как эти сгустки возникают и исчезают хаотически, то небо, попросту говоря, должно мерцать! Сила его свечения и его цвет должны все время (но очень слабо) изменяться! Но разве кто-нибудь, когда-нибудь замечал такое мерцание? Конечно, нет.
Это эффект настолько тонкий, что простым глазом его не заметишь.
Ни один из ученых тоже не наблюдал подобного изменения свечения неба. Не имел возможности проверить выводы своей теории и сам Мандельштам. Организации сложнейших экспериментов препятствовали сначала скудные условия царской России, а потом трудности первых лет революции, иностранной интервенции и гражданской войны.
В 1925 году Мандельштам стал заведующим кафедрой в Московском университете. Здесь он встретился с выдающимся ученым и искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом. И вот, связанные глубокой дружбой и общими научными интересами, они вместе продолжили штурм тайн, скрытых в слабых лучах рассеянного света.
Оптические лаборатории университета в те годы были еще очень бедны приборами. В университете не оказалось ни одного прибора, способного обнаружить мерцание неба или те маленькие различия в частотах падающего и рассеянного света, которые, как предсказывала теория, являются результатом этого мерцания.
Однако это не остановило исследователей. Они отказались от мысли имитировать небо в лабораторных условиях. Это только усложнило бы и без того тончайший опыт. Они решили изучать не рассеяние белого – сложного света, а рассеяние лучей одной, строго определенной частоты. Если они будут точно знать частоту падающего света, будет много легче искать те близкие к ней частоты, которые должны возникнуть при рассеянии. Кроме того, теория подсказывала, что наблюдения легче проводить в твердых телах, так как в них молекулы расположены гораздо теснее, чем в газах, а рассеяние тем больше, чем плотнее вещество.
Начались кропотливые поиски наиболее подходящих материалов. Наконец выбор пал на кристаллы кварца. Просто потому, что крупные прозрачные кристаллы кварца доступнее, чем любые другие.
Два года длились подготовительные опыты, отбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, по которым можно было бесспорно отличить рассеяние на молекулах кварца от рассеяния на случайных включениях, неоднородностях кристалла и загрязнениях.
Остроумие и труд
Не обладая мощной аппаратурой для спектрального анализа, ученые избрали остроумный обходный путь, который должен был дать возможность воспользоваться имеющимися приборами.
Основной трудностью в этой работе было то, что на слабый свет, вызванный молекулярным рассеянием, накладывался намного более сильный свет, рассеянный небольшими загрязнениями и другими дефектами тех образцов кристаллов, которые удалось заполучить для опытов. Исследователи решили воспользоваться тем, что рассеянный свет, образованный дефектами кристалла и отражениями от различных частей установки, точно совпадает по частоте с падающим светом. Их же интересовал только свет с частотой, измененной в соответствии с теорией Мандельштама, Таким образом, задача состояла в том, чтобы на фоне этого намного более яркого света выделить свет измененной частоты, вызванный молекулярным рассеянием.
Чтобы рассеянный свет имел величину, доступную регистрации, ученые решили освещать кварц самым мощным из доступных им осветительных приборов: ртутной лампой.
Итак, свет, рассеянный в кристалле, должен состоять из двух частей: из слабого света измененной частоты, обусловленного молекулярным рассеянием (исследование этой части являлось целью ученых), и из гораздо более сильного света неизмененной частоты, вызванного посторонними причинами (эта часть была вредной, она затрудняла исследование).
Идея метода привлекала своей простотой: надо поглотить свет неизменной частоты и пропустить в спектральный аппарат только свет измененной частоты. Но различия частоты составляли лишь несколько тысячных долей процента. Ни в одной лаборатории мира не существовало фильтра, способного разделить столь близкие частоты. Однако выход был найден.
Рассеянный свет был пропущен через сосуд с парами ртути. В результате весь «вредный» свет «застрял» в сосуде, а свет «полезный» прошел без заметного ослабления. Экспериментаторы при этом воспользовались одним уже известным обстоятельством. Атом вещества, как утверждает квантовая физика, способен излучать световые волны только вполне определенных частот. Вместе с тем этот атом способен и поглощать свет. Причем только световые волны тех частот, которые он сам может излучать.
В ртутной лампе свет испускается парами ртути, светящейся под влиянием электрического разряда, происходящего внутри лампы. Если этот свет пропустить через сосуд, также содержащий пары ртути, он будет почти полностью поглощен. Случится то, что предсказывает теория: атомы ртути в сосуде поглотят свет, излучаемый атомами ртути в лампе.
Свет от других источников, например от неоновой лампы, пройдет сквозь пары ртути невредимым. На него атомы ртути даже не обратят внимания. Не будет поглощена и та часть света ртутной лампы, которая рассеялась в кварце с изменением длины волны.
Вот этим-то удобным обстоятельством и воспользовались Мандельштам и Ландсберг.
Удивительное открытие
В 1927 году начались решающие опыты. Ученые осветили кристалл кварца светом ртутной лампы, обработали результаты. И... удивились.
Результаты опыта были неожиданны и необычны. Ученые обнаружили совсем не то, что ожидали, не то, что было предсказано теорией. Они открыли совершенно новое явление. Но какое? И не ошибка ли это? В рассеянном свете были обнаружены не ожидаемые частоты, но частоты гораздо более высокие и более низкие. В спектре рассеянного света появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на кварц свете. Объяснить их появление оптическими неоднородностями в кварце было просто невозможно.
Началась тщательная проверка. Опыты проводились безупречно. Они были задуманы настолько остроумно, совершенно и изобретательно, что ими нельзя было не восторгаться.
– Так красиво и подчас гениально просто решались Леонидом Исааковичем иной раз очень непростые технические задачи, что невольно у каждого из нас возникал вопрос: «Почему это раньше не пришло мне в голову?» – рассказывает один из сотрудников.
Разнообразные контрольные опыты упорно подтверждали, что ошибки нет. На фотографиях спектра рассеянного света упорно появлялись слабые и, тем не менее, вполне явные линии, свидетельствующие о наличии в рассеянном свете «лишних» частот.
Многие месяцы ученые искали объяснение этому явлению. Откуда в рассеянном свете появились «чужие» частоты?!
И настал день, когда Мандельштама осенила изумительная догадка. Это было удивительное открытие, то самое, которое и теперь считается одним из важнейших открытий XX века.
Но и Мандельштам и Ландсберг пришли к единодушному решению, что опубликовать это открытие можно лишь после солидной проверки, после исчерпывающего проникновения в глубь явления. Завершающие опыты начались.
С помощью солнца
16 февраля индийские ученые Ч.Н. Раман и К.С. Кришнан отправили из Калькутты в этот журнал телеграмму с коротким описанием своего открытия.
В журнал «Природа» в те годы со всего света стекались письма о самых различных открытиях. Но не всякому сообщению суждено вызвать волнение среди ученых. Когда же из печати вышел номер с письмом индийских ученых, физики очень взволновались. Уже одно заглавие заметки – «Новый тип вторичного излучения» – возбуждало интерес. Ведь оптика – одна из старейших наук, открыть в ней что-нибудь неведомое в XX веке удавалось совсем не часто.
Можно представить себе, с каким интересом ожидали физики всего мира новых писем из Калькутты.
Их интерес в немалой степени подогревался и самой личностью одного из авторов открытия, Рамана. Это человек любопытной судьбы и незаурядной биографии, очень сходной с эйнштейновской. Эйнштейн в молодости был простым преподавателем гимназии, а затем служащим патентного бюро. Именно в этот период он закончил самые значительные из своих работ. Раман, блестящий физик, тоже после окончания университета вынужден был в течение десяти лет служить в департаменте финансов и лишь после этого был приглашен на кафедру Калькуттского университета. Раман скоро стал признанным главой индийской школы физиков.
Незадолго до описываемых событий Раман и Кришнан увлеклись любопытной задачей. Тогда еще не улеглись страсти, вызванные в 1923 году открытием американского физика Комптона, который, изучая прохождение рентгеновых лучей через вещество, Обнаружил, что часть этих лучей, рассеиваясь в стороны от первоначального направления, увеличивает длину своей волны. В переводе на язык оптиков можно сказать, что рентгеновы лучи, столкнувшись с молекулами вещества, меняли свой «цвет».
Это явление легко объяснялось законами квантовой физики. Поэтому открытие Комптона явилось одним из решающих доказательств правильности молодой квантовой теории.
Нечто подобное, но уже в оптике, решили попытаться. обнаружить индийские ученые. Они хотели пропустить свет через вещество и посмотреть, как будут рассеиваться его лучи на молекулах вещества и изменится ли при этом длина их волны.
Как видите, вольно или невольно, индийские ученые поставили перед собой ту же задачу, что и советские ученые. Но цели у них были разные. В Калькутте искали оптическую аналогию эффекта Комптона. В Москве – опытного подтверждения мандельштамовского предсказания изменения частоты при рассеянии света на флуктуирующих неоднородностях.
Раман и Кришнан задумали сложный опыт, так как ожидаемый эффект должен был быть чрезвычайно малым. Для опыта понадобился очень яркий источник света. И тогда они решили использовать солнце, собрав его лучи с помощью телескопа.
Диаметр его объектива был равен восемнадцати сантиметрам. Собранный свет исследователи направили через призму на сосуды, в которых помещались жидкости и газы, тщательно очищенные от пыли и других загрязнений.
Но обнаружить ожидаемое малое удлинение волны рассеянного света, пользуясь белым солнечным светом, содержащим практически все возможные длины волн, было безнадежно. Поэтому ученые решили воспользоваться светофильтрами. Они поставили перед объективом сине-фиолетовый фильтр, а наблюдали рассеянный свет через желто-зеленый фильтр. Они справедливо решили, что то, что пропустит первый фильтр, застрянет во втором. Ведь желто-зеленый фильтр поглощает сине-фиолетовые лучи, пропускаемые первым фильтром. А оба, поставленные друг за другом, должны поглощать весь падающий свет. Если же в глаз наблюдателя и попадут какие-то лучи, то можно будет сказать с уверенностью, что они не были в падающем свете, а родились в исследуемом веществе.
Колумбы
И действительно, в рассеянном свете Раман и Кришнан обнаружили лучи, проходящие через второй фильтр. Они зафиксировали лишние частоты. Это в принципе мог быть оптический эффект Комптона. То есть при рассеянии на молекулах вещества, находящегося в сосудах, сине-фиолетовый свет мог изменить свою окраску и стать желто-зеленым. Но это нужно было еще доказать. Могли же быть и другие причины, вызывающие появление желто-зеленого света. Например, он мог появиться в результате люминесценции – слабого свечения, которое часто возникает в жидкостях и твердых телах под действием света, тепла и других причин. Очевидно, было одно – свет этот рожден вновь, он не содержался в падающем свете.
Ученые повторили свой опыт с шестью различными жидкостями и двумя типами паров. Они убедились, что ни люминесценция, ни другие причины не играют здесь роли.
Факт увеличения длины волны видимого света при рассеянии его в веществе казался Раману и Кришнану установленным. Казалось, поиски их увенчались успехом. Они обнаружили оптическую аналогию эффекта Комптона.
Но чтобы опыты имели законченный вид и выводы были достаточно убедительными, надо было проделать еще одну часть работы. Мало было обнаружить изменение длины волны. Надо было измерить величину этого изменения. Первое помог сделать светофильтр. Сделать второе он был бессилен. Здесь ученым понадобился спектроскоп – прибор, позволяющий измерить длину волны исследуемого света.
И исследователи начали вторую часть, не менее сложную и кропотливую. Но и она удовлетворила их ожидания. Результаты снова подтвердили выводы первой части работы. Однако длина волны оказалась неожиданно большой. Гораздо большей, чем ожидалась. Исследователей это не смутило.
Как не вспомнить здесь о Колумбе? Он стремился найти морской путь в Индию и, увидев землю, не сомневался в том, что достиг цели. Были ли у него основания усомниться в своей уверенности при виде краснокожих жителей и незнакомой природы Нового Света?
Не так ли Раман и Кришнан, стремясь к обнаружению эффекта Комптона в видимом свете, решили, что нашли его, исследовав свет, прошедший через их жидкости и газы?! Усомнились ли они, когда измерения показали неожиданно большее изменение длины волны рассеянных лучей? Какой вывод они сделали из своего открытия?
По мнению индийских ученых, они нашли то, что искали. 23 марта 1928 года в Лондон полетела телеграмма со статьей, названной «Оптическая аналогия эффекта Комптона». Ученые писали: «Таким образом, оптическая аналогия эффекта Комптона очевидна, за исключением того, что мы имеем дело с изменением длины волны много большим...» Заметьте: «много большим...»
Танец атомов
Работа Рамана и Кришнана была встречена овациями в среде ученых. Все справедливо восторгались их экспериментальным искусством. За это открытие Раман был удостоен в 1930 году Нобелевской премии.
К письму индийских ученых была приложена фотография спектра, на которой заняли свои места линии, изображающие частоту падающего света и света, рассеянного на молекулах вещества. Эта фотография, по мнению Рамана и Кришнана, яснее ясного иллюстрировала их открытие.
Когда на эту фотографию взглянули Мандельштам и Ландсберг, они увидели почти точную копию фотографии, полученной ими! Но, познакомившись с объяснением ее, они сразу поняли, что Раман и Кришнан ошиблись.
Нет, не эффект Комптона обнаружили индийские ученые, а явление совсем иное, то самое, которое уже много лет изучали советские ученые...
Пока разрасталось волнение, вызванное открытием индийских ученых, Мандельштам и Ландсберг заканчивали контрольные опыты, подводили последние решающие итоги.
И вот 6 мая 1928 года ими была отправлена в печать статья. К статье была приложена фотография спектра.
Кратко изложив историю вопроса, исследователи давали подробнейшее толкование открытого ими явления.
Так что же это было за явление, которое заставило помучиться и поломать себе головы немало ученых?
Глубокая интуиция и ясный аналитический ум Мандельштама сразу подсказали ученому, что обнаруженные изменения частоты рассеянного света не могут быть вызваны теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднократности плотности воздуха. Ученому стало ясно, что причина, несомненно, кроется внутри самих молекул вещества, что явление вызвано внутримолекулярными колебаниями атомов, образующих молекулу.
Такие колебания происходят с гораздо более высокой частотой, чем те, что сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды. Вот эти-то колебания атомов в молекулах и сказываются на рассеянном свете. Атомы как бы метят его, оставляют на нем свои следы, зашифровывают дополнительными частотами.
Это была красивейшая догадка, дерзкое вторжение мысли человека за кордон маленькой крепости природы – молекулы. И эта разведка принесла ценнейшие сведения о ее внутреннем строении.
Рука об руку
Итак, при попытке обнаружить малое изменение частоты рассеянного света, вызванное межмолекулярными силами, было обнаружено большее изменение частоты, вызванное внутримолекулярными силами.
Таким образом, для объяснения нового явления, которое получило название «комбинационное рассеяние света», достаточно было теорию молекулярного рассеяния, созданную Мандельштамом, дополнить данными о влиянии колебаний атомов внутри молекул. Новое явление оказалось открытым в результате развития идеи Мандельштама, сформулированной им еще в 1918 году.
Да, недаром, как сказал академик С.И. Вавилов, «Природа одарила Леонида Исааковича совсем необычным прозорливым тонким умом, сразу замечавшим и понимавшим то главное, мимо чего равнодушно проходило большинство. Так была понята флуктуационная сущность рассеяния света, так появилась идея об изменении спектра при рассеянии света, ставшая основой открытия комбинационного рассеяния».
Впоследствии из этого открытия была извлечена огромнейшая польза, оно получило ценное практическое применение.
В момент же открытия оно казалось лишь ценнейшим вкладом в науку.
А что же Раман и Кришнан? Как отнеслись они к открытию советских ученых, да и к своему тоже? Поняли ли они, что открыли?
Ответ на эти вопросы содержится в следующем письме Рамана и Кришнана, которое они отправили в печать через 9 дней после опубликования статьи советских ученых. Да, они поняли – наблюдавшееся ими явление не эффект Комптона. Это комбинационное рассеяние света.
После опубликования писем Рамана и Кришнана и статей Мандельштама и Ландсберга ученым всего мира стало ясно, что одно и то же явление независимо и практически одновременно сделано и изучается в Москве и Калькутте. Но московские физики изучали его в кристаллах кварца, а индийские – в жидкостях и газах.
И эта параллельность, конечно, не была случайной. Она говорит об актуальности проблемы, ее большой научной важности. Не удивительно, что результаты, близкие к выводам Мандельштама и Рамана в конце апреля 1928 года, независимо друг от друга получили также французские ученые Рокар и Кабан. Через некоторое время ученые вспомнили, что еще в 1923 году чешский физик Смекаль теоретически предсказал то же явление. Вслед за работой Смекаля появились теоретические изыскания Крамерса, Гейзенберга, Шредингера.
По-видимому, лишь недостатком научной информации можно объяснить тот факт, что ученые многих стран трудились над решением одной и той же задачи, даже не зная об этом.
Тридцать семь лет спустя
Исследования комбинационного рассеяния не только открыли новую главу в науке о свете. Вместе с тем они дали мощное оружие технике. Промышленность получила отличный способ изучения свойств вещества.
Ведь частоты комбинационного рассеяния света являются отпечатками, которые накладываются на свет молекулами среды, рассеивающей свет. И в разных веществах эти отпечатки неодинаковы. Именно это дало право академику Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света «языком молекул». Тем, кто сумеет прочитать следы молекул на лучах света, определить состав рассеянного света, молекулы, пользуясь этим языком, расскажут о тайнах своего строения.
На негативе фотоснимка комбинационного спектра нет ничего, кроме линий различной черноты. Но по этой фотографии специалист вычислит частоты внутримолекулярных колебаний, которые появились в рассеянном свете после прохождения его через вещество. Снимок расскажет о многих дотоле неведомых сторонах внутренней жизни молекул: об их строении, о силах, связывающих атомы в молекулы, об относительных движениях атомов. Учась расшифровывать спектрограммы комбинационного рассеяния, физики учились понимать своеобразный «световой язык», которым молекулы рассказывают о себе. Так новое открытие позволило глубже проникать во внутреннее строение молекул.
В наши дни физики пользуются комбинационным рассеянием для изучения строения жидкостей, кристаллов и стекловидных веществ. Химики определяют этим методом структуру различных соединений.
Методы исследования вещества, использующие явление комбинационного рассеяния света, разработали сотрудники лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР, которой руководил академик Ландсберг.
Эти методы позволяют в условиях заводской лаборатории быстро и точно производить количественные и качественные анализы авиационных бензинов, продуктов крекинга, продуктов переработки нефти и многих других сложных органических жидкостей. Для этого достаточно осветить исследуемое вещество и определить спектрографом состав рассеянного им света. Кажется, очень просто. Но прежде чем этот метод оказался действительно удобным и быстрым, ученым пришлось немало поработать над созданием точной, чувствительной аппаратуры. И вот почему.
Из общего количества световой энергии, поступающей в изучаемое вещество, лишь ничтожная часть – примерно одна десятимиллиардная – приходится на долю рассеянного света. А на комбинационное рассеяние редко приходится даже два-три процента этой величины. Видимо, поэтому само комбинационное рассеяние долго оставалось незамеченным. И не удивительно, что получение первых фотографий комбинационного рассеяния требовало экспозиций, продолжавшихся десятки часов.
Современная же аппаратура, созданная в нашей стране, позволяет получить комбинационный спектр чистых веществ в течение нескольких минут, а иногда и секунд! Даже для анализа сложных смесей, в которые отдельные вещества входят в количестве нескольких процентов, обычно достаточно экспозиции, не превышающей часа.
Прошло тридцать семь лет с тех пор, как язык молекул, записанный на фотопластинках, был открыт, расшифрован и понят Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном. С тех пор во всем мире ведется упорная работа по составлению «словаря» языка молекул, который оптики называют каталогом частот комбинационного рассеяния. Когда такой каталог будет составлен, расшифровка спектрограмм значительно облегчится и комбинационное рассеяние света еще полнее станет на службу науке и индустрии.
Когда ветер накидывает на красивое голубое небо белую пушистую прозрачную накидку, люди начинают всё чаще посматривать наверх. Если оно при этом ещё и надевает на себя большую серую шубу с серебряными нитями дождя, то окружающие прячутся от него под зонтами. Если наряд тёмно-фиолетового цвета, то все сидят дома и желают увидеть солнечное голубое небо.
И только когда появляется такое долгожданное солнечное голубое небо, которое одевает на себя ослепительно голубое платье, украшенное золотистыми солнечными лучами, люди радуются – и улыбаясь, покидают дома в ожидании хорошей погоды.
Вопрос о том, почему небо голубое, волновал людские умы ещё с незапамятных времён. Греческие легенды нашли свой ответ. Они утверждали, что этот оттенок ему придаёт чистейший горный хрусталь.
Во времена Леонардо да Винчи и Гете также искали ответ на вопрос, почему небо голубое. Они считали, что голубой цвет неба получается при смешивании света с темнотой. Но позже эта теория была опровергнута как несостоятельная, поскольку оказалось, что комбинируя эти цвета, можно получить лишь тона серого спектра, но никак не цветного.
Через некоторое время ответ на вопрос, почему небо голубое, попытались объяснить в 18 веке Мариотт, Бугер и Эйлер. Они считали, что это естественный цвет частиц, из которых состоит воздух. Теория эта была популярна даже в начале следующего века, особенно когда было установлено, что жидкий кислород – голубого, а жидкий озон – синего тонов.
Первым более-менее толковую идею подал Соссюр, который предположил, чтобы если бы воздух был полностью чистым, без примесей, небо оказалось бы чёрным. Но поскольку атмосфера содержит в себе различные элементы (например, пар или водяные капли), то они, отражая цвет, придают небу нужный оттенок.
После этого учёные начали всё ближе и ближе подбираться к истине. Араго открыл поляризацию, одну из характеристик рассеянного света, который отбивается от небосвода. В этом открытии ученому однозначно помогла физика. Позже искать ответ принялись и другие исследователи. При этом вопрос, почему небо голубое настолько интересовал ученых, что для его выяснения было проведено огромное количество различных экспериментов, которые привели к мысли, что главная причина появления голубого цвета в том, что лучи нашего Солнца попросту рассеиваются в атмосфере.
Объяснение
Первым, кто создал математически обоснованный ответ молекулярного рассеяния света, оказался британский исследователь Рэлей. Он выдвинул предположение, что свет рассеивается не из-за примесей, которыми обладает атмосфера, а из-за самих молекул воздуха. Его теория получила развитие – и вот к каким выводам пришли учёные.
Солнечные лучи пробиваются на Землю через её атмосферу (толстый слой воздуха), так называемую воздушную оболочку планеты. Темное небо полностью наполнено воздухом, который несмотря на то, что полностью прозрачен, пустотой не является, а состоит из молекул газа – азота (78%) и кислорода (21%), а также водяных капель, пара, ледяных кристаллов и небольших кусочков твёрдого материала (например, частичек пыли, сажи, пепла, океанской соли и т.п.).
Некоторым лучам удаётся свободно пройти между газовыми молекулами, полностью минуя их, а потому без изменений достигнуть поверхности нашей планеты, но большинство лучей сталкиваются с газовыми молекулами, которые приходят в возбуждённое состояние, получают энергию и выпускают в различные стороны разноцветные лучи, полностью окрашивая небо, в результате чего мы видим солнечное голубое небо.
Белый свет сам по себе состоит из всех цветов радуги, которую нередко можно увидеть, когда он раскладывается на составные части. Так получилось, что молекулы воздуха больше всего рассеивают синий и фиолетовый цвета, поскольку они являются наиболее короткой частью спектра, поскольку имеют наименьшую длину волны.
При смешивании в атмосфере синего и фиолетового цветов с небольшим количеством красного, жёлтого и зелёного, небо начинает «светиться» голубым цветом.
Поскольку атмосфера нашей планеты не однородна, а довольно разная (возле поверхности Земли более плотная, чем наверху), она имеет разную структуру и свойства, мы можем наблюдать переливы голубого цвета. Перед закатом или восходом, когда длина солнечных лучей значительно увеличивается, синие и фиолетовые цвета рассеиваются в атмосфере и до поверхности нашей планеты абсолютно не доходят. Успешно добираются жёлто-красные волны, которые мы и наблюдаем на небосводе в этот период времени.
В ночное время, когда солнечные лучи, попадая на определённую сторону планеты не имеют никакой возможности, атмосфера там становится прозрачной, и мы видим «чёрный» космос. Именно таким его видят астронавты, находящиеся над атмосферой. Стоит заметить, что космонавтам повезло, ведь, когда они находятся свыше 15 км над поверхностью земли, днём они могут одновременно наблюдать за Солнцем и звёздами.
Окрас неба на других планетах
Поскольку цвет неба во многом зависит от атмосферы, нет ничего удивительного в том, что на разных планетах оно различного цвета. Интересно, что такого же цвета, как на нашей планете, атмосфера у Сатурна.
Очень красивого аквамаринового цвета небеса Урана. Атмосфера на нём состоит в основном из гелия и водорода. В ней также присутствует метан, который полностью поглощает красный и рассеивает зелёный и голубой цвета. Синего цвета небеса Нептуна: в атмосфере этой планеты нет столько гелия и водорода, как у нашей, но много метана, который нейтрализует красный свет.
Атмосфера на Луне, спутнике Земли, а также на Меркурии и Плутоне полностью отсутствует, следовательно, световые лучи не отражаются, поэтому небесный свод здесь чёрный, а звёзды легко различимы. Синие и зелёные цвета солнечных лучей полностью поглощаются атмосферой Венеры, и когда Солнце возле горизонта, небеса здесь жёлтые.
Но сколько существует разных цветов, что делает окружающие нас вещи цветными? И научное познание на много таких вопросов уже может дать ответ. Например, объяснить цвет неба .
Для начала нужно будет упомянуть о великом Исааке Ньютоне, который наблюдал разложение белого солнечного при прохождении его через стеклянную призму. То, что он увидел, теперь называется явлением дисперсии , а сама разноцветная картина – спектр . Получившиеся цвета в точности соответствовали цветам радуги. То есть, Ньютон наблюдал радугу в лаборатории! Именно благодаря его опытам в конце 18 века было установлено, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Причем, тот же Ньютон доказал, что если разложенный в спектр свет снова смешать, то получится белый свет. В 19 веке было показано, что свет – это распространяющиеся с огромной скоростью в 300 000 км/с электромагнитные волны. А уже в начале прошлого века эти знания были дополнены идеей кванта света – фотона . Таким образом, свет имеет двойственную природу – и волны, и частицы. Это объединение и стало объяснением многих явлений, в частности, спектра теплового излучения нагретых тел. Таких, каким является и наше .
После такого вступления пора перейти к нашей теме. Голубой цвет неба... Кто не восхищался им хотя бы пару раз в жизни! Но так ли просто сказать, что всему виной рассеяние света в атмосфере? А почему тогда цвет неба не голубой при свете полной луны? А почему голубой цвет не одинаков на всех участках неба? А что случается с цветом неба при восходе и заходе Солнца? Ведь оно может быть и желтого, и розового и даже зеленого цвета. Но все же это особенности рассеяния. Поэтому рассмотрим его подробнее.
Объяснение цвета неба и его особенностей принадлежит английскому физику Джону Уильяму Рэлею, изучавшему рассеяние света. Именно он указал на то, что цвет неба определяется зависимостью рассеяния от частоты света. Излучение Солнца, попадая в , взаимодействует с молекулами газов, входящих в состав воздуха. А так как энергия светового кванта - фотона увеличивается с уменьшением длины световой волны, то наиболее сильное воздействие на молекулы газов, точнее – на электроны в этих молекулах, оказывают фотоны голубой и фиолетовой части светового спектра. Придя в вынужденные колебания, электроны отдают назад в виде фотона излучения взятую у световой волны энергию. Только эти вторичные фотоны уже излучаются во всех направлениях, а не только в направлении первоначально падающего света. Это и будет процессом рассеяния света. Кроме этого, нужно учитывать и постоянное движение воздуха, и флуктуацию его плотности. В противном случае мы бы наблюдали черное небо.
А теперь возвратимся к тепловому излучению тел. Энергия в его спектре распределена неравномерно и описывается на основе законов, установленных немецким физиком Вильгельмом Вином. Таким же неравномерным за энергиями фотонов будет и спектр нашего Солнца. То есть фотонов фиолетовой его части будет много меньше, чем фотонов из голубой и тем более синей. Если учесть еще физиологию зрения, а именно максимальную чувствительность нашего глаза к сине-зеленому цвету, то мы в итоге получаем небо голубого или синего цвета.
Следует учесть, что чем длиннее путь солнечного луча в атмосфере, тем меньше в нем остается непровзаимодействовавших фотонов из голубой и синей области спектра. Поэтому цвет неба неравномерный, а утренний или вечерний цвета желто-красные из-за большого пути света через атмосферу. Кроме этого, пыль, дым, другие частицы, содержащиеся в воздухе, также сильно влияют на рассеяние света в атмосфере. На эту тему можно вспомнить знаменитые лондонские картины . Или воспоминания о катастрофе 1883 года, случившейся при извержении вулкана Кракатау. Пепел от извержения, попавший в атмосферу, обусловил синеватый цвет Солнца во многих странах тихоокеанского региона, а также красные зори, наблюдавшиеся по всей Земле. Но эти эффекты уже объясняются другой теорией – теорией рассеяния на частицах, соизмеримых с длиной световой волны. Эту теорию предложил миру немецкий физик Густав Ми. Главная идея ее – такие частицы вследствие своих относительно больших размеров сильнее рассеивают красный свет, а не синий или фиолетовый.
Таким образом, цвет неба – не просто источник вдохновения для поэтов и художников, а следствие тонких физических законов, которые удалось раскрыть человеческому гению.
