Изучаване и обяснение на цвета на презентацията на небето. И така, защо небето е синьо? Връзка между цвят и дължина на вълната

Когато вятърът хвърли бяла пухкава прозрачна пелерина над красивото синьо небе, хората започват все по-често да поглеждат нагоре. Ако в същото време облече и голямо сиво кожено палто със сребърни нишки от дъжд, тогава околните се крият от него под чадъри. Ако тоалетът е тъмно лилав, значи всички седят вкъщи и искат да видят слънчево синьо небе.

И едва когато се появи такова дългоочаквано слънчево синьо небе, което облича ослепително синя рокля, украсена със златни слънчеви лъчи, хората се радват - и усмихнати, напускат домовете си в очакване на хубавото време.

Въпросът защо небето е синьо озадачава умовете на хората от незапомнени времена. Гръцките легенди са намерили своя отговор. Те твърдяха, че този нюанс му придава най-чистият скален кристал.

По времето на Леонардо да Винчи и Гьоте те също търсят отговор на въпроса защо небето е синьо. Те вярвали, че синият цвят на небето се получава чрез смесване на светлината с тъмнината. Но по-късно тази теория беше опровергана като несъстоятелна, тъй като се оказа, че чрез комбиниране на тези цветове можете да получите само тоновете на сивия спектър, но не и цветния.

След известно време отговорът на въпроса защо небето е синьо се опитват да обяснят през 18 век от Мариот, Бугер и Ойлер. Те вярвали, че това е естественият цвят на частиците, които изграждат въздуха. Тази теория беше популярна дори в началото на следващия век, особено когато беше установено, че течният кислород е син, а течният озон е син.

Първата повече или по-малко разумна идея дава Сосюр, който предполага, че ако въздухът е напълно чист, без примеси, небето ще се окаже черно. Но тъй като атмосферата съдържа различни елементи (например пара или водни капки), те, отразявайки цвета, придават на небето желания нюанс.

След това учените започнаха да се доближават все по-близо до истината. Араго открива поляризация, една от характеристиките на разсеяната светлина, която отскача от небето. В това откритие на учения определено е помогнала физиката. По-късно други изследователи започнаха да търсят отговора. В същото време въпросът защо небето е синьо беше толкова интересен за учените, че бяха проведени огромен брой различни експерименти, за да го открият, което доведе до идеята, че основната причина за появата на синия цвят е че лъчите на нашето Слънце просто се разпръскват в атмосферата.

Обяснение

Рейли, британски изследовател, беше първият, който създаде математически обоснован отговор на молекулярното разсейване на светлината. Той предположи, че светлината се разсейва не заради примесите, които атмосферата притежава, а заради самите въздушни молекули. Неговата теория е разработена - и ето до какви изводи стигнаха учените.

Слънчевите лъчи си проправят път към Земята през нейната атмосфера (дебел слой въздух), така наречената въздушна обвивка на планетата. Тъмното небе е изцяло изпълнено с въздух, който, въпреки че е напълно прозрачен, не е празнота, а се състои от газови молекули - азот (78%) и кислород (21%), както и водни капчици, пара, ледени кристали и малки парчета твърд материал (например частици прах, сажди, пепел, океанска сол и др.).

Някои лъчи успяват свободно да преминават между газовите молекули, напълно ги заобикаляйки и следователно достигат повърхността на нашата планета без промени, но повечето от лъчите се сблъскват с газови молекули, които влизат във възбудено състояние, получават енергия и освобождават многоцветни лъчи в различни посоки, напълно оцветяващи небето, което води до слънчево синьо небе.

Самата бяла светлина се състои от всички цветове на дъгата, която често може да се види, когато е разбита на съставните си части. Случва се така, че сините и виолетовите цветове се разсейват най-много, защото са най-късата част от спектъра, тъй като имат най-късата дължина на вълната.

Когато се смеси в атмосфера от синьо и лилаво с малко количество червено, жълто и зелено, небето започва да "свети" синьо.

Тъй като атмосферата на нашата планета не е хомогенна, а доста различна (близо до повърхността на Земята е по-плътна, отколкото на върха), има различна структура и свойства, можем да наблюдаваме сини преливания. Преди залез или изгрев, когато дължината на слънчевите лъчи се увеличава значително, сините и лилавите цветове се разпръскват в атмосферата и абсолютно не достигат повърхността на нашата планета. Успешно достигат жълто-червените вълни, които наблюдаваме в небето през този период от време.

През нощта, когато слънчевите лъчи, попадащи на определена страна на планетата, нямат възможност, атмосферата там става прозрачна и ние виждаме „черното“ пространство. Ето как го виждат астронавтите над атмосферата. Струва си да се отбележи, че астронавтите са имали късмет, защото когато са на над 15 км над земната повърхност, през деня могат да наблюдават едновременно Слънцето и звездите.

Цвят на небето на други планети

Тъй като цветът на небето до голяма степен зависи от атмосферата, не е изненадващо, че на различните планети то е с различни цветове. Интересното е, че атмосферата на Сатурн е със същия цвят като на нашата планета.

Много красиво аквамариново небе на Уран. Атмосферата му се състои главно от хелий и водород.Съдържа и метан, който напълно абсорбира червеното и разпръсква зеленото и синьото. Синьото небе на Нептун: в атмосферата на тази планета няма толкова хелий и водород, колкото нашата, но има много метан, който неутрализира червената светлина.

Атмосферата на Луната, спътник на Земята, както и на Меркурий и Плутон, напълно отсъства, следователно светлинните лъчи не се отразяват, така че небето тук е черно, а звездите са лесно различими. Сините и зелените цветове на слънчевите лъчи са напълно погълнати от атмосферата на Венера, а когато Слънцето е близо до хоризонта, небето тук е жълто.

Защо небето е синьо? Трудно е да се намери отговор на толкова прост въпрос. Много учени са озадачени над отговора. Най-доброто решение на проблема е предложено преди около 100 години от английски физик Лорд Джон Рейли.

Слънцето излъчва ослепително чиста бяла светлина. Така че цветът на небето трябва да е същият, но все още е синьо. Какво се случва с бялата светлина в земната атмосфера?

Бялата светлина е смес от цветни лъчи. С призма можем да направим дъга.

Призмата разлага белия лъч на цветни ивици:

■червен

■оранжево

■ Жълто

■ Зелено

■ Син

■ Син

■ Лилаво

Комбинирайки се заедно, тези лъчи отново образуват бяла светлина. Може да се предположи, че слънчевата светлина първо се разделя на цветни компоненти. Тогава нещо се случва и само сини лъчи достигат повърхността на Земята.

И така, защо небето е синьо?

Има няколко възможни обяснения. Въздухът около Земята е смес от газове: азот, кислород, аргон и други. Атмосферата също съдържа водна пара и ледени кристали. Прах и други малки частици са суспендирани във въздуха. Озоновият слой е в горните слоеве на атмосферата. Може ли това да е причината? Някои учени смятат, че молекулите на озона и водата абсорбират червените лъчи и предават сините. Но се оказа, че просто няма достатъчно озон и вода в атмосферата, за да оцветят небето в синьо.

През 1869 г. англичанин Джон Тиндълпредполага, че прахът и други частици разпръскват светлината. Синята светлина е най-малко разпръсната и преминава през слоеве от такива частици, за да достигне до земната повърхност. В своята лаборатория той създаде модел на смог и го освети с ярък бял лъч. Смогът стана наситено син. Тиндал реши, че ако въздухът е абсолютно чист, тогава нищо няма да разпръсне светлината и можем да се възхищаваме на яркото бяло небе. Лорд Рейлисъщо подкрепи тази идея, но не за дълго. През 1899 г. той публикува своето обяснение:

Въздухът, а не прахът или димът, оцветява небето в синьо.

Основна теория за синия цвят на небето

Част от слънчевите лъчи преминават между молекулите на газа без да се сблъскват с тях и достигат непроменени до земната повърхност. Другата, по-голямата част, се абсорбира от газовите молекули. Когато фотоните се абсорбират, молекулите се възбуждат, тоест те се зареждат с енергия и след това я излъчват под формата на отново фотони. Тези вторични фотони имат различни дължини на вълната и могат да бъдат всеки цвят от червено до лилаво. Те се разпръскват във всички посоки: и към Земята, и към Слънцето, и в страни. Лорд Рейли предполага, че цветът на излъчвания лъч зависи от преобладаването на кванти от един или друг цвят в лъча. Когато газова молекула се сблъска със слънчеви фотони, има осем сини кванта за един вторичен червен квант.

Какъв е резултатът? Интензивна синя светлина буквално се излива върху нас от всички посоки от милиарди атмосферни газови молекули. Тази светлина има примесени фотони от други цветове, така че няма чист син оттенък.

Защо тогава залезът е червен?

Небето обаче не винаги е синьо. Естествено възниква въпросът: ако виждаме синьо небе през целия ден, защо залезът е червен? Червеното е най-малко разпръснато от газовите молекули. По време на залез слънцето се приближава към хоризонта и слънчевият лъч е насочен към земната повърхност не вертикално, както през деня, а под ъгъл.

Следователно пътят, който изминава през атмосферата, е много по-дълъг от този, който изминава през деня, когато Слънцето е високо. Поради това синьо-синият спектър се абсорбира в дебел слой на атмосферата, без да достига до Земята. А по-дългите светлинни вълни от червено-жълтия спектър достигат повърхността на Земята, оцветявайки небето и облаците в характерните за залеза червени и жълти цветове.

научно обяснение

По-горе дадохме отговора на сравнително прост език. По-долу ще цитираме обосновката, използвайки научни термини и формули.

Извадка от Wiki:

Небето изглежда синьо, защото въздухът разпръсква светлината с къса дължина на вълната повече от светлината с дълга вълна. Интензитетът на релейското разсейване, дължащ се на флуктуации в броя на въздушните газови молекули в обеми, съизмерими с дължините на светлината, е пропорционален на 1 / λ 4, λ е дължината на вълната, т.е. виолетовата част от видимия спектър се разсейва приблизително 16 пъти по-интензивно от червено. Тъй като синята светлина има по-къса дължина на вълната, в края на видимия спектър тя се разсейва повече в атмосферата, отколкото червената. Поради това частта от небето извън посоката на Слънцето има син цвят (но не и виолетов, тъй като слънчевият спектър е неравномерен и интензивността на виолетовия цвят в него е по-малка, а също и поради по-ниската чувствителност на окото към виолетово и повече към синьо, което дразни не само тези, които са чувствителни към сини шишарки в ретината, но и чувствителни към червена и зелена светлина).

По време на залез и зазоряване светлината се движи тангенциално към земната повърхност, така че пътят, изминаван от светлината в атмосферата, става много по-дълъг, отколкото през деня. Поради това по-голямата част от синята и дори зелената светлина се разсейва от пряка слънчева светлина, така че пряката светлина на слънцето, както и облаците, които осветява, и небето близо до хоризонта стават червени.

Вероятно при различен състав на атмосферата, например на други планети, цветът на небето, включително при залез, може да бъде различен. Например цветът на небето на Марс е червеникаво-розов.

Разсейването и поглъщането са основните причини за намаляване на интензитета на светлината в атмосферата. Разсейването варира като функция на съотношението на диаметъра на разсейващата частица към дължината на вълната на светлината. Когато това съотношение е по-малко от 1/10, възниква разсейване на Релей, при което коефициентът на разсейване е пропорционален на 1/λ 4 . При по-големи стойности на съотношението на размера на разсейващите частици към дължината на вълната, законът на разсейване се променя според уравнението на Гюстав Мие; когато това съотношение е по-голямо от 10, законите на геометричната оптика са приложими с достатъчна точност за практика.

Общинска бюджетна образователна институция

"Средно училище Кисловская" на Томска област

Изследвания

Тема: „Защо залезът е червен...”

(светлинна дисперсия)

Завършена работа: ,

Ученик 5А клас

Ръководител;

учител по химия

1. Въведение …………………………………………………………… 3

2. Основна част………………………………………………………… 4

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

Предмет на изследване- залез и небе.

Изследователски хипотези:

Слънцето има лъчи, които оцветяват небето в различни цветове;

Червен цвят може да се получи в лабораторията.

Актуалността на моята тема се крие във факта, че 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 червено по залез и какво му придава такъв цвят.

2. Основно тяло

На пръв поглед този въпрос изглежда прост, но всъщност засяга дълбоките аспекти на пречупването на светлината в атмосферата. Преди да разберете отговора на този въпрос, е необходимо да имате представа какво е светлина..jpg" align="left" height="1 src=">

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? Първият човек, който сериозно изучава светлината, е Исак Нютон. Той вярвал, че светлината се състои от частици частици, които се изстрелват като куршуми. Но някои характеристики на светлината не могат да бъдат обяснени с тази теория.

Друг учен, Хюйгенс, предлага друго обяснение за природата на светлината. Той разработи "вълновата" теория на светлината. Той вярвал, че светлината генерира импулси или вълни по същия начин, по който камък, хвърлен в езерце, създава вълни.

Какви възгледи задържат учените днес относно произхода на светлината? Сега се смята, че светлинните вълни имат характерните черти както на частиците, така и на вълните едновременно. Провеждат се експерименти в подкрепа на двете теории.

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

1. Призмата 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 въздуха в стъклото. Вместо стъкло можете да вземете други материали, които са прозрачни за светлина.

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

дисперсия (лат.) - разсейване, разпръскване - разпръскване

Нютон върху дисперсията.

И. Нютон е първият, който изследва феномена на светлинната дисперсия и се смята за едно от най-важните му научни заслуги. Неслучайно на неговия надгробен камък, издигнат през 1731 г. и украсен с фигури на млади мъже, които държат емблемите на най-важните му открития, една фигура държи призма, а надписът върху паметника съдържа думите: „Той изследва разлика в светлинните лъчи и различните свойства, които се появяват в този случай, за които никой преди не е подозирал. Последното твърдение не е съвсем точно. Дисперсията е била известна и преди, но не е изследвана подробно. Занимавайки се с усъвършенстването на телескопите, Нютон обърна внимание на факта, че изображението, дадено от обектива, е оцветено по краищата. Изследвайки ръбовете, оцветени от пречупване, Нютон направи своите открития в областта на оптиката.

Видим спектър

Когато бял лъч се разложи в призма, се образува спектър, в който излъчване с различни дължини на вълната се пречупва под различни ъгли. Цветовете, включени в спектъра, тоест тези цветове, които могат да бъдат получени от светлинни вълни с една дължина на вълната (или много тесен диапазон), се наричат ​​спектрални цветове. Основните спектрални цветове (със собствено име), както и емисионните характеристики 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 се получи, като се погледне дъгата. Бялата светлина, пречупена във водни капчици, образува дъга, тъй като се състои от много лъчи от всички цветове и те се пречупват по различни начини: червеното е най-слабото, синьото и виолетовото са най-силните. Астрономите изучават спектрите на Слънцето, звездите, планетите, кометите, защото от спектрите може да се научи много.

Азот" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">азот. Червената и синята светлина взаимодействат по различен начин с кислорода. Тъй като дължината на вълната на синьото е приблизително с размера на кислороден атом и поради това синята светлината се разпръсква от кислород в различни посоки, докато червената светлина лесно преминава през атмосферния слой. Всъщност виолетовата светлина се разпръсква още повече в атмосферата, но човешкото око е по-малко податливо на нея, отколкото на синята светлина. В резултат на това, оказва се, че окото на човек е прихванато от всички страни от синята светлина, разпръсната от кислорода, поради което небето ни изглежда синьо.

Без атмосфера на Земята Слънцето би ни изглеждало като ярка бяла звезда, а небето би било черно.

0 "style="border-collapse:collapse;border:none">

необичайни явления

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt="(!LANG:Aurora Borealis" align="left" width="140" height="217 src=">!} сияния От древни времена хората са се възхищавали на величествената картина на сиянията и са се чудили за техния произход. Едно от най-ранните препратки към полярните сияния се намира в Аристотел. В неговата „Метеорология”, написана преди 2300 години, може да се прочете: „Понякога в ясни нощи в небето има много явления – пролуки, пролуки, кървавочервен цвят...

Изглежда, че гори."

Какво вибрира лъчът на ясна нощ?

Какъв тънък пламък удря в небосвода?

Като светкавица без заплашителни облаци

Стреми се от земята към зенита?

Как може да е замръзнала топка

Имаше ли пожар посред зима?

Какво е аврора? Как се формира?

Отговор. Aurora borealis е луминисцентно сияние в резултат на взаимодействието на заредени частици (електрони и протони), летящи от Слънцето, с атоми и молекули от 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.

Аерозол "href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">аерозолно разпръскване на прах и влага, това са основната причина за разлагането на слънчевия цвят (дисперсия). В зенитната позиция падането на слънчевият лъч върху аерозолните компоненти на въздуха се появява почти под прав ъгъл, техният слой между очите на наблюдателя и слънцето е незначителен. Колкото по-ниско слънцето се спуска към хоризонта, толкова по-голяма е дебелината на слоя атмосферен въздух и количеството аерозолна суспензия в него се увеличава. Слънчевите лъчи, спрямо наблюдателя, променят ъгъла на падане върху частиците на суспензията, след което се наблюдава дисперсията на слънчевата светлина. Така че, както бе споменато по-горе, слънчевата светлина се състои от седем основни цвята. Всеки цвят, подобно на електромагнитна вълна, има своя собствена дължина и способност да се разсейва в атмосферата.Основните цветове на спектъра са подредени в скала от червено до виолетово. Червеният цвят има най-малка способност да се разсейва (следователно , абсорбира) в атмосферата. дисперсия, всички цветове, които следват червено на 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 на атмосферния въздух, толкова по-висока е плътността на суспензията, толкова повече лъчи от спектъра ще бъдат разпръснати и погълнати. Добре известен природен феномен: след мощното изригване на вулкана Кракатау през 1883 г. в продължение на няколко години на различни места на планетата 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. имам още 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 невероятно и полезно за практически дейности може да бъде феноменът на пречупване на светлината. Именно това ми позволи да разбера защо залезът е червен.

литература

1., Физика. Химия. 5-6 клетки. Учебник. М.: Дропла, 2009, стр.106

2. Булатни явления в природата. М.: Просвещение, 1974, 143 с.

3. "Кой прави дъгата?" - Квант 1988, бр.6, с.46.

4. Лекции по оптика. Тарасов в природата. - М.: Просвещение, 1988

Интернет ресурси:

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

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

3. http://experience. en/категория/образование/

Всички сме свикнали с факта, че цветът на небето е променлива характеристика. Мъгла, облаци, време на деня - всичко влияе върху цвета на купола над главата. Ежедневната му промяна не занимава умовете на повечето възрастни, което не може да се каже за децата. Те непрекъснато се чудят защо небето е синьо от гледна точка на физиката или какво оцветява залеза в червено. Нека се опитаме да разберем тези не най-простите въпроси.

променлив

Струва си да започнете с отговора на въпроса какво всъщност е небето. В древния свят той наистина е бил разглеждан като купол, покриващ Земята. Днес обаче едва ли някой не знае, че колкото и високо да се издигне един любопитен изследовател, той няма да успее да стигне до този купол. Небето не е нещо, а по-скоро панорама, която се отваря, когато се гледа от повърхността на планетата, вид вид, изтъкан от светлина. Освен това, ако наблюдавате от различни точки, може да изглежда различно. И така, от това, което се издига над облаците, в този момент се открива съвсем различна гледка, отколкото от земята.

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

Природата на цвета

За да отговорите на въпроса защо небето е синьо от гледна точка на физиката, трябва да запомните какъв е цветът. Това е вълна с определена дължина. Светлината, идваща от Слънцето към Земята, се вижда като бяла. Още от опитите на Нютон се знае какво е лъч от седем лъча: червен, оранжев, жълт, зелен, син, индиго и виолетов. Цветовете се различават по дължина на вълната. Червено-оранжевият спектър включва вълни, които са най-впечатляващи в 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, като някои от вълните могат да бъдат погълнати, а други - разпръснати.

Изследване на причината

Много учени са се опитвали да обяснят защо небето е синьо от гледна точка на физиката. Всички изследователи са се стремели да открият явление или процес, който разпръсква светлина в атмосферата на планетата по такъв начин, че в резултат само синьото достига до нас. Първите кандидати за ролята на такива частици бяха водите. Смятало се, че те поглъщат червена светлина и предават синя светлина и в резултат виждаме синьото небе. Следващите изчисления обаче показаха, че количеството озон, ледени кристали и молекули на водната пара, което се намира в атмосферата, не е достатъчно, за да придаде на небето син цвят.

Причина за замърсяване

На следващия етап от изследванията Джон Тиндал предполага, че ролята на желаните частици играе прахът. Синята светлина има най-голяма устойчивост на разсейване и следователно е в състояние да преминава през всички слоеве прах и други суспендирани частици. Тиндал провежда експеримент, който потвърждава предположението му. Той създаде модел на смог в лабораторията и го освети с ярка бяла светлина. Смогът придоби син оттенък. От изследването си ученият направи недвусмислено заключение: цветът на небето се определя от прахови частици, тоест ако въздухът на Земята е бил чист, то не синьо, а бяло небе блестеше над главите на хората.

Господно изследване

Последната точка на 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 над главите ни в познат за нас нюанс. То е във въздуха. Газовите молекули абсорбират най-големите и предимно най-дългите дължини на вълната, еквивалентни на червено. Синьото се разсейва. Точно това днес обяснява какъв цвят на небето виждаме при ясно време.

Внимателният ще забележи, че следвайки логиката на учените, куполът отгоре 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 синьото, а човешкото око е по-чувствително 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 различен цвят на небето. Снимките на най-красивите залези над морето или езерото са чудесна илюстрация за това. Всички видове нюанси на червено и жълто, съчетани със синьо и тъмно синьо, правят такъв спектакъл незабравим. И се обяснява със същото разсейване на светлината. Факт е, че по време на залез и зазоряване слънчевите лъчи трябва да преодолеят много по-дълъг път през атмосферата, отколкото в разгара на деня. В този случай светлината на синьо-зелената част от спектъра се разпръсква в различни посоки и облаците, разположени близо до линията на хоризонта, се оцветяват в нюанси на червено.

Когато облаците покрият небето, картината се променя напълно. не могат да преодолеят плътния слой и повечето от тях просто не достигат земята. Лъчите, които успяха 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 земята, ако облаците са малки по размер, и сивата, когато впечатляващи облаци покриват небето, поглъщайки част от лъчите за втори път.

Друго небе

Интересното е, че на други планети от Слънчевата система, когато се гледа от повърхността, можете да видите небето, много различно от земята. На космически обекти, лишени от атмосфера, слънчевите лъчи свободно достигат повърхността. В резултат на това небето тук е черно, без никакъв нюанс. Такава картина може да се види на Луната, Меркурий и Плутон.

Марсианското небе има червено-оранжев оттенък. Причината за това се крие в праха, който е наситен с 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 звездата, изглежда синя или дори лилава.

Небето над Сатурн е със същия цвят като на Земята. Аквамарин небето 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 дневното пространство отгоре разкрива не по-малко чудеса от изучаването 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, които обаче не всеки може да обясни веднага.

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

Мистерията на небесно синьото

Защо небето е синьо...

Няма човек, който да не е мислил за това поне веднъж в живота си. Средновековните мислители се опитват да обяснят произхода на цвета на небето. Някои от тях предполагат, че синият цвят е истинският цвят на въздуха или някои от съставните му газове. Други смятаха, че истинският цвят на небето е черен, както изглежда през нощта. През деня черният цвят на небето се добавя към белия - слънчевите лъчи и се оказва ... синьо.

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

Нютон също се интересува от мистерията на лазурното небе. Той започна с отхвърлянето на всички предишни теории.

Първо, той твърди, че сместа от бяло и черно никога не образува синьо. Второ, синьото изобщо не е истинският цвят на въздуха. Ако това беше така, тогава Слънцето и Луната при залез нямаше да изглеждат червени, каквито са в действителност, а сини. Върховете на далечни заснежени планини биха изглеждали така.

Представете си, че въздухът е оцветен. Дори и да е много слаб. Тогава дебел слой от него ще действа като цветно стъкло. И ако погледнете през цветно стъкло, тогава всички предмети ще изглеждат със същия цвят като това стъкло. Защо далечните снежни върхове ни изглеждат розови, а не сини изобщо?

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

Но все пак той не разреши загадката на лазурното небе. Той беше объркан от дъгата, едно от най-красивите, поетични явления на природата. Защо изведнъж се появява и също толкова внезапно изчезва? Нютон не може да се задоволи с преобладаващото суеверие: дъгата е знак отгоре, тя предвещава хубаво време. Той се стремеше да открие материалната причина за всяко явление. Той откри и причината за дъгата.

Дъгата е резултат от пречупването на светлината в дъждовните капки. Осъзнавайки това, Нютон успял да изчисли формата на дъгата и да обясни последователността на цветовете в дъгата. Неговата теория не можеше да обясни само появата на двойна дъга, но не беше възможно да направи това до три века по-късно с помощта на много сложна теория.

Успехът на теорията за дъгата хипнотизира Нютон. Той погрешно заключи, че синият цвят на небето и дъгата се дължат на една и съща причина. Дъгата наистина пламва, когато слънчевите лъчи пробият рояк дъждовни капки. Но синьото на небето се вижда не само в 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, плуват 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 дори великият Нютон е извън силата на задачата.

Рейли учи оптика. А хората, които са посветили живота си на изучаването на светлината, прекарват много време в тъмното. Външната светлина пречи на най-фините експерименти, така че прозорците на оптичната лаборатория почти винаги са покрити с черни, непроницаеми завеси.

Рейли остана сам с часове в мрачната си лаборатория с лъчи светлина, излизащи от инструментите. По пътя на лъчите те се въртяха като живи прахови частици. Те бяха ярко осветени и затова се открояваха на тъмен фон. Ученият, може би дълго време в мисли, следеше плавните им движения, точно както човек наблюдава искрите в камината.

Не бяха ли тези прахови частици, танцуващи в лъчите на светлината, които подсказаха 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 първобитен човек, наблюдавайки как, пробивайки пукнатините на хижа, слънчевите лъчи падат по стените и пода.

Но едва ли го притесняваше мисълта защо вижда светлинни лъчи, гледайки ги отстрани. И тук има какво да помислите. В крайна сметка слънчевата светлина е лъч от пукнатината към пода. Окото на наблюдателя е разположено настрани 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 отива към окото ни.

Какво го кара да отклони от пътя? Оказва се, че същите прахови частици, които изпълват въздуха. Лъчи, разпръснати от прашинка, влизат в окото ни, които, срещайки препятствия, се отклоняват от пътя и се разпространяват по права линия от разпръскващото петънце до нашето око.

„Тези прахови частици оцветяват ли небето в синьо?“ Рейли си помисли един ден. Той направи сметката и предчувствието се превърна в сигурност. Той намери обяснение за синия цвят на небето, червените зори и синята мъгла! Е, разбира се, най-малките прахови частици, чиито размери са по-малки от дължината на вълната на светлината, разпръскват слънчевата светлина и колкото по-силна е, толкова по-къса е дължината на вълната, обяви Рейли през 1871 г. И тъй като виолетовите и сините лъчи във видимия слънчев спектър имат най-късата дължина на вълната, те се разсейват най-силно, придавайки на небето син цвят.

Слънцето и снежните върхове се подчиниха на изчислението на 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, според 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 изглежда червено. По същата причина върховете на далечните снежни планини също изглеждат розови.

Гледайки ясното небе, 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 изглежда синя.

Досадна дреболия

Това не е ли красиво обяснение? Самият Рейли беше толкова увлечен от това, учените бяха толкова изумени от хармонията на теорията и победата на Рейли над Нютон, че никой от тях не забеляза едно просто нещо. И тази дреболия обаче трябваше напълно да промени тяхната оценка.

Кой ще отрече, че далеч от града, където има много по-малко прах във въздуха, синият цвят на небето е особено чист и ярък? За самия Рейли беше трудно да отрече това. Така че... праховите частици не разпръскват ли светлината? Тогава какво?

Той отново преразгледа всичките си изчисления и се увери, че неговите уравнения са правилни, но това означава, че праховите частици наистина не са разпръскващи частици. Освен това праховите частици, които присъстват във въздуха, са много по-големи от дължината на вълната на светлината и изчисленията на Рейли убедиха Рейли, че голямото им натрупване не засилва 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 й.

Когато светлината се разсейва от големи частици, както разсеяната, така и пропуснатата светлина остават бели, така че появата на големи частици във въздуха придава на небето белезникав цвят, а натрупването на голям брой големи капчици причинява белия цвят на облаците и мъгла. Това е лесно да се провери с обикновена цигара. Димът, излизащ от него отстрани на мундщука, винаги изглежда белезникав, а димът, който се издига от горящия му край, има синкав цвят.

Най-малките частици дим, издигащи се от горящия край на цигарата, са по-малки от дължината на вълната на светлината и, в съответствие с теорията на Рейли, разпръскват предимно виолетово и синьо. Но при преминаване през тесни канали в дебелината на тютюна, частиците дим се слепват (коагулират), обединявайки се в по-големи бучки. Много от тях стават по-големи от дължините на светлината и разпръскват всички дължини на светлината приблизително еднакво. Ето защо димът, идващ отстрани на мундщука, изглежда белезникав.

Да, беше безполезно да се спори и защитава теория, основана на прахови частици.

И така, мистерията за синия цвят на небето отново изникна пред учените. Но Рейли не се отказа. Ако синият цвят на небето е толкова по-чист и ярък, колкото по-чиста е атмосферата, разсъждава той, тогава цветът на небето не може да се дължи на нищо друго освен на молекулите на самия въздух. Молекулите на въздуха, пише той в новите си статии, са най-малките частици, които разпръскват светлината на слънцето!

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

Шансът се представи през 1906 г. На Рейли помогна американският астрофизик Абът, който изучава синьото сияние на небето в обсерваторията на Маунт Уилсън. Обработвайки резултатите от измерването на яркостта на сиянието на небето на базата на теорията за разсейване на Релей, Абът 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, населяващи земното кълбо, тогава всеки ще получи повече от 10 милиарда от тези молекули. Накратко, Абът установи, че всеки кубичен сантиметър въздух при нормална атмосферна температура и налягане съдържа 27 милиарда по милиард молекули.

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

Това число е добре известно на учените и неведнъж е служило като мярка и контрол при обяснението на явленията, възникващи в газовете.

И сега числото, получено от Абат при измерване на сиянието на небето, съвпадна с числото на Лошмид с голяма точност. Но той използва теорията на разсейването на Релей в своите изчисления. Така ясно доказа, че теорията е вярна, че молекулярното разсейване на светлината наистина съществува.

Изглежда, че теорията на Рейли е надеждно потвърдена от опита; всички учени го смятаха за безупречен.

Той стана всеобщо признат и влезе във всички учебници по оптика. Можеше да се диша спокойно: най-накрая беше намерено обяснение за явлението – толкова познато и в същото време мистериозно.

Още по-изненадващо е, че през 1907 г. отново се повдига въпросът на страниците на известно научно списание: 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-пламенните фенове и почитатели на Рейли. Може би никой не оценяваше и не разбираше толкова много Рели, не познаваше работата му толкова добре, не се интересуваше от научната му работа като младия руски физик Леонид Манделщам.

- В природата на ума на Леонид Исаакович, - припомни по-късно друг съветски учен, академик Н.Д. Папалекси - имаше много общо с Рейли. И неслучайно пътищата на научното им творчество често вървяха успоредно и многократно се пресичаха.

Този път те се прекръстиха по въпроса за произхода на цвета на небето. Преди това Манделщам обичаше основно радиотехниката. За началото на нашия век това беше съвсем нова област на науката и малко хора я разбираха. След откриването на A.S. Попов (през 1895 г.), бяха минали само няколко години и имаше безкрайно много работа. За кратък период Манделщам извършва много сериозни изследвания в областта на електромагнитните трептения във връзка с радиотехническите устройства. През 1902 г. защитава дисертация и на двадесет и три години получава степен доктор по естествена философия от Страсбургския университет.

Занимавайки се с въпросите за възбуждането на радиовълните, Манделщам естествено изучава трудовете на Рейли, който е признат авторитет в изучаването на колебателните процеси. И младият лекар неволно се запозна с проблема с оцветяването на небето.

Но след като се запозна с проблема за оцветяването на небето, Манделщам не само показа заблудата или, както самият той каза, "недостатъчността" на общопризнатата теория на Релей за молекулярно разсейване на светлината, не само разкри тайната на синьото цвят на небето, но също така положи основата на изследвания, довели до едно от най-важните открития във физиката на 20-ти век.

И всичко започна със задочен спор с един от най-великите физици, бащата на квантовата теория, М. Планк. Когато Манделщам се запознава с теорията на Рейли, тя го пленява с нейната резервираност и вътрешни парадокси, които за изненада на младия физик, старият, много опитен Рейли не забелязва. Недостатъчността на теорията на Рейли се разкрива особено ясно при анализа на друга теория, изградена на нейна основа от Планк, за да обясни затихването на светлината, когато тя преминава през оптически хомогенна прозрачна среда.

В тази теория беше взето за основа, че молекулите на веществото, през което 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 Релей за молекулярното разсейване и разчита на нейния авторитет.

Най-лесният начин да разберете същността на въпроса е да разгледате вълните на повърхността на водата. Ако вълна срещне 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 друго освен разпръскване. 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 се разпада.

Плаващите обекти могат да бъдат много по-малки от дължината на вълната, преминаваща през водата. Дори малките зърна ще причинят вторични вълни. Разбира се, с намаляването на размера на частиците, вторичните вълни, които образуват, отслабват, но те все пак ще поемат енергията на основната вълна.

Ето как Планк си представя процеса на затихване на светлинна вълна при преминаване през газ, но ролята на зърната в неговата теория се играе от газовите молекули.

Манделщам се интересува от тази работа на Планк.

Мисловният ход на Манделщам може да се обясни и с примера на вълните на повърхността на водата. Просто трябва да го обмислите по-внимателно. Така че дори малките зърна, плаващи по повърхността на водата, са източници на вторични вълни. Но какво ще стане, ако изсипете тези зърна толкова гъсто, че да покрият цялата повърхност на водата? Тогава ще се окаже, че отделните вторични вълни, причинени от множество зърна, ще се съберат по такъв начин, че напълно загасят онези части от вълните, които се движат отстрани и назад, и разсейването ще спре. Ще има само вълна, бягаща напред. Тя ще тича напред, без изобщо да отслабва. Единственият резултат от наличието на цялата маса зърна ще бъде известно 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 направи математическо изчисление за случая, когато броят на молекулите във въздуха е толкова голям, че дори в толкова малка площ като дължината на вълната на светлината, се съдържат много голям брой молекули. Оказа се, че в този случай вторични светлинни вълни, възбудени от отделни произволно движещи се молекули, се сумират 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 смята, че движението на разсейващите се частици във всички случаи осигурява разсейването на вълните и следователно опроверга основаната на нея теория на Планк.

Така пясъкът беше открит в основата на теорията на разсейването. Цялата величествена сграда се тресеше и заплашваше да се срути.

Съвпадение

Но какво да кажем за определянето на числото на Лошмид от измерванията на сиянието на синьото небе? В крайна сметка експериментът потвърди теорията на Релей за разсейването!

„Това съвпадение трябва да се разглежда като случайно“, пише Манделщам през 1907 г. в работата си „За оптически хомогенни и мътни среди“.

Манделщам показа, че произволното движение на молекулите не може да направи газ хомогенен. Напротив, в реалния газ винаги има най-малкото разреждане и уплътняване, които се образуват 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 нехомогенна, тогава, най-общо казано, падащата светлина също ще бъде разпръсната встрани."

Но тъй като размерите на нехомогенностите, възникващи в резултат на хаотично движение, са по-малки от дължината на вълната на светлинните вълни, вълните, съответстващи на виолетовата и синята част на спектъра, ще бъдат разпръснати предимно. И това води по-специално до синия цвят на небето.

Така загадката на лазурното небе беше най-накрая разгадана. Теоретичната част е разработена от Rayleigh. Физическата природа на разпръсквачите е установена от Манделщам.

Голямата заслуга на Манделщам се крие във факта, че той доказа, че допускането за съвършена хомогенност на газа е несъвместимо с факта, че в него е разпръсната светлина. Той осъзна, че синият цвят на небето доказва, че хомогенността на газовете е само привидна. По-точно, газовете изглеждат хомогенни само когато се изследват с груби инструменти, като барометър, везни или други инструменти, които са засегнати от много милиарди молекули наведнъж. Но един светлинен 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 подлежи на малки локални промени. Следователно една хомогенна среда от нашата „груба“ гледна точка всъщност е нехомогенна. От "гледна точка на светлината" изглежда мътен и следователно разпръсква светлина.

Случайните локални промени в свойствата на материята, произтичащи от термичното движение на молекулите, сега се наричат ​​флуктуации. След като изяснява произхода на флуктуациите на молекулярното разсейване на светлината, Манделщам проправи пътя за нов метод за изследване на материята - флуктуацията или статистическия метод, разработен по-късно от Смолуховски, Лоренц, Айнщайн и самия него в нов основен отдел по физика - статистическа физика.

Небето трябва да блести!

И така, тайната на синия цвят на небето беше разкрита. Но изследването на разсейването на светлината не спря дотук. Привличайки вниманието към почти незабележимите промени в плътността на въздуха и обяснявайки оцветяването на небето с флуктуационното разсейване на светлината, Манделщам със своя изострен инстинкт на учен открива нова, още по-фина характеристика на този процес.

В крайна сметка нехомогенността на въздуха се причинява от случайни колебания в неговата плътност. Големината на тези случайни нехомогенности, плътността на съсиреците, варира с времето. Следователно, твърди ученият, интензитетът също трябва да се променя с времето - силата на разсеяната светлина! В крайна сметка, колкото по-плътни са клъстерите от молекули, толкова по-интензивна е светлината, разпръсната върху тях. И тъй като тези съсиреци се появяват и изчезват произволно, небето, просто казано, трябва да трепти! Силата на блясъка и цвета му трябва да се променят през цялото време (но много слабо)! Но някой забелязал ли е 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. Нито самият Манделщам е имал възможност да провери заключенията на своята теория. Организирането на най-сложните експерименти беше възпрепятствано първо от оскъдните условия на царска Русия, а след това и от трудностите на първите години на революцията, чуждата намеса и гражданската война.

През 1925 г. Манделщам става ръководител на катедра в Московския университет. Тук той се срещна с изключителния учен и опитен експериментатор Григорий Самуилович Ландсберг. И така, свързани с дълбоко приятелство и общи научни интереси, заедно продължиха атаката срещу тайните, скрити в слабите лъчи на разсеяната светлина.

Оптичните лаборатории на университета през онези години все още бяха много бедни на инструменти. Университетът нямаше нито един инструмент, способен да засече трептенето на небето или онези малки разлики в честотите на инцидента и разсеяната светлина, които теорията предвиждаше да 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 бялата - сложна светлина, а разсейването на лъчите с една, строго определена честота. Ако знаят точно честотата на падащата светлина, ще бъде много по-лесно да се търсят близките до нея честоти, които трябва да възникнат при разсейване. Освен това теорията предполага, че наблюденията са по-лесни за правене в твърди тела, тъй като молекулите в тях са разположени много по-близо, отколкото в газовете, и колкото по-плътно е веществото, толкова по-голямо е разсейването.

Започна усърдно търсене на най-подходящите материали. Накрая изборът падна върху кварцовите кристали. Просто защото големите прозрачни кварцови кристали са по-достъпни от всеки друг.

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

Остроумие и работа

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 слабата светлина, причинена от молекулярното разсейване, беше насложена от много по-силна светлина, разпръсната от малки примеси и други дефекти на онези кристални проби, които могат да бъдат получени за експерименти. Изследователите решават да се възползват от факта, че разсеяната светлина, образувана от кристални дефекти и отражения от различни части на настройката, точно съвпада с честотата на падащата светлина. Те се интересуваха само от светлина с честота, променена в съответствие с теорията на Манделщам.Така задачата беше да изолират светлината с променена честота, причинена от молекулярно разсейване на фона на тази много по-ярка светлина.

За да може разсеяната светлина да има стойност, която може да бъде регистрирана, учените решават да осветят кварца с най-мощното осветително устройство, налично за тях: живачна лампа.

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

Идеята на метода беше привлекателна поради своята простота: необходимо е да се абсорбира светлина с постоянна честота и да се пропуска в спектралния апарат само светлина с променена честота. Но разликите в честотата бяха само няколко хилядни от процента. Нито една лаборатория в света нямаше филтър, способен да разделя толкова близки честоти. Въпреки това беше намерено решение.

Разсеяната светлина се пропуска през съд с живачни пари. В резултат на това цялата "вредна" светлина "заседна" в съда, а "полезната" светлина премина без забележимо отслабване. В този случай експериментаторите се възползваха от едно вече известно обстоятелство. Атомът на материята, според квантовата физика, е способен да излъчва светлинни вълни само с доста определени честоти. Този атом обаче също е способен да абсорбира светлина. И само светлинни вълни от тези честоти, които самият той може да излъчва.

В живачна лампа светлината се излъчва от живачни пари, които светят под въздействието на електрически разряд, който се появява вътре в лампата. Ако тази светлина се пропусне през съд, съдържащ също живачни пари, тя ще бъде почти напълно абсорбирана. Това, което теорията предвижда, ще се случи: живачните атоми в съда ще абсорбират светлината, излъчвана от живачните атоми в лампата.

Светлината от други източници, като неонова лампа, ще премине през живачните пари невредима. Атомите на живак дори няма да обърнат внимание на това. Тази част от светлината на живачната лампа, която е била разпръсната в кварца с промяна на дължината на вълната, също няма да бъде погълната.

Именно от това удобно обстоятелство се възползваха Манделщам и Ландсберг.

Удивително откритие

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

Резултатите от експеримента бяха неочаквани и необичайни. Учените са открили съвсем не това, което са очаквали, нито това, което е предсказано от теорията. Те откриха съвсем ново явление. Но какво? И това не е ли грешка? В разсеяната светлина бяха открити неочаквани честоти, но много по-високи и по-ниски честоти. В спектъра на разсеяната светлина се появи цяла комбинация от честоти, които не бяха в светлината, падаща върху кварца. Беше просто невъзможно да се обясни появата им с оптични нехомогенности в кварца.

Започна щателна проверка. Експериментите бяха проведени безупречно. Те бяха замислени толкова остроумни, перфектни и изобретателни, че беше невъзможно да не им се възхищаваме.

- Леонид Исаакович понякога решаваше много трудни технически проблеми толкова красиво, а понякога брилянтно просто, че неволно всеки от нас имаше въпрос: „Защо това не ми хрумна преди?“ - казва един от служителите.

Различни контролни експерименти упорито потвърждаваха, че няма грешка. На снимките на спектъра на разсеяната светлина постоянно се появяват слаби и въпреки това доста очевидни линии, които показват наличието на "допълнителни" честоти в разсеяната светлина.

Дълги месеци учените търсят обяснение на този феномен. Откъде се взеха „чужди” честоти в разсеяната светлина?!

И дойде денят, когато Манделщам осъмна невероятно прозрение. Това беше невероятно откритие, това, което днес се счита 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. Последните експерименти започнаха.

С помощта на слънцето

На 16 февруари индийските учени Ch.N. Раман и К.С. Кришнан изпрати телеграма от Калкута до това списание с кратко описание на своето откритие.

През онези години в списание „Природа” се стичат писма за най-разнообразни открития от цял ​​свят. Но не всеки доклад е предназначен да предизвика вълнение сред учените. Когато изданието с писмото на индийските учени излезе от печат, физиците бяха много развълнувани. Интерес предизвика дори заглавието на бележката - "Нов вид вторично излъчване". В крайна сметка оптиката е една от най-старите науки, през 20-ти век не е било често възможно да се открие нещо непознато в нея.

Може да си представим с какъв интерес физиците от целия свят очакваха новите писма от Калкута.

Техният интерес беше подхранван до голяма степен от самата личност на един от авторите на откритието, Раман. Това е човек с любопитна съдба и изключителна биография, много подобна на тази на Айнщайн. Айнщайн в младостта си беше обикновен учител в гимназията, а след това служител на патентното ведомство. През този период той завършва най-значимите си творби. Раман, брилянтен физик, също след като завършва университета, е принуден да служи в катедрата по финанси в продължение на десет години и едва след това е поканен в катедрата на Университета в Калкута. Скоро Раман става признат ръководител на индийското училище по физика.

Малко преди описаните събития Раман и Кришнан били увлечени от любопитна задача. Тогава страстите, предизвикани през 1923 г. от откритието на американския физик Комптън, който, изучавайки преминаването на рентгеновите лъчи през материята, все още не е утихнал, открива, че част от тези лъчи, разпръсквайки се от първоначалната посока, увеличава дължината на вълната им. Преведено на езика на оптиците, можем да кажем, че рентгеновите лъчи, сблъсквайки се с молекулите на вещество, променят своя „цвет“.

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

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

Както виждате, доброволно или неволно, индийските учени си поставят същата задача като съветските учени. Но целите им бяха различни. Калкута търсеше оптична аналогия на ефекта на Комптън. В Москва - експериментално потвърждение на прогнозата на Манделщам за промяна на честотата по време на разсейване на светлината от флуктуиращи нехомогенности.

Раман и Кришнан замислиха труден експеримент, тъй като очакваният ефект трябваше да бъде изключително малък. За експеримента беше необходим много ярък източник на светлина. И тогава те решиха да използват слънцето, събирайки лъчите му с телескоп.

Диаметърът на лещата му беше равен на осемнадесет сантиметра. Изследователите насочиха събраната светлина през призма към съдове, в които бяха поставени течности и газове, старателно почистени от прах и други замърсители.

Но откриването на очакваната малка дължина на вълната на разсеяната светлина с помощта на бяла слънчева светлина, съдържаща почти всички възможни дължини на вълната, беше безнадеждно. Затова учените решават да използват светлинни филтри. Те поставиха синьо-виолетов филтър пред обектива и наблюдаваха разсеяната светлина през жълто-зелен филтър. Правилно са решили, че това, което преминава през първия филтър, се забива във втория. В крайна сметка жълто-зеленият филтър поглъща синьо-виолетовите лъчи, предавани от първия филтър. И двете, поставени един зад друг, трябва да абсорбират цялата падаща светлина. Ако обаче някои лъчи попаднат в окото на наблюдателя, тогава ще може да се каже със сигурност, че те не са били в падащата светлина, а са родени в изследваното вещество.

Колумба

Наистина, Раман и Кришнан откриха лъчи в разсеяна светлина, преминаващи през втория филтър. Оправиха допълнителните честоти. Това по принцип може да бъде 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 се докаже. Може да има и други причини, причиняващи появата на жълто-зелена светлина. Например, може да се появи в резултат на луминесценция - 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 своя експеримент с шест различни течности и два вида пари. Те се увериха, че нито луминесценцията, нито други причини играят роля тук.

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

Но за да имат завършен вид експериментите и достатъчно убедителни изводи, трябваше да се свърши още една част от работата. Не беше достатъчно да се открие промяна в дължината на вълната. Беше необходимо да се измери мащабът на тази промяна. Първият помогна да се направи светлинен филтър. Беше безсилен да направи второто. Тук учените се нуждаеха от спектроскоп - устройство, което ви позволява да измервате дължината на вълната на изследваната светлина.

И изследователите започнаха втората част, не по-малко сложна и старателна. Но тя също оправда очакванията им. Резултатите отново потвърдиха заключенията от първата част на работата. Дължината на вълната обаче се оказа неочаквано голяма. Много повече от очакваното. Това не притесняваше изследователите.

Как да не си спомняме Колумб тук? Той се стремеше да намери морски път към Индия и, виждайки сушата, не се съмняваше, че е постигнал целта си. Имаше ли основание да се съмнява в увереността си при вида на червенокожите жители и непознатата природа на Новия свят?

Не е ли вярно, че Раман и Кришнан, търсейки да открият ефекта на Комптън във видимата светлина, са решили, че са го открили, като изследват светлината, която преминава през техните течности и газове?! Поколебаха ли се, когато измерванията показаха неочаквано голяма промяна в дължината на вълната на разпръснатите лъчи? Какъв извод са направили от откритието си?

Според индийски учени те са намерили това, което са търсили. На 23 март 1928 г. до Лондон долетя телеграма със статия, озаглавена „Оптичната аналогия на ефекта на Комптън“. Учените написаха: „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 г.

Към писмото на индийските учени беше приложена снимка на спектъра, на която местата си заеха линиите, представящи честотата на падащата светлина и светлината, разпръсната върху молекулите на веществото. Тази снимка, според Раман и Кришнан, илюстрира откритието им по-ясно от всякога.

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

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

Докато вълнението, предизвикано от откритието на индийските учени, растеше, Манделщам и Ландсберг приключваха контролните експерименти и сумираха последните решаващи резултати.

И на 6 май 1928 г. изпращат статия за печат. Към статията е приложена снимка на спектъра.

Очертавайки накратко историята на проблема, изследователите дадоха подробна интерпретация на явлението, което откриха.

И така, какъв беше този феномен, който накара много учени да страдат и да си чупят главите?

Дълбоката интуиция и ясен аналитичен ум на Манделщам веднага подсказват на учения, че откритите промени в честотата на разсеяната светлина не могат да бъдат причинени от онези междумолекулни сили, които изравняват произволните повторения на плътността на въздуха. На учения стана ясно, че причината несъмнено се крие в самите молекули на веществото, че явлението се причинява от вътрешномолекулни вибрации на атомите, които образуват молекулата.

Такива флуктуации възникват с много по-висока честота от тези, които съпътстват образуването и резорбцията на случайни нехомогенности в средата. Именно тези вибрации на атомите в молекулите влияят на разсеяната светлина. Атомите сякаш го маркират, оставят следи върху него, криптират го с допълнителни честоти.

Това беше най-красивото предположение, дръзка инвазия на човешката мисъл отвъд кордона на малка крепост на природата - молекули. И това проучване донесе ценна информация за вътрешната му структура.

Ръка за ръка

Така че, когато се опитваме да открием малка промяна в честотата на разсеяната светлина, причинена от междумолекулни сили, беше открита по-голяма промяна в честотата, причинена от вътрешномолекулни сили.

По този начин, за да се обясни новото явление, наречено „Раманово разсейване на светлината“, беше достатъчно да се допълни създадената от Манделщам теория за молекулярното разсейване с данни за ефекта на вибрациите на атомите вътре в молекулите. Новото явление е открито в резултат на развитието на идеята на Манделщам, формулирана от него през далечната 1918 година.

Да, не без основание, както акад. С.И. Вавилов, „Природата надари Леонид Исаакович с напълно необичаен прозорлив тънък ум, който веднага забеляза и разбра главното, покрай което мнозинството подмина безразлично. Така се разбира флуктуационната същност на разсейването на светлината и така се появява идеята за промяна в спектъра по време на разсейване на светлината, което стана основа за откриването на рамановото разсейване.

Впоследствие от това откритие бяха извлечени огромни ползи, то получи ценно практическо приложение.

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

Ами Раман и Кришнан? Как реагираха на откритието на съветските учени, а и на техните собствени? Разбраха ли какво са открили?

Отговорът на тези въпроси се съдържа в следващото писмо от Раман и Кришнан, което те изпратиха до пресата 9 дни след публикуването на статията от съветски учени. Да, те разбраха, че явлението, което 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, на учени от цял ​​свят става ясно, че едно и също явление е независимо и почти едновременно изучавано и изучавано в Москва и Калкута. Но московските физици го изучават в кварцови кристали, докато индийските физици го изследват в течности и газове.

И този паралелизъм, разбира се, не беше случаен. Тя говори за неотложността на проблема, неговото голямо научно значение. Не е изненадващо, че резултати, близки до заключенията на Манделщам и Раман в края на април 1928 г., са получени независимо и от френските учени Рокар и Кабан. След известно време учените си спомнят, че още през 1923 г. чешкият физик Смекал теоретично е предсказал същото явление. След работата на Смекал се появяват теоретичните изследвания на Крамерс, Хайзенберг и Шрьодингер.

Очевидно само липсата на научна информация може да обясни факта, че учени от много страни са работили върху решаването на същия проблем, без дори да знаят за това.

Тридесет и седем години по-късно

Изследванията на рамановото разсейване не само отвориха нова глава в науката за светлината. В същото време те дадоха мощно оръжие на технологията. Индустрията е получила отличен начин за изследване на свойствата на материята.

В крайна сметка честотите на Раманово разсейване на светлината са отпечатъци, които се наслагват върху светлината от молекулите на средата, която разпръсква светлината. И в различните вещества тези отпечатъци не са еднакви. Това дава правото на академик Манделщам да нарече рамановото разсейване на светлината „език на молекулите“. Тези, които могат да разчетат следите от молекули върху лъчите на светлината, да определят състава на разсеяната светлина, молекулите, използвайки този език, ще разкажат за тайните на тяхната структура.

На негатива на снимката с раманов спектър няма нищо друго освен линии с различна чернота. Но от тази снимка специалистът ще изчисли честотите на вътрешномолекулните вибрации, които се появиха в разсеяната светлина, след като тя премина през веществото. Картината ще разкаже за много неизвестни досега аспекти от вътрешния живот на молекулите: за тяхната структура, за силите, които свързват атомите в молекулите, за относителните движения на атомите. Като се научиха да дешифрират спектрограмите на Раман, физиците са се научили да разбират особения „език на светлината“, който молекулите използват, за да опишат себе си. Така че новото откритие даде възможност да се проникне по-дълбоко във вътрешната структура на молекулите.

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

Методи за изследване на материята, използващи феномена на Раманово разсейване на светлината, са разработени от служители на лабораторията на P.N. Лебедев Академия на науките на СССР, ръководена от акад. Ландсберг.

Тези методи дават възможност за бързо и точно извършване на количествени и качествени анализи на авиационни бензини, крекирани продукти, продукти от нефтопреработка и много други сложни органични течности в заводската лаборатория. За да направите това, достатъчно е да осветите изследваното вещество и да определите състава на светлината, разсеяна от него със спектрограф. Изглежда много просто. Но преди този метод да се окаже наистина удобен и бърз, учените трябваше да работят усилено, за да създадат точно, чувствително оборудване. И ето защо.

От общото количество светлинна енергия, постъпваща в изследваното вещество, само незначителна част - приблизително една десет милиарда - се пада на частта от разсеяната светлина. А рамановото разсейване рядко представлява дори два или три процента от тази стойност. Очевидно затова самото Раманово разсейване остава незабелязано дълго време. И не е изненадващо, че получаването на първите снимки на Раманово разсейване изисква експонации с продължителност десетки часове.

Съвременното оборудване, създадено у нас, дава възможност за получаване на раманов спектър от чисти вещества за няколко минути, а понякога дори и за секунди! Дори за анализа на сложни смеси, в които отделни вещества са включени в количество от няколко процента, обикновено е достатъчна експозиция, която не надвишава един 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 по целия свят се извършва упорита работа за съставяне на „речник“ на езика на молекулите, който оптиците наричат ​​каталог на честотите на Раман. Когато бъде съставен такъв каталог, тълкуването на спектрограмите ще бъде значително улеснено и Рамановото разсейване на светлината ще стане още по-пълно в услуга на науката и индустрията.