Estudio y explicación de la presentación del color del cielo. Entonces, ¿por qué el cielo es azul? Relación entre el color y la longitud de onda

Cuando el viento arroja una capa blanca, esponjosa y transparente sobre el hermoso cielo azul, la gente comienza a mirar hacia arriba cada vez con más frecuencia. Si al mismo tiempo también se pone un gran abrigo de piel gris con hilos plateados de lluvia, entonces los que lo rodean se esconden debajo de los paraguas. Si el atuendo es morado oscuro, entonces todos están sentados en casa y quieren ver el cielo azul soleado.

Y solo cuando aparece un cielo azul soleado tan esperado, que se pone un deslumbrante vestido azul decorado con rayos de sol dorados, la gente se regocija y, sonriendo, abandona sus hogares a la espera del buen tiempo.

La pregunta de por qué el cielo es azul ha intrigado a la gente desde tiempos inmemoriales. Las leyendas griegas han encontrado su respuesta. Afirmaron que este tono se lo da el cristal de roca más puro.

En la época de Leonardo da Vinci y Goethe, también buscaban una respuesta a la pregunta de por qué el cielo es azul. Creían que el color azul del cielo se obtiene mezclando la luz con la oscuridad. Pero más tarde, esta teoría fue refutada como insostenible, ya que resultó que al combinar estos colores, solo puede obtener los tonos del espectro gris, pero no el color.

Después de un tiempo, la respuesta a la pregunta de por qué el cielo es azul se intentó explicar en el siglo XVIII por Mariotte, Bouguer y Euler. Creían que ese era el color natural de las partículas que componen el aire. Esta teoría fue popular incluso a principios del siglo siguiente, especialmente cuando se descubrió que el oxígeno líquido es azul y el ozono líquido es azul.

La primera idea más o menos sensata la dio Saussure, quien sugirió que si el aire estuviera completamente limpio, sin impurezas, el cielo resultaría negro. Pero dado que la atmósfera contiene varios elementos (por ejemplo, vapor o gotas de agua), al reflejar el color, le dan al cielo el tono deseado.

Después de eso, los científicos comenzaron a acercarse cada vez más a la verdad. Arago descubrió la polarización, una de las características de la luz dispersa que rebota en el cielo. En este descubrimiento, el científico definitivamente fue ayudado por la física. Posteriormente, otros investigadores comenzaron a buscar la respuesta. Al mismo tiempo, la pregunta de por qué el cielo es azul fue tan interesante para los científicos que se llevó a cabo una gran cantidad de experimentos diferentes para averiguarlo, lo que llevó a la idea de que la razón principal de la aparición del color azul es que los rayos de nuestro Sol simplemente se esparcen en la atmósfera.

Explicación

Rayleigh, un investigador británico, fue el primero en crear una respuesta matemáticamente sólida para la dispersión de la luz molecular. Sugirió que la luz se dispersa no por las impurezas que posee la atmósfera, sino por las propias moléculas de aire. Su teoría fue desarrollada, y estas son las conclusiones a las que llegaron los científicos.

Los rayos del sol llegan a la Tierra a través de su atmósfera (una gruesa capa de aire), la llamada capa de aire del planeta. El cielo oscuro está completamente lleno de aire que, a pesar de ser completamente transparente, no es un vacío, sino que se compone de moléculas de gas: nitrógeno (78 %) y oxígeno (21 %), así como gotas de agua, vapor, cristales de hielo y pequeñas piezas de material sólido (por ejemplo, partículas de polvo, hollín, ceniza, sal marina, etc.).

Algunos rayos logran pasar libremente entre las moléculas de gas, eludiéndolas por completo y, por lo tanto, llegan a la superficie de nuestro planeta sin cambios, pero la mayoría de los rayos chocan con moléculas de gas que entran en un estado excitado, reciben energía y liberan rayos multicolores en diferentes direcciones, coloreando completamente el cielo, dando como resultado un cielo azul soleado.

La luz blanca en sí consta de todos los colores del arcoíris, que a menudo se pueden ver cuando se descompone en sus componentes. Sucede que los colores azul y violeta son los que más se dispersan porque son la parte más corta del espectro, ya que tienen la longitud de onda más corta.

Cuando se mezcla en una atmósfera de azul y púrpura con una pequeña cantidad de rojo, amarillo y verde, el cielo comienza a "brillar" en azul.

Dado que la atmósfera de nuestro planeta no es homogénea, sino bastante diferente (es más densa cerca de la superficie de la Tierra que en la parte superior), tiene una estructura y propiedades diferentes, podemos observar desbordamientos azules. Antes del atardecer o el amanecer, cuando la longitud de los rayos del sol aumenta significativamente, los colores azul y púrpura se dispersan en la atmósfera y no llegan a la superficie de nuestro planeta. Las ondas amarillo-rojas alcanzan con éxito lo que observamos en el cielo durante este período de tiempo.

Por la noche, cuando los rayos del sol, que caen en cierto lado del planeta, no tienen oportunidad, la atmósfera allí se vuelve transparente y vemos el espacio "negro". Así es como lo ven los astronautas sobre la atmósfera. Vale la pena señalar que los astronautas tuvieron suerte, porque cuando están a más de 15 km sobre la superficie terrestre, durante el día pueden observar simultáneamente el Sol y las estrellas.

Color del cielo en otros planetas

Dado que el color del cielo depende en gran medida de la atmósfera, no es de extrañar que en diferentes planetas sea de diferentes colores. Curiosamente, la atmósfera de Saturno es del mismo color que la de nuestro planeta.

Muy hermosos cielos color aguamarina de Urano. Su atmósfera se compone principalmente de helio e hidrógeno. También contiene metano, que absorbe completamente el rojo y dispersa el verde y el azul. Los cielos azules de Neptuno: en la atmósfera de este planeta no hay tanto helio e hidrógeno como el nuestro, pero sí mucho metano, que neutraliza la luz roja.

La atmósfera en la Luna, un satélite de la Tierra, así como en Mercurio y Plutón, está completamente ausente, por lo tanto, los rayos de luz no se reflejan, por lo que el cielo aquí es negro y las estrellas se distinguen fácilmente. Los colores azul y verde de los rayos del sol son completamente absorbidos por la atmósfera de Venus, y cuando el Sol está cerca del horizonte, el cielo aquí es amarillo.

¿Por qué el cielo es azul? Es difícil encontrar una respuesta a una pregunta tan simple. Muchos científicos se han desconcertado con la respuesta. La mejor solución al problema fue propuesta hace unos 100 años por un físico inglés Señor Juan Rayleigh.

El sol emite una luz blanca deslumbrantemente pura. Así que el color del cielo debería ser el mismo, pero sigue siendo azul. ¿Qué le sucede a la luz blanca en la atmósfera terrestre?

La luz blanca es una mezcla de rayos de colores. Con un prisma, podemos hacer un arcoíris.

El prisma descompone el haz blanco en franjas de colores:

■rojo

■naranja

■ Amarillo

■ Verde

■ Azul

■ Azul

■ Púrpura

Al combinarse, estos rayos vuelven a formar luz blanca. Se puede suponer que la luz solar se divide primero en componentes coloreados. Entonces sucede algo, y solo los rayos azules alcanzan la superficie de la Tierra.

Entonces, ¿por qué el cielo es azul?

hay varias explicaciones posibles. El aire que rodea la Tierra es una mezcla de gases: nitrógeno, oxígeno, argón y otros. La atmósfera también contiene vapor de agua y cristales de hielo. El polvo y otras partículas pequeñas están suspendidas en el aire. La capa de ozono está en la atmósfera superior. Podría ser ésta la razón? Algunos científicos creían que las moléculas de ozono y agua absorben los rayos rojos y transmiten los azules. Pero resultó que simplemente no había suficiente ozono y agua en la atmósfera para teñir el cielo de azul.

En 1869 un inglés Juan Tyndall sugirió que el polvo y otras partículas dispersan la luz. La luz azul es la que menos se dispersa y atraviesa capas de este tipo de partículas para llegar a la superficie terrestre. En su laboratorio, creó un modelo de smog y lo iluminó con un haz blanco brillante. El smog se volvió azul profundo. Tyndall decidió que si el aire fuera absolutamente puro, nada dispersaría la luz y podríamos admirar el cielo blanco brillante. Señor Rayleigh También apoyó esta idea, pero no por mucho tiempo. En 1899 publicó su explicación:

Es el aire, no el polvo ni el humo, lo que colorea el cielo de azul.

Teoría básica sobre el color azul del cielo.

Parte de los rayos del sol pasan entre las moléculas de gas sin chocar con ellas y alcanzan la superficie terrestre sin cambios. El otro, en su mayor parte, es absorbido por moléculas de gas. Cuando los fotones son absorbidos, las moléculas se excitan, es decir, se cargan de energía, y luego la emiten en forma de fotones de nuevo. Estos fotones secundarios tienen diferentes longitudes de onda y pueden ser de cualquier color, desde rojo hasta púrpura. Se dispersan en todas las direcciones: hacia la Tierra, hacia el Sol y hacia los lados. Lord Rayleigh sugirió que el color del haz emitido depende del predominio de cuantos de un color u otro en el haz. Cuando una molécula de gas choca con fotones solares, hay ocho cuantos azules para un cuanto rojo secundario.

Cual es el resultado? La luz azul intensa literalmente se vierte sobre nosotros desde todas las direcciones desde miles de millones de moléculas de gas atmosférico. Esta luz tiene fotones de otros colores mezclados, por lo que no tiene un tono azul puro.

¿Por qué la puesta de sol es roja entonces?

Sin embargo, el cielo no siempre es azul. La pregunta surge naturalmente: si vemos cielos azules todo el día, ¿por qué la puesta de sol es roja? El rojo es el menos difundido por las moléculas de gas. Durante la puesta del sol, el Sol se acerca al horizonte y el rayo de sol se dirige a la superficie de la Tierra no verticalmente, como durante el día, sino en ángulo.

Por lo tanto, el camino que toma a través de la atmósfera es mucho más largo que el que toma durante el día cuando el Sol está alto. Debido a esto, el espectro azul-azul se absorbe en una capa gruesa de la atmósfera, sin llegar a la Tierra. Y las ondas de luz más largas del espectro rojo-amarillo alcanzan la superficie de la Tierra, coloreando el cielo y las nubes con los colores rojo y amarillo característicos de la puesta del sol.

explicación científica

Arriba hemos dado la respuesta en un lenguaje relativamente simple. A continuación citaremos la justificación utilizando términos y fórmulas científicas.

Extracto de wiki:

El cielo se ve azul porque el aire dispersa la luz de longitud de onda corta más que la luz de longitud de onda larga. La intensidad de la dispersión de Rayleigh, debido a las fluctuaciones en el número de moléculas de gas del aire en volúmenes acordes con las longitudes de onda de la luz, es proporcional a 1 / λ 4, λ es la longitud de onda, es decir, la parte violeta del espectro visible se dispersa aproximadamente 16 veces más intensamente que el rojo. Dado que la luz azul tiene una longitud de onda más corta, al final del espectro visible, se dispersa más en la atmósfera que la roja. Debido a esto, la parte del cielo fuera de la dirección del Sol tiene un color azul (pero no violeta, ya que el espectro solar es desigual y la intensidad del color violeta en él es menor, y también debido a la menor sensibilidad de el ojo al violeta y más al azul, lo que irrita no sólo a los sensibles a los conos azules en la retina, sino también a los sensibles a la luz roja y verde).

Durante el atardecer y el amanecer, la luz viaja tangencialmente a la superficie de la tierra, de modo que el camino recorrido por la luz en la atmósfera se vuelve mucho más largo que durante el día. Debido a esto, la mayor parte de la luz azul e incluso verde se dispersa por la luz solar directa, por lo que la luz directa del sol, así como las nubes que ilumina y el cielo cerca del horizonte, se vuelven rojos.

Probablemente, con una composición diferente de la atmósfera, por ejemplo, en otros planetas, el color del cielo, incluso al atardecer, puede ser diferente. Por ejemplo, el color del cielo en Marte es rosa rojizo.

La dispersión y la absorción son las principales causas de la atenuación de la intensidad de la luz en la atmósfera. La dispersión varía en función de la relación entre el diámetro de la partícula de dispersión y la longitud de onda de la luz. Cuando esta relación es inferior a 1/10, se produce la dispersión de Rayleigh, en la que el coeficiente de dispersión es proporcional a 1/λ 4 . A valores mayores de la relación entre el tamaño de las partículas de dispersión y la longitud de onda, la ley de dispersión cambia según la Ecuación de Gustave Mie; cuando esta relación es superior a 10, las leyes de la óptica geométrica son aplicables con suficiente precisión para la práctica.

Institución educativa presupuestaria municipal

"Escuela secundaria Kislovskaya" de la región de Tomsk

Investigación

Tema: “¿Por qué la puesta de sol es roja…”

(dispersión de luz)

Trabajo completado: ,

estudiante de clase 5A

Supervisor;

profesor de química

1. Introducción …………………………………………………… 3

2. Parte principal……………………………………………… 4

3. Qué es la luz……………………………………………….. 4

Tema de estudio- puesta de sol y cielo.

Hipótesis de investigación:

El sol tiene rayos que pintan el cielo de diferentes colores;

El color rojo se puede obtener en el laboratorio.

La relevancia de mi tema radica en el hecho de que será interesante y útil para los oyentes porque muchas personas miran el cielo azul claro, lo admiran y pocos saben por qué es tan azul durante el día y rojo al atardecer y qué le da tal color.

2. Cuerpo principal

A primera vista, esta pregunta parece simple, pero en realidad toca aspectos profundos de la refracción de la luz en la atmósfera. Antes de entender la respuesta a esta pregunta, es necesario tener una idea de lo que es la luz..jpg" align="left" height="1 src=">

¿Qué es la luz?

La luz del sol es energía. El calor de los rayos del sol, enfocados por la lente, se convierte en fuego. La luz y el calor son reflejados por las superficies blancas y absorbidos por las negras. Por eso la ropa blanca es más fría que la negra.

¿Cuál es la naturaleza de la luz? La primera persona en estudiar seriamente la luz fue Isaac Newton. Él creía que la luz consiste en partículas de corpúsculos, que se disparan como balas. Pero algunas características de la luz no pudieron ser explicadas por esta teoría.

Otro científico, Huygens, ofreció otra explicación de la naturaleza de la luz. Desarrolló la teoría de la "onda" de la luz. Él creía que la luz genera impulsos u ondas, de la misma manera que una piedra arrojada a un estanque crea ondas.

¿Qué puntos de vista tienen los científicos hoy en día sobre el origen de la luz? Ahora se cree que las ondas de luz tienen los rasgos característicos de partículas y ondas al mismo tiempo. Se están realizando experimentos para respaldar ambas teorías.

La luz está formada por fotones, partículas ingrávidas que no tienen masa, viajan a unos 300 000 km/s y tienen propiedades ondulatorias. La frecuencia de las vibraciones de las ondas de luz determina su color. Además, cuanto mayor sea la frecuencia de oscilación, menor será la longitud de onda. Cada color tiene su propia frecuencia de vibración y longitud de onda. La luz solar blanca se compone de muchos colores que se pueden ver cuando se refracta a través de un prisma de vidrio.

1. Un prisma descompone la luz.

2. La luz blanca es compleja.

Si observa de cerca el paso de la luz a través de un prisma triangular, puede ver que la descomposición de la luz blanca comienza tan pronto como la luz pasa del aire al vidrio. En lugar de vidrio, puede tomar otros materiales que sean transparentes a la luz.

Es destacable que esta experiencia ha sobrevivido siglos, y su metodología aún se utiliza en laboratorios sin cambios significativos.

dispersión (lat.) - dispersión, dispersión - dispersión

Newton en la dispersión.

I. Newton fue el primero en estudiar el fenómeno de la dispersión de la luz y se considera uno de sus méritos científicos más importantes. No en vano, en su lápida, erigida en 1731 y decorada con figuras de jóvenes que portan los emblemas de sus más importantes descubrimientos, una figura sostiene un prisma, y ​​la inscripción del monumento contiene las palabras: “Él investigó el diferencia en los rayos de luz y las diversas propiedades que aparecen en este caso, que nadie sospechaba antes. La última afirmación no es del todo exacta. La dispersión se conocía antes, pero no se ha estudiado en detalle. Al estar comprometido en la mejora de los telescopios, Newton llamó la atención sobre el hecho de que la imagen dada por la lente está coloreada en los bordes. Investigando los bordes coloreados por la refracción, Newton hizo sus descubrimientos en el campo de la óptica.

Espectro visible

Cuando un haz blanco se descompone en un prisma, se forma un espectro en el que la radiación de diferentes longitudes de onda se refracta en diferentes ángulos. Los colores incluidos en el espectro, es decir, aquellos colores que pueden obtenerse mediante ondas de luz de una longitud de onda (o un rango muy estrecho), se denominan colores espectrales. Los principales colores espectrales (que tienen su propio nombre), así como las características de emisión de estos colores, se presentan en la tabla:

Cada “color” en el espectro debe estar asociado con una onda de luz de cierta longitud.

La idea más simple del espectro se puede obtener mirando un arcoíris. La luz blanca, refractada en las gotas de agua, forma un arcoíris, ya que se compone de muchos rayos de todos los colores, y se refractan de diferentes formas: el rojo es el más débil, el azul y el violeta los más fuertes. Los astrónomos estudian los espectros del Sol, las estrellas, los planetas, los cometas, porque se puede aprender mucho de los espectros.

Nitrógeno" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">nitrógeno. La luz roja y azul interactúan de manera diferente con el oxígeno. Dado que la longitud de onda del azul es aproximadamente del tamaño de un átomo de oxígeno, y debido a esto, el azul el oxígeno dispersa la luz en diferentes direcciones, mientras que la luz roja atraviesa fácilmente la capa atmosférica. De hecho, la luz violeta se dispersa aún más en la atmósfera, pero el ojo humano es menos susceptible a ella que a la luz azul. Como resultado, Resulta que el ojo de una persona es captado por todos lados por la luz azul dispersada por el oxígeno, lo que hace que el cielo nos parezca azul.

Sin una atmósfera en la Tierra, el Sol se nos aparecería como una estrella blanca brillante y el cielo sería negro.

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fenómenos inusuales

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt="(!LANG:Aurora boreal" align="left" width="140" height="217 src=">!} auroras Desde la antigüedad, la gente ha admirado la imagen majestuosa de las auroras y se ha preguntado sobre su origen. Una de las primeras referencias a las auroras se encuentra en Aristóteles. En su "Meteorología", escrita hace 2300 años, se puede leer: "A veces, en las noches despejadas, hay muchos fenómenos en el cielo: brechas, brechas, color rojo sangre...

Parece que está en llamas".

¿Qué hace vibrar el rayo de la noche clara?

¿Qué llama delgada golpea en el firmamento?

Como un relámpago sin nubes amenazantes

¿Se esfuerza desde la tierra hasta el cenit?

Como puede ser que una bola congelada

¿Hubo un incendio en pleno invierno?

¿Qué es la aurora? ¿Cómo se forma?

Responder. La aurora boreal es un resplandor luminiscente resultante de la interacción de partículas cargadas (electrones y protones) que vuelan desde el Sol con átomos y moléculas de la atmósfera terrestre. La aparición de estas partículas cargadas en determinadas regiones de la atmósfera ya determinadas alturas es el resultado de la interacción del viento solar con el campo magnético terrestre.

Aerosol "href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">aerosol dispersión de polvo y humedad, estas son la razón principal de la descomposición del color del sol (dispersión). En la posición cenital, la caída de el rayo del sol sobre los componentes de aerosol del aire se produce casi en ángulo recto, su capa entre los ojos del observador y el sol es insignificante. Cuanto más baja el sol hacia el horizonte, mayor es el espesor de la capa de aire atmosférico. y la cantidad de suspensión de aerosol aumenta. Los rayos del sol, en relación con el observador, cambian el ángulo de incidencia sobre las partículas de suspensión, luego se observa la dispersión de la luz solar. Entonces, como se mencionó anteriormente, la luz solar consta de siete colores primarios. Cada color, como una onda electromagnética, tiene su propia longitud y capacidad para dispersarse en la atmósfera. Los colores primarios del espectro están ordenados en una escala, del rojo al violeta. El color rojo tiene la menor capacidad de dispersión (por lo , absorber) en la atmósfera. dispersión, todos los colores que siguen al rojo en la escala son dispersados ​​por los componentes de la suspensión del aerosol y absorbidos por ellos. El observador solo ve rojo. Esto significa que cuanto más gruesa sea la capa de aire atmosférico, cuanto mayor sea la densidad de la suspensión, más rayos del espectro se dispersarán y absorberán. Un fenómeno natural bien conocido: luego de la poderosa erupción del volcán Krakatoa en 1883, durante varios años se observaron atardeceres rojizos inusualmente brillantes en diferentes lugares del planeta. Esto se debe a la poderosa liberación de polvo volcánico a la atmósfera durante la erupción.

No creo que mi investigación termine ahí. tengo mas preguntas Quiero saber:

¿Qué sucede cuando los rayos de luz atraviesan varios líquidos, soluciones;

Cómo se refleja y absorbe la luz.

Después de completar este trabajo, me convencí de lo sorprendente y útil que puede ser el fenómeno de la refracción de la luz para actividades prácticas. Fue eso lo que me permitió entender por qué la puesta de sol es roja.

Literatura

1., Física. Química. 5-6 celdas. Libro de texto. M.: Avutarda, 2009, p.106

2. Bulat fenómenos en la naturaleza. M.: Ilustración, 1974, 143 p.

3. "¿Quién hace el arcoíris?" - Quant 1988, No. 6, página 46.

4. Conferencias sobre óptica. Tarasov en la naturaleza. - M.: Ilustración, 1988

Recursos de Internet:

1. http://potomía. es/ ¿Por qué el cielo es azul?

2. http://www. voprosy-kak-i-pochemu. es ¿Por qué el cielo es azul?

3. http://experiencia. es/categoria/educación/

Todos estamos acostumbrados a que el color del cielo sea una característica variable. Niebla, nubes, hora del día: todo afecta el color de la cúpula. Su cambio diario no ocupa la mente de la mayoría de los adultos, lo que no se puede decir de los niños. Constantemente se preguntan por qué el cielo es azul en términos de física o qué hace que la puesta de sol sea roja. Tratemos de comprender estas no las preguntas más simples.

cambiable

Vale la pena comenzar con la respuesta a la pregunta de qué es, de hecho, el cielo. En el mundo antiguo, en realidad se veía como una cúpula que cubría la Tierra. Hoy, sin embargo, casi nadie no sabe que, por muy alto que se eleve un explorador curioso, no podrá llegar a esta cúpula. El cielo no es una cosa, sino un panorama que se abre cuando se mira desde la superficie del planeta, una especie de apariencia tejida de luz. Además, si observa desde diferentes puntos, puede verse diferente. Entonces, desde lo que se ha elevado por encima de las nubes, se abre una vista completamente diferente a la de la tierra en este momento.

Un cielo despejado es azul, pero tan pronto como entran las nubes, se vuelve gris, plomizo o blanquecino. El cielo nocturno es negro, a veces se pueden ver áreas rojizas en él. Este es un reflejo de la iluminación artificial de la ciudad. La razón de todos estos cambios es la luz y su interacción con el aire y las partículas de diversas sustancias que contiene.

La naturaleza del color

Para responder a la pregunta de por qué el cielo es azul desde el punto de vista de la física, debes recordar de qué color es. Esta es una onda de cierta longitud. La luz que llega del Sol a la Tierra se ve blanca. Incluso a partir de los experimentos de Newton, se sabe qué es un haz de siete rayos: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Los colores difieren en la longitud de onda. El espectro rojo-naranja incluye ondas que son las más impresionantes en este parámetro. partes del espectro se caracterizan por una longitud de onda corta. La descomposición de la luz en un espectro ocurre cuando choca con moléculas de varias sustancias, mientras que algunas de las ondas pueden absorberse y otras pueden dispersarse.

Investigación de la causa

Muchos científicos han tratado de explicar por qué el cielo es azul en términos físicos. Todos los investigadores han buscado descubrir un fenómeno o proceso que disperse la luz en la atmósfera del planeta de tal manera que como resultado solo nos llegue el azul. Los primeros candidatos para el papel de tales partículas fueron las aguas. Se creía que absorben la luz roja y transmiten la luz azul, y como resultado vemos el cielo azul. Los cálculos posteriores, sin embargo, mostraron que la cantidad de moléculas de ozono, cristales de hielo y vapor de agua que hay en la atmósfera no es suficiente para dar al cielo un color azul.

Razón de la contaminación

En la siguiente etapa de la investigación, John Tyndall sugirió que el papel de las partículas deseadas lo desempeña el polvo. La luz azul tiene la mayor resistencia a la dispersión y, por lo tanto, puede atravesar todas las capas de polvo y otras partículas en suspensión. Tyndall realizó un experimento que confirmó su suposición. Creó un modelo de smog en el laboratorio y lo iluminó con luz blanca brillante. El smog adquirió un tinte azul. El científico llegó a una conclusión inequívoca de su estudio: el color del cielo está determinado por las partículas de polvo, es decir, si el aire de la Tierra estaba limpio, entonces no era azul, sino cielos blancos que brillaban sobre las cabezas de las personas.

estudio del señor

El punto final sobre la pregunta de por qué el cielo es azul (desde el punto de vista de la física) fue planteado por el científico inglés Lord D. Rayleigh. Demostró que no es el polvo o el smog lo que pinta el espacio sobre nuestras cabezas en un tono familiar para nosotros. Está en el aire mismo. Las moléculas de gas absorben las longitudes de onda más grandes, y principalmente las más largas, equivalentes al rojo. El azul se disipa. Esto es exactamente lo que hoy explica de qué color es el cielo que vemos cuando hace buen tiempo.

El atento notará que, siguiendo la lógica de los científicos, la cúpula superior debe ser de color púrpura, ya que es este color el que tiene la longitud de onda más corta en el rango visible. Sin embargo, esto no es un error: la proporción de violeta en el espectro es mucho menor que la de azul, y el ojo humano es más sensible a este último. De hecho, el azul que vemos es el resultado de mezclar el azul con el violeta y algunos otros colores.

puestas de sol y nubes

Todo el mundo sabe que en diferentes momentos del día se puede ver un color diferente del cielo. Las fotos de las puestas de sol más hermosas sobre el mar o el lago son una gran ilustración de esto. Todo tipo de tonos de rojo y amarillo combinados con azul y azul oscuro hacen que este espectáculo sea inolvidable. Y se explica por la misma dispersión de la luz. El hecho es que durante el atardecer y el amanecer, los rayos del sol tienen que superar un camino mucho más largo a través de la atmósfera que en el punto más alto del día. En este caso, la luz de la parte azul-verde del espectro se dispersa en diferentes direcciones y las nubes situadas cerca de la línea del horizonte se colorean con tonos de rojo.

Cuando las nubes cubren el cielo, la imagen cambia por completo. incapaz de superar la capa densa, y la mayoría de ellos simplemente no llegan al suelo. Los rayos que lograron atravesar las nubes se encuentran con gotas de agua de lluvia y nubes, que nuevamente distorsionan la luz. Como resultado de todas estas transformaciones, la luz blanca llega a la tierra si las nubes son de pequeño tamaño, y gris cuando nubes imponentes cubren el cielo, absorbiendo por segunda vez parte de los rayos.

Otros cielos

Curiosamente, en otros planetas del sistema solar, cuando se mira desde la superficie, se puede ver el cielo, muy diferente a la tierra. En los objetos espaciales privados de atmósfera, los rayos del sol alcanzan libremente la superficie. Como resultado, el cielo aquí es negro, sin ningún tipo de matiz. Tal imagen se puede ver en la Luna, Mercurio y Plutón.

El cielo marciano tiene un tono rojo anaranjado. La razón de esto radica en el polvo, que está saturado con la atmósfera del planeta. Está pintado en diferentes tonos de rojo y naranja. Cuando el Sol se eleva sobre el horizonte, el cielo marciano se vuelve de color rojo rosado, mientras que la parte que rodea inmediatamente al disco de la estrella aparece azul o incluso púrpura.

El cielo sobre Saturno es del mismo color que en la Tierra. Los cielos aguamarina se extienden sobre Urano. La razón radica en la neblina de metano ubicada en los planetas superiores.

Venus está oculto a los ojos de los investigadores por una densa capa de nubes. No permite que los rayos del espectro azul-verde lleguen a la superficie del planeta, por lo que el cielo aquí es amarillo-naranja con una franja gris a lo largo del horizonte.

El estudio del espacio aéreo diurno revela no menos maravillas que el estudio del cielo estrellado. Comprender los procesos que ocurren en las nubes y detrás de ellas ayuda a comprender la razón de las cosas que son bastante familiares para la persona promedio, que, sin embargo, no todos pueden explicar de inmediato.

Alegría de ver y entender
es el regalo más hermoso de la naturaleza.
Albert Einstein

misterio del cielo azul

¿Por qué el cielo es azul?...

No hay tal persona que no haya pensado en esto al menos una vez en su vida. Los pensadores medievales intentaron explicar el origen del color del cielo. Algunos de ellos sugirieron que el azul era el verdadero color del aire o de algunos de sus gases constituyentes. Otros pensaron que el verdadero color del cielo era el negro, como se ve de noche. Durante el día, el color negro del cielo se agrega al blanco, los rayos del sol, y resulta ... azul.

Ahora, tal vez, no conocerá a una persona que, queriendo obtener pintura azul, mezcle blanco y negro. Y hubo un tiempo en que las leyes de la mezcla de colores aún no estaban claras. Fueron instalados hace solo trescientos años por Newton.

Newton también se interesó por el misterio del cielo azul. Comenzó rechazando todas las teorías anteriores.

Primero, argumentó, una mezcla de blanco y negro nunca forma azul. En segundo lugar, el azul no es el verdadero color del aire en absoluto. Si este fuera el caso, entonces el Sol y la Luna al atardecer no parecerían rojos, como realmente son, sino azules. Los picos de montañas nevadas lejanas se habrían visto así.

Imagina que el aire está coloreado. Incluso si es muy débil. Luego, una capa gruesa actuaría como vidrio coloreado. Y si miras a través de un vidrio coloreado, todos los objetos aparecerán del mismo color que este vidrio. ¿Por qué los picos nevados distantes nos parecen rosados ​​y no azules en absoluto?

En una disputa con sus predecesores, la verdad estuvo del lado de Newton. Demostró que el aire no tiene color.

Pero aún así, no resolvió el enigma del cielo azul. Estaba confundido por el arcoíris, uno de los fenómenos más bellos y poéticos de la naturaleza. ¿Por qué aparece de repente y desaparece de la misma manera? Newton no podía estar satisfecho con la superstición imperante: un arco iris es una señal desde arriba, presagia buen tiempo. Buscó encontrar la causa material de cada fenómeno. También encontró la causa del arcoíris.

Un arcoíris es el resultado de la refracción de la luz en las gotas de lluvia. Al darse cuenta de esto, Newton pudo calcular la forma del arco iris y explicar la secuencia de colores en el arco iris. Su teoría no podía explicar únicamente la aparición de un arcoíris doble, sino que no fue posible hacerlo hasta tres siglos después con la ayuda de una teoría muy compleja.

El éxito de la teoría del arcoíris cautivó a Newton. Concluyó erróneamente que el color azul del cielo y el arco iris se debían a la misma causa. Un arcoíris realmente se enciende cuando los rayos del sol atraviesan un enjambre de gotas de lluvia. ¡Pero el azul del cielo es visible no solo en la lluvia! Por el contrario, es con tiempo despejado, cuando no hay ni un atisbo de lluvia, cuando el cielo es especialmente azul. ¿Cómo es que el gran científico no se dio cuenta de esto? Newton pensó que las burbujas de agua más pequeñas, que, según su teoría, forman solo la parte azul del arco iris, flotan en el aire en cualquier clima. Pero esto fue una ilusión.

Primera decisión

Han pasado casi 200 años, y otro científico inglés, Rayleigh, abordó este tema, sin temer que incluso el gran Newton estaba más allá del poder de la tarea.

Rayleigh estudió óptica. Y las personas que han dedicado su vida al estudio de la luz pasan mucho tiempo en la oscuridad. La luz extraña interfiere con los experimentos más sutiles, por lo que las ventanas del laboratorio óptico casi siempre están cubiertas con cortinas negras e impenetrables.

Rayleigh permaneció solo durante horas en su lúgubre laboratorio con haces de luz escapando de los instrumentos. En el camino de los rayos, se arremolinaban como partículas de polvo vivas. Estaban muy iluminados y, por lo tanto, destacaban sobre un fondo oscuro. El científico, quizás durante mucho tiempo en sus pensamientos, siguió sus suaves movimientos, tal como una persona observa las chispas en una chimenea.

¿No fueron estas partículas de polvo bailando en los rayos de luz las que sugirieron a Rayleigh una nueva idea sobre el origen del color del cielo?

Incluso en la antigüedad, se supo que la luz se propaga en línea recta. Este importante descubrimiento pudo haberlo hecho un hombre primitivo, al observar cómo, atravesando las rendijas de una choza, los rayos del sol caían sobre las paredes y el piso.

Pero apenas le molestó la idea de por qué ve rayos de luz, mirándolos desde un lado. Y aquí hay algo para pensar. Después de todo, la luz del sol es un rayo desde la grieta hasta el suelo. El ojo del observador se sitúa a un lado y, sin embargo, ve esta luz.

También vemos la luz de un reflector dirigido al cielo. Esto significa que parte de la luz de alguna manera se desvía del camino directo y se dirige a nuestro ojo.

¿Qué le hace desviarse del camino? Resulta que las mismas partículas de polvo que llenan el aire. Los rayos que son dispersados ​​por una mota de polvo entran en nuestro ojo, que, al encontrar obstáculos, se desvían del camino y se propagan en línea recta desde la mota de dispersión hasta nuestro ojo.

“¿Están estas partículas de polvo coloreando el cielo azul?” Rayleigh pensó un día. Hizo los cálculos y la corazonada se convirtió en certeza. ¡Encontró una explicación para el color azul del cielo, los amaneceres rojos y la neblina azul! Bueno, por supuesto, las partículas de polvo más pequeñas, cuyas dimensiones son más pequeñas que la longitud de onda de la luz, dispersan la luz solar y más fuerte cuanto más corta es la longitud de onda, anunció Rayleigh en 1871. Y dado que los rayos violeta y azul en el espectro solar visible tienen la longitud de onda más corta, se dispersan con mayor fuerza, dando al cielo un color azul.

El Sol y los picos nevados obedecieron el cálculo de Rayleigh. Incluso confirmaron la teoría del científico. Al amanecer y al atardecer, cuando la luz del sol atraviesa la mayor densidad del aire, los rayos violeta y azul, dice la teoría de Rayleigh, se dispersan con mayor fuerza. Al mismo tiempo, se desvían del camino directo y no caen a los ojos del observador. El observador ve principalmente rayos rojos, que se dispersan mucho más débilmente. Por lo tanto, al amanecer y al atardecer, el sol nos parece rojo. Por la misma razón, los picos de las lejanas montañas nevadas también aparecen rosados.

Mirando el cielo despejado, vemos rayos azul-azulados que se desvían de un camino recto debido a la dispersión y caen en nuestros ojos. Y la neblina que a veces vemos cerca del horizonte también nos parece azul.

bagatela molesta

¿No es una hermosa explicación? El propio Rayleigh estaba tan entusiasmado con ella, los científicos estaban tan asombrados por la armonía de la teoría y la victoria de Rayleigh sobre Newton, que ninguno de ellos notó una sola cosa. Y esta bagatela, sin embargo, debería haber cambiado por completo su evaluación.

¿Quién negará que lejos de la ciudad, donde hay mucho menos polvo en el aire, el color azul del cielo es especialmente claro y brillante? Fue difícil para el mismo Rayleigh negar esto. Entonces... ¿las partículas de polvo no dispersan la luz? ¿Y que?

Volvió a revisar todos sus cálculos y se aseguró de que sus ecuaciones fueran correctas, pero esto significa que las partículas de polvo en realidad no son partículas dispersas. Además, las partículas de polvo que están presentes en el aire son mucho más grandes que la longitud de onda de la luz, y los cálculos de Rayleigh convencieron a Rayleigh de que una gran acumulación de ellas no realza el azul del cielo, sino que, por el contrario, lo debilita. La dispersión de la luz por partículas grandes depende débilmente de la longitud de onda y, por lo tanto, no provoca un cambio en su color.

Cuando la luz es dispersada por partículas grandes, tanto la luz dispersada como la transmitida permanecen blancas, por lo que la aparición de partículas grandes en el aire le da al cielo un color blanquecino, y la acumulación de una gran cantidad de gotas grandes provoca el color blanco de las nubes y niebla. Esto es fácil de comprobar en un cigarrillo normal. El humo que sale por el lado de la boquilla siempre parece blanquecino, y el humo que sube por su extremo ardiente tiene un color azulado.

Las partículas de humo más pequeñas que se elevan desde el extremo encendido de un cigarrillo son más pequeñas que la longitud de onda de la luz y, de acuerdo con la teoría de Rayleigh, se dispersan predominantemente violeta y azul. Pero al pasar a través de canales estrechos en la espesura del tabaco, las partículas de humo se pegan (coagulan), uniéndose en grumos más grandes. Muchos de ellos se vuelven más grandes que las longitudes de onda de la luz y dispersan todas las longitudes de onda de la luz casi por igual. Por eso el humo que sale por el lateral de la boquilla parece blanquecino.

Sí, era inútil argumentar y defender una teoría basada en partículas de polvo.

Entonces, el misterio del color azul del cielo volvió a surgir ante los científicos. Pero Rayleigh no se rindió. Si el color azul del cielo es tanto más puro y brillante cuanto más pura es la atmósfera, razonó, entonces el color del cielo no puede deberse a nada más que a las moléculas del aire mismo. Las moléculas de aire, escribió en sus nuevos artículos, ¡son las partículas más pequeñas que dispersan la luz del sol!

Rayleigh tuvo mucho cuidado esta vez. Antes de informar sobre su nueva idea, decidió probarla, de alguna manera comprobar la teoría con la experiencia.

La oportunidad se presentó en 1906. Rayleigh fue ayudado por el astrofísico estadounidense Abbott, quien estudió el resplandor azul del cielo en el observatorio del Monte Wilson. Procesando los resultados de medir el brillo del resplandor del cielo sobre la base de la teoría de dispersión de Rayleigh, Abbott calculó el número de moléculas contenidas en cada centímetro cúbico de aire. ¡Resultó ser un gran número! Baste decir que si distribuye estas moléculas a todas las personas que habitan el mundo, todos obtendrán más de 10 mil millones de estas moléculas. En resumen, Abbott descubrió que cada centímetro cúbico de aire a temperatura y presión atmosférica normales contenía 27 mil millones de veces mil millones de moléculas.

El número de moléculas en un centímetro cúbico de gas se puede determinar de diferentes maneras sobre la base de fenómenos completamente diferentes e independientes. Todos ellos conducen a resultados muy parecidos y dan un número llamado número de Loschmidt.

Este número es bien conocido por los científicos, y más de una vez sirvió como medida y control para explicar los fenómenos que ocurren en los gases.

Y ahora el número obtenido por Abbot al medir el brillo del cielo, coincidió con el número de Loschmidt con gran precisión. Pero utilizó la teoría de dispersión de Rayleigh en sus cálculos. Por lo tanto, demostró claramente que la teoría es correcta, que la dispersión molecular de la luz existe.

Parecía que la teoría de Rayleigh estaba confiablemente confirmada por la experiencia; todos los estudiosos lo consideraron impecable.

Llegó a ser universalmente reconocido y entró en todos los libros de texto de óptica. Era posible respirar tranquilo: finalmente, se encontró una explicación para el fenómeno, tan familiar y al mismo tiempo misterioso.

Es aún más sorprendente que en 1907 se planteó nuevamente la pregunta en las páginas de una conocida revista científica: ¿por qué el cielo es azul?

Disputa

¿Quién se atrevió a cuestionar la teoría de Rayleigh generalmente aceptada?

Curiosamente, era uno de los más fervientes fans y admiradores de Rayleigh. Quizás nadie apreciaba y entendía tanto a Rayleigh, no conocía tan bien su trabajo, no estaba tan interesado en su trabajo científico como el joven físico ruso Leonid Mandelstam.

- En la naturaleza de la mente de Leonid Isaakovich, - recordó más tarde otro científico soviético, el académico N.D. Papaleksi - tenía mucho en común con Rayleigh. Y no es casualidad que los caminos de su creatividad científica a menudo fueran paralelos y se cruzaran repetidamente.

Se persignaron esta vez, en la cuestión del origen del color del cielo. Antes de esto, a Mandelstam le gustaba principalmente la ingeniería de radio. Para principios de nuestro siglo, este era un campo de la ciencia completamente nuevo, y pocas personas lo entendían. Después del descubrimiento de A.S. Popov (en 1895), solo habían pasado unos pocos años y había una cantidad interminable de trabajo. En un breve período, Mandelstam llevó a cabo una gran cantidad de investigaciones serias en el campo de las oscilaciones electromagnéticas en relación con los dispositivos de ingeniería de radio. En 1902 defendió su tesis ya la edad de veintitrés años recibió el grado de Doctor en Filosofía Natural de la Universidad de Estrasburgo.

Al tratar los temas de la excitación de las ondas de radio, Mandelstam naturalmente estudió los trabajos de Rayleigh, quien era una autoridad reconocida en el estudio de los procesos oscilatorios. Y el joven médico involuntariamente se familiarizó con el problema de colorear el cielo.

Pero, al familiarizarse con el problema de colorear el cielo, Mandelstam no solo mostró la falacia o, como él mismo dijo, la "insuficiencia" de la teoría de Rayleigh generalmente reconocida de la dispersión de la luz molecular, no solo reveló el secreto de la luz azul. color del cielo, sino que también sentó las bases para la investigación que condujo a uno de los descubrimientos más importantes de la física del siglo XX.

Y todo comenzó con una disputa en ausencia con uno de los más grandes físicos, el padre de la teoría cuántica, M. Planck. Cuando Mandelstam se familiarizó con la teoría de Rayleigh, ella lo cautivó con su reticencia y paradojas internas que, para sorpresa del joven físico, el anciano y experimentado Rayleigh no notó. La insuficiencia de la teoría de Rayleigh se puso especialmente de manifiesto en el análisis de otra teoría construida sobre su base por Planck para explicar la atenuación de la luz cuando atraviesa un medio transparente ópticamente homogéneo.

En esta teoría se tomó como base que las moléculas de la sustancia por donde pasa la luz son las fuentes de las ondas secundarias. Para crear estas ondas secundarias, argumentó Planck, se gasta una parte de la energía de la onda que pasa, que luego se debilita. Vemos que esta teoría se basa en la teoría de Rayleigh de dispersión molecular y se basa en su autoridad.

La forma más fácil de comprender la esencia del asunto es considerar las olas en la superficie del agua. Si una ola se encuentra con objetos estacionarios o flotantes (pilas, troncos, botes, etc.), entonces pequeñas olas se dispersan en todas las direcciones desde estos objetos. Esto no es más que dispersión. Parte de la energía de la onda incidente se gasta en la excitación de ondas secundarias, que son bastante análogas a la luz dispersada en óptica. En este caso, la onda inicial se debilita, se descompone.

Los objetos flotantes pueden ser mucho más pequeños que la longitud de onda que viaja a través del agua. Incluso los granos pequeños causarán ondas secundarias. Por supuesto, a medida que disminuye el tamaño de las partículas, las ondas secundarias que forman se debilitan, pero seguirán absorbiendo la energía de la onda principal.

Así es como Planck imaginó el proceso de debilitamiento de una onda de luz cuando pasa a través de un gas, pero el papel de los granos en su teoría lo jugaban las moléculas de gas.

Mandelstam se interesó por esta obra de Planck.

El tren de pensamiento de Mandelstam también se puede explicar utilizando el ejemplo de las olas en la superficie del agua. Solo necesitas considerarlo con más cuidado. Entonces, incluso los pequeños granos que flotan en la superficie del agua son fuentes de ondas secundarias. Pero, ¿qué pasa si viertes estos granos tan espesos que cubren toda la superficie del agua? Entonces resultará que las ondas secundarias individuales, causadas por numerosos granos, se sumarán de tal manera que extinguirán por completo aquellas partes de las ondas que corren hacia los lados y hacia atrás, y la dispersión se detendrá. Sólo habrá una ola corriendo hacia adelante. Ella correrá hacia adelante sin debilitarse en absoluto. El único resultado de la presencia de toda la masa de granos será alguna disminución en la velocidad de propagación de la onda primaria. Es especialmente importante que todo esto no dependa de si los granos están estacionarios o si se mueven sobre la superficie del agua. El agregado de granos simplemente actuará como una carga sobre la superficie del agua, cambiando la densidad de su capa superior.

Mandelstam hizo un cálculo matemático para el caso en que la cantidad de moléculas en el aire es tan grande que incluso en un área tan pequeña como la longitud de onda de la luz, hay una gran cantidad de moléculas contenidas. Resultó que, en este caso, las ondas de luz secundarias excitadas por moléculas individuales que se mueven aleatoriamente se suman de la misma manera que las ondas del ejemplo con granos. Esto significa que en este caso la onda de luz se propaga sin dispersión ni atenuación, pero a una velocidad algo menor. Esto refutó la teoría de Rayleigh, quien creía que el movimiento de dispersión de partículas en todos los casos asegura la dispersión de ondas, y por lo tanto refutó la teoría de Planck basada en ella.

Por lo tanto, la arena fue descubierta bajo la base de la teoría de la dispersión. Todo el majestuoso edificio tembló y amenazó con derrumbarse.

Coincidencia

Pero, ¿qué pasa con la determinación del número de Loschmidt a partir de las mediciones del resplandor del cielo azul? Después de todo, ¡el experimento confirmó la teoría de la dispersión de Rayleigh!

“Esta coincidencia debe considerarse accidental”, escribió Mandelstam en 1907 en su obra “Sobre medios ópticamente homogéneos y turbios”.

Mandelstam demostró que el movimiento aleatorio de las moléculas no puede hacer que un gas sea homogéneo. Por el contrario, en un gas real siempre hay la menor rarefacción y compactación, que se forman como resultado del movimiento térmico caótico. Son ellos los que conducen a la dispersión de la luz, ya que violan la uniformidad óptica del aire. En el mismo trabajo, Mandelstam escribió:

"Si el medio es ópticamente no homogéneo, entonces, en términos generales, la luz incidente también se dispersará hacia los lados".

Pero dado que las dimensiones de las heterogeneidades que surgen como resultado del movimiento caótico son más pequeñas que la longitud de onda de las ondas de luz, las ondas correspondientes a las partes violeta y azul del espectro se dispersarán predominantemente. Y esto conduce, en particular, al color azul del cielo.

Así, finalmente se resolvió el enigma del cielo azul. La parte teórica fue desarrollada por Rayleigh. Mandelstam estableció la naturaleza física de los dispersores.

El gran mérito de Mandelstam radica en que demostró que la suposición de la perfecta homogeneidad de un gas es incompatible con el hecho de que la luz se disperse en él. Se dio cuenta de que el color azul del cielo prueba que la homogeneidad de los gases es solo aparente. Más precisamente, los gases parecen homogéneos solo cuando se examinan con instrumentos rudimentarios, como un barómetro, una balanza u otros instrumentos que se ven afectados por muchos miles de millones de moléculas a la vez. Pero un haz de luz detecta cantidades incomparablemente más pequeñas de moléculas, medidas solo en decenas de miles. Y esto es suficiente para establecer de manera innegable que la densidad de un gas está continuamente sujeta a pequeños cambios locales. Por lo tanto, un medio homogéneo desde nuestro punto de vista "áspero" es de hecho no homogéneo. Desde el "punto de vista de la luz" parece turbio y por lo tanto dispersa la luz.

Los cambios locales aleatorios en las propiedades de la materia, resultantes del movimiento térmico de las moléculas, ahora se denominan fluctuaciones. Habiendo dilucidado el origen de la fluctuación de la dispersión de la luz molecular, Mandelstam allanó el camino para un nuevo método de estudio de la materia: la fluctuación, o método estadístico, desarrollado más tarde por Smoluchovsky, Lorentz, Einstein y él mismo en un nuevo departamento importante de física: la física estadística.

¡El cielo debe brillar!

Así, se reveló el secreto del color azul del cielo. Pero el estudio de la dispersión de la luz no se quedó ahí. Llamando la atención sobre los cambios casi imperceptibles en la densidad del aire y explicando la coloración del cielo por la dispersión fluctuante de la luz, Mandelstam, con su agudo instinto científico, descubrió una nueva característica aún más sutil de este proceso.

Después de todo, las faltas de homogeneidad del aire son causadas por fluctuaciones aleatorias en su densidad. La magnitud de estas heterogeneidades aleatorias, la densidad de los coágulos, varía con el tiempo. Por lo tanto, argumentó el científico, la intensidad también debería cambiar con el tiempo: ¡la fuerza de la luz dispersada! Después de todo, cuanto más densos son los grupos de moléculas, más intensa es la luz que se dispersa sobre ellos. Y dado que estos coágulos aparecen y desaparecen al azar, ¡el cielo, simplemente hablando, debería parpadear! ¡La fuerza de su brillo y su color deberían cambiar todo el tiempo (pero muy débilmente)! Pero, ¿alguien ha notado alguna vez tal parpadeo? Por supuesto que no.

Este efecto es tan sutil que no se nota a simple vista.

Ninguno de los científicos también observó tal cambio en el brillo del cielo. El propio Mandelstam tampoco tuvo la oportunidad de verificar las conclusiones de su teoría. La organización de los experimentos más complejos se vio obstaculizada primero por las precarias condiciones de la Rusia zarista, y luego por las dificultades de los primeros años de la revolución, la intervención extranjera y la guerra civil.

En 1925, Mandelstam se convirtió en director de un departamento en la Universidad de Moscú. Aquí conoció al destacado científico y experto experimentador Grigory Samuilovich Landsberg. Y así, conectados por una profunda amistad e intereses científicos comunes, juntos continuaron el asalto a los secretos ocultos en los débiles rayos de luz dispersa.

Los laboratorios de óptica de la universidad en esos años eran todavía muy pobres en instrumentos. La universidad no disponía de un solo instrumento capaz de detectar el parpadeo del cielo o esas pequeñas diferencias en las frecuencias de la luz incidente y dispersada que la teoría predecía eran el resultado de ese parpadeo.

Sin embargo, esto no detuvo a los investigadores. Abandonaron la idea de imitar el cielo en el laboratorio. Esto solo complicaría una experiencia ya sutil. Decidieron estudiar no la dispersión de la luz blanca y compleja, sino la dispersión de los rayos de una frecuencia estrictamente definida. Si conocen exactamente la frecuencia de la luz incidente, será mucho más fácil buscar aquellas frecuencias cercanas a ella, que deberían surgir durante la dispersión. Además, la teoría sugería que las observaciones eran más fáciles de hacer en los sólidos, ya que las moléculas en ellos están ubicadas mucho más cerca que en los gases, y cuanto más densa la sustancia, mayor la dispersión.

Se inició una minuciosa búsqueda de los materiales más adecuados. Finalmente, la elección recayó en los cristales de cuarzo. Simplemente porque los grandes cristales de cuarzo transparentes son más asequibles que cualquier otro.

Los experimentos preparatorios duraron dos años, se seleccionaron las muestras más puras de cristales, se perfeccionó la técnica, se establecieron signos mediante los cuales fue posible distinguir indiscutiblemente la dispersión en moléculas de cuarzo de la dispersión en inclusiones aleatorias, falta de homogeneidad e impurezas de cristal.

ingenio y trabajo

Al carecer de un potente equipo de análisis espectral, los científicos eligieron una solución ingeniosa que se suponía que haría posible el uso de los instrumentos disponibles.

La principal dificultad en este trabajo fue que la luz débil causada por la dispersión molecular se superpuso a una luz mucho más fuerte dispersada por pequeñas impurezas y otros defectos de las muestras de cristal que se podían obtener para los experimentos. Los investigadores decidieron aprovechar el hecho de que la luz dispersada, formada por defectos de cristal y reflejos de varias partes de la configuración, coincide exactamente con la frecuencia de la luz incidente. Solo estaban interesados ​​en la luz con una frecuencia cambiada de acuerdo con la teoría de Mandelstam, por lo que la tarea era aislar la luz de una frecuencia cambiada causada por la dispersión molecular contra el fondo de esta luz mucho más brillante.

Para que la luz dispersada tuviera un valor registrable, los científicos decidieron iluminar el cuarzo con el dispositivo de iluminación más potente que tenían a su alcance: una lámpara de mercurio.

Por lo tanto, la luz dispersada en un cristal debe constar de dos partes: una luz débil de frecuencia modificada debido a la dispersión molecular (el estudio de esta parte era el objetivo de los científicos) y una luz mucho más fuerte de frecuencia inalterada causada por partículas extrañas. causas (esta parte era dañina, dificultaba la investigación).

La idea del método era atractiva por su simplicidad: es necesario absorber luz de frecuencia constante y dejar pasar al aparato espectral solo luz de frecuencia modificada. Pero las diferencias de frecuencia eran solo unas pocas milésimas de un porcentaje. Ningún laboratorio en el mundo tenía un filtro capaz de separar frecuencias tan cercanas. Sin embargo, se encontró una solución.

La luz dispersa se pasó a través de un recipiente con vapor de mercurio. Como resultado, toda la luz "dañina" se "pegó" en el recipiente, y la luz "útil" pasó sin debilitamiento perceptible. En este caso, los experimentadores aprovecharon una circunstancia ya conocida. Un átomo de materia, según la física cuántica, es capaz de emitir ondas de luz de solo ciertas frecuencias. Sin embargo, este átomo también es capaz de absorber luz. Y solo ondas de luz de aquellas frecuencias que él mismo puede emitir.

En una lámpara de mercurio, la luz es emitida por vapor de mercurio, que brilla bajo la influencia de una descarga eléctrica que ocurre dentro de la lámpara. Si esta luz pasa a través de un recipiente que también contiene vapor de mercurio, será absorbida casi por completo. Sucederá lo que predice la teoría: los átomos de mercurio del recipiente absorberán la luz emitida por los átomos de mercurio de la lámpara.

La luz de otras fuentes, como una lámpara de neón, pasará ilesa a través del vapor de mercurio. Los átomos de mercurio ni siquiera le prestarán atención. Esa parte de la luz de la lámpara de mercurio, que se dispersó en el cuarzo con un cambio de longitud de onda, tampoco será absorbida.

Fue esta circunstancia conveniente la que aprovecharon Mandelstam y Landsberg.

asombroso descubrimiento

En 1927 comenzaron experimentos decisivos. Los científicos iluminaron el cristal de cuarzo con la luz de una lámpara de mercurio y procesaron los resultados. Y... se sorprendieron.

Los resultados del experimento fueron inesperados e inusuales. Los científicos no han encontrado en absoluto lo que esperaban, ni lo que predecía la teoría. Descubrieron un fenómeno completamente nuevo. ¿Pero que? ¿Y no es eso un error? Se encontraron frecuencias inesperadas en la luz dispersa, pero frecuencias mucho más altas y más bajas. En el espectro de la luz dispersa apareció toda una combinación de frecuencias que no estaban en la luz que incidía sobre el cuarzo. Era simplemente imposible explicar su apariencia por falta de homogeneidad óptica en el cuarzo.

Comenzó un control exhaustivo. Los experimentos se llevaron a cabo sin problemas. Fueron concebidos de manera tan ingeniosa, perfecta e inventiva que era imposible no admirarlos.

- Leonid Isaakovich a veces resolvía problemas técnicos muy difíciles de manera tan hermosa y a veces brillantemente simple, que involuntariamente cada uno de nosotros tenía una pregunta: "¿Por qué no se me ocurrió esto antes?" - dice uno de los empleados.

Una variedad de experimentos de control confirmaron obstinadamente que no había error. En las fotografías del espectro de luz dispersa, aparecían persistentemente líneas débiles y, sin embargo, bastante obvias, que indicaban la presencia de frecuencias "extra" en la luz dispersa.

Durante muchos meses, los científicos han estado buscando una explicación para este fenómeno. ¿De dónde vienen las frecuencias "extrañas" en la luz dispersada?

Y llegó el día en que Mandelstam se dio cuenta de una intuición asombrosa. Fue un descubrimiento sorprendente, el que ahora se considera uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX.

Pero tanto Mandelstam como Landsberg llegaron a la decisión unánime de que este descubrimiento sólo podía publicarse después de una sólida verificación, después de una exhaustiva penetración en las profundidades del fenómeno. Los experimentos finales han comenzado.

Con la ayuda del sol

El 16 de febrero, los científicos indios Ch.N. Raman y K. S. Krishnan envió un telegrama desde Calcuta a este diario con una breve descripción de su descubrimiento.

En aquellos años, cartas sobre los más diversos descubrimientos acudían a la revista "Priroda" de todo el mundo. Pero no todos los informes están destinados a causar entusiasmo entre los científicos. Cuando se agotó el número de la carta de los científicos indios, los físicos estaban muy emocionados. Incluso el título de la nota, "Un nuevo tipo de radiación secundaria", despertó interés. Después de todo, la óptica es una de las ciencias más antiguas, a menudo no era posible descubrir algo desconocido en ella en el siglo XX.

Uno puede imaginar con qué interés los físicos de todo el mundo esperaban las nuevas cartas de Calcuta.

Su interés fue alimentado en gran medida por la personalidad misma de uno de los autores del descubrimiento, Raman. Este es un hombre de destino curioso y una biografía sobresaliente, muy similar a la de Einstein. Einstein en su juventud fue un simple profesor de gimnasia y luego empleado de la oficina de patentes. Fue durante este período que completó la más significativa de sus obras. Raman, un físico brillante, también después de graduarse de la universidad se vio obligado a servir en el Departamento de Finanzas durante diez años y solo después de eso fue invitado al departamento de la Universidad de Calcuta. Raman pronto se convirtió en el líder reconocido de la escuela india de física.

Poco antes de los hechos descritos, Raman y Krishnan se vieron arrastrados por una curiosa tarea. Luego, las pasiones suscitadas en 1923 por el descubrimiento del físico estadounidense Compton, quien, estudiando el paso de los rayos X a través de la materia, aún no había amainado, descubrió que parte de estos rayos, al dispersarse fuera de la dirección original, aumenta su longitud de onda. Traducido al lenguaje de los ópticos, podemos decir que los rayos X, al chocar con las moléculas de una sustancia, cambiaron su "color".

Este fenómeno fue fácilmente explicado por las leyes de la física cuántica. Por tanto, el descubrimiento de Compton fue una de las pruebas decisivas de la corrección de la joven teoría cuántica.

Algo parecido, pero ya en óptica, decidimos probar. descubrir científicos indios. Querían hacer pasar luz a través de una sustancia y ver cómo sus rayos se dispersarían sobre las moléculas de la sustancia y si su longitud de onda cambiaría.

Como puede ver, voluntaria o inconscientemente, los científicos indios se propusieron la misma tarea que los científicos soviéticos. Pero sus objetivos eran diferentes. Calcuta buscaba una analogía óptica del efecto Compton. En Moscú: confirmación experimental de la predicción de Mandelstam del cambio de frecuencia durante la dispersión de la luz por falta de homogeneidad fluctuante.

Raman y Krishnan concibieron un experimento difícil, ya que el efecto esperado sería extremadamente pequeño. Para el experimento, se necesitaba una fuente de luz muy brillante. Y luego decidieron usar el sol, recogiendo sus rayos con un telescopio.

El diámetro de su lente era igual a dieciocho centímetros. Los investigadores dirigieron la luz recolectada a través de un prisma hacia recipientes en los que se colocaron líquidos y gases, completamente limpios de polvo y otros contaminantes.

Pero detectar la pequeña longitud de onda esperada de la luz dispersa usando luz solar blanca, que contiene casi todas las longitudes de onda posibles, era inútil. Por lo tanto, los científicos decidieron usar filtros de luz. Pusieron un filtro azul-violeta frente a la lente y observaron la luz dispersada a través de un filtro amarillo-verde. Acertadamente decidieron que lo que pasa por el primer filtro queda atascado en el segundo. Después de todo, el filtro amarillo-verde absorbe los rayos azul-violeta transmitidos por el primer filtro. Y ambos, colocados uno detrás del otro, deben absorber toda la luz incidente. Sin embargo, si algunos rayos caen en el ojo del observador, entonces será posible decir con certeza que no estaban en la luz incidente, sino que nacieron en la sustancia bajo estudio.

Columba

De hecho, Raman y Krishnan encontraron rayos en la luz dispersa que pasaban por el segundo filtro. Ellos arreglaron las frecuencias extra. Esto podría ser, en principio, el efecto Compton óptico. Es decir, al ser dispersada por las moléculas de la sustancia en los vasos, la luz azul-violeta podría cambiar de color y convertirse en amarillo-verde. Pero esto aún necesitaba ser probado. Puede haber otras razones que provoquen la aparición de la luz verde amarillenta. Por ejemplo, podría aparecer como resultado de la luminiscencia, un brillo débil que a menudo ocurre en líquidos y sólidos bajo la influencia de la luz, el calor y otras causas. Obviamente, había una cosa: esta luz nació de nuevo, no estaba contenida en la luz incidente.

Los científicos repitieron su experimento con seis líquidos diferentes y dos tipos de vapores. Se aseguraron de que ni la luminiscencia ni otras causas jugaran un papel aquí.

El hecho de que la longitud de onda de la luz visible aumenta cuando se dispersa en la materia les pareció establecido a Raman y Krishnan. Parecía que su búsqueda se vio coronada por el éxito. Descubrieron una analogía óptica con el efecto Compton.

Pero para que los experimentos tuvieran una forma acabada y las conclusiones fueran lo suficientemente convincentes, había que hacer una parte más del trabajo. No fue suficiente para detectar un cambio en la longitud de onda. Era necesario medir la magnitud de este cambio. El primero ayudó a hacer un filtro de luz. No pudo hacer lo segundo. Aquí, los científicos necesitaban un espectroscopio, un dispositivo que le permite medir la longitud de onda de la luz bajo estudio.

Y los investigadores comenzaron la segunda parte, no menos compleja y minuciosa. Pero ella también estuvo a la altura de sus expectativas. Los resultados confirmaron nuevamente las conclusiones de la primera parte del trabajo. Sin embargo, la longitud de onda resultó ser inesperadamente grande. Mucho más de lo esperado. Esto no molestó a los investigadores.

¿Cómo no recordar a Colón aquí? Buscó encontrar una ruta marítima a la India y, al ver la tierra, no tuvo dudas de que había alcanzado su objetivo. ¿Tenía motivos para dudar de su confianza al ver a los habitantes de piel roja y la naturaleza desconocida del Nuevo Mundo?

¿No es cierto que Raman y Krishnan, buscando descubrir el efecto Compton en la luz visible, decidieron que lo encontraron examinando la luz que pasaba a través de sus líquidos y gases? ¿Dudaron cuando las mediciones mostraron un cambio inesperadamente grande en la longitud de onda de los rayos dispersos? ¿Qué conclusión sacaron de su descubrimiento?

Según científicos indios, encontraron lo que buscaban. El 23 de marzo de 1928, un telegrama voló a Londres con un artículo titulado "La analogía óptica del efecto Compton". Los científicos escribieron: "Por lo tanto, la analogía óptica del efecto Compton es obvia, excepto que estamos tratando con un cambio en la longitud de onda mucho mayor..." Nota: "mucho mayor..."

Danza de los átomos

El trabajo de Raman y Krishnan fue recibido con una ovación de pie entre los científicos. Todo el mundo admiraba con razón su arte experimental. Por este descubrimiento, Raman recibió el Premio Nobel en 1930.

Se adjuntó una fotografía del espectro a la carta de los científicos indios, en la que ocuparon sus lugares las líneas que representan la frecuencia de la luz incidente y la luz dispersada sobre las moléculas de la sustancia. Esta fotografía, según Raman y Krishnan, ilustró su descubrimiento más claramente que nunca.

Cuando Mandelstam y Landsberg miraron esta foto, ¡vieron una copia casi exacta de la foto que habían tomado! Pero, al familiarizarse con su explicación, inmediatamente se dieron cuenta de que Raman y Krishnan estaban equivocados.

No, los científicos indios no descubrieron el efecto Compton, sino un fenómeno completamente diferente, el mismo que los científicos soviéticos han estado estudiando durante muchos años...

Mientras crecía la expectación provocada por el descubrimiento de los científicos indios, Mandelstam y Landsberg ultimaban experimentos de control y resumían los últimos resultados decisivos.

Y el 6 de mayo de 1928 enviaron un artículo a imprimir. Se adjuntó una fotografía del espectro al artículo.

Esbozando brevemente la historia del problema, los investigadores dieron una interpretación detallada del fenómeno que descubrieron.

Entonces, ¿cuál fue este fenómeno que hizo sufrir y romperse la cabeza a muchos científicos?

La profunda intuición y la clara mente analítica de Mandelstam indujeron de inmediato al científico a que los cambios descubiertos en la frecuencia de la luz dispersada no pueden ser causados ​​por esas fuerzas intermoleculares que nivelan las repeticiones aleatorias de la densidad del aire. Quedó claro para el científico que la razón sin duda se encuentra dentro de las moléculas de la sustancia misma, que el fenómeno es causado por vibraciones intramoleculares de los átomos que forman la molécula.

Tales fluctuaciones ocurren a una frecuencia mucho más alta que las que acompañan a la formación y reabsorción de heterogeneidades aleatorias en el medio. Son estas vibraciones de los átomos en las moléculas las que afectan la luz dispersada. Los átomos, por así decirlo, lo marcan, dejan sus huellas en él, lo cifran con frecuencias adicionales.

Fue una conjetura de lo más hermosa, una audaz invasión del pensamiento humano más allá del cordón de una pequeña fortaleza de la naturaleza: las moléculas. Y esta exploración trajo información valiosa sobre su estructura interna.

Mano a mano

Entonces, al tratar de detectar un pequeño cambio en la frecuencia de la luz dispersada causada por fuerzas intermoleculares, se encontró un cambio mayor en la frecuencia causado por fuerzas intramoleculares.

Por lo tanto, para explicar el nuevo fenómeno, que se denominó "dispersión de la luz de Raman", fue suficiente complementar la teoría de la dispersión molecular creada por Mandelstam con datos sobre el efecto de las vibraciones de los átomos dentro de las moléculas. El nuevo fenómeno se descubrió como resultado del desarrollo de la idea de Mandelstam, formulada por él en 1918.

Sí, no sin razón, como el académico S.I. Vavilov, “La naturaleza dotó a Leonid Isaakovich de una mente sutil perspicaz completamente inusual, que inmediatamente notó y entendió lo principal, que la mayoría pasó por alto con indiferencia. Así se entendió la esencia de la fluctuación de la dispersión de la luz, y así apareció la idea de un cambio en el espectro durante la dispersión de la luz, que se convirtió en la base para el descubrimiento de la dispersión Raman.

Posteriormente, se derivaron enormes beneficios de este descubrimiento, recibió una valiosa aplicación práctica.

En el momento del descubrimiento, parecía solo la contribución más valiosa a la ciencia.

¿Qué hay de Raman y Krishnan? ¿Cómo reaccionaron ante el descubrimiento de los científicos soviéticos y también ante el suyo propio? ¿Entendieron lo que descubrieron?

La respuesta a estas preguntas está contenida en la siguiente carta de Raman y Krishnan, que enviaron a la prensa 9 días después de la publicación del artículo de los científicos soviéticos. Sí, entendieron que el fenómeno que observaron no era el efecto Compton. Esta es la dispersión de luz Raman.

Después de la publicación de las cartas de Raman y Krishnan y los artículos de Mandelstam y Landsberg, quedó claro para los científicos de todo el mundo que el mismo fenómeno se realizaba y estudiaba de forma independiente y casi simultánea en Moscú y Calcuta. Pero los físicos de Moscú lo estudiaron en cristales de cuarzo, mientras que los físicos indios lo estudiaron en líquidos y gases.

Y este paralelismo, por supuesto, no fue casual. Habla de la urgencia del problema, de su gran importancia científica. No es de extrañar que resultados cercanos a las conclusiones de Mandelstam y Raman a finales de abril de 1928 también fueran obtenidos de forma independiente por los científicos franceses Rocard y Kaban. Después de un tiempo, los científicos recordaron que allá por 1923, el físico checo Smekal predijo teóricamente el mismo fenómeno. Tras el trabajo de Smekal, aparecieron las investigaciones teóricas de Kramers, Heisenberg y Schrödinger.

Aparentemente, solo la falta de información científica puede explicar el hecho de que científicos de muchos países estaban trabajando para resolver el mismo problema, sin siquiera saberlo.

Treinta y siete años después

Las investigaciones de la dispersión Raman no solo abrieron un nuevo capítulo en la ciencia de la luz. Al mismo tiempo, le dieron un arma poderosa a la tecnología. La industria ha recibido una excelente manera de estudiar las propiedades de la materia.

Después de todo, las frecuencias de la dispersión Raman de la luz son impresiones superpuestas a la luz por las moléculas del medio que dispersa la luz. Y en diferentes sustancias, estas huellas no son las mismas. Esto es lo que le dio al académico Mandelstam el derecho de llamar a la dispersión de luz raman el "lenguaje de las moléculas". Aquellos que pueden leer las huellas de las moléculas en los rayos de luz, determinar la composición de la luz dispersada, las moléculas, usando este lenguaje, contarán los secretos de su estructura.

En el negativo de una fotografía del espectro de combinación no hay nada más que líneas de negrura variable. Pero a partir de esta fotografía, el especialista calculará las frecuencias de las vibraciones intramoleculares que aparecieron en la luz dispersada tras su paso por la sustancia. La imagen hablará sobre muchos aspectos hasta ahora desconocidos de la vida interna de las moléculas: sobre su estructura, sobre las fuerzas que unen los átomos en moléculas, sobre los movimientos relativos de los átomos. Al aprender a descifrar los espectrogramas Raman, los físicos han aprendido a comprender el peculiar "lenguaje de la luz" que utilizan las moléculas para describirse a sí mismas. Entonces, el nuevo descubrimiento hizo posible penetrar más profundamente en la estructura interna de las moléculas.

Hoy en día, los físicos utilizan la dispersión Raman para estudiar la estructura de líquidos, cristales y sustancias vítreas. Los químicos usan este método para determinar la estructura de varios compuestos.

Los métodos para el estudio de la materia, utilizando el fenómeno de la dispersión de luz Raman, fueron desarrollados por empleados del laboratorio de la P.N. Academia de Ciencias Lebedev de la URSS, encabezada por el académico Landsberg.

Estos métodos permiten realizar de forma rápida y precisa análisis cuantitativos y cualitativos de gasolinas de aviación, productos craqueados, productos de refinería de petróleo y muchos otros líquidos orgánicos complejos en el laboratorio de la fábrica. Para hacer esto, es suficiente iluminar la sustancia en estudio y determinar la composición de la luz dispersada por ella con un espectrógrafo. Parece muy simple. Pero antes de que este método resultara realmente conveniente y rápido, los científicos tuvieron que trabajar duro para crear equipos precisos y sensibles. Y es por eso.

De la cantidad total de energía luminosa que ingresa a la sustancia en estudio, solo una parte insignificante, aproximadamente una diez mil millonésima parte, corresponde a la luz dispersada. Y la dispersión Raman rara vez representa ni siquiera el dos o el tres por ciento de este valor. Aparentemente, esta es la razón por la que la dispersión de Raman pasó desapercibida durante mucho tiempo. Y no es de extrañar que la obtención de las primeras fotografías de dispersión Raman requiriera exposiciones de decenas de horas.

Los equipos modernos, creados en nuestro país, permiten obtener un espectro Raman de sustancias puras en unos pocos minutos, ¡y a veces incluso en segundos! Incluso para el análisis de mezclas complejas, en las que las sustancias individuales se incluyen en una cantidad de varios porcentajes, una exposición que no exceda una hora suele ser suficiente.

Han pasado treinta y siete años desde que Mandelstam y Landsberg, Raman y Krishnan descubrieron, descifraron y entendieron el lenguaje de las moléculas registradas en placas fotográficas. Desde entonces, se ha llevado a cabo un trabajo persistente en todo el mundo para compilar un "diccionario" del lenguaje de las moléculas, que los ópticos llaman el catálogo de frecuencias Raman. Cuando se compile dicho catálogo, la interpretación de los espectrogramas se facilitará en gran medida, y la dispersión de luz Raman estará aún más al servicio de la ciencia y la industria.