توضیح و توضیح رنگ آسمان ارائه. پس چرا آسمان آبی است؟ رابطه بین رنگ و طول موج

وقتی باد یک شنل شفاف کرکی سفید را بر فراز آسمان آبی زیبا پرتاب می کند، مردم بیشتر و بیشتر شروع به نگاه کردن به بالا می کنند. اگر در همان زمان یک کت خز خاکستری بزرگ با نخ های نقره ای باران نیز بپوشد، اطرافیان آن زیر چترها از آن پنهان می شوند. اگر لباس بنفش تیره است، پس همه در خانه می نشینند و می خواهند آسمان آبی آفتابی را ببینند.

و تنها زمانی که چنین آسمان آبی آفتابی مورد انتظار ظاهر می شود، که لباس آبی خیره کننده تزئین شده با پرتوهای طلایی خورشید را می پوشد، مردم خوشحال می شوند - و لبخند می زنند، خانه های خود را به انتظار آب و هوای خوب ترک می کنند.

این سوال که چرا آسمان آبی است ذهن بشر را از زمان های بسیار قدیم نگران کرده است. افسانه های یونانی پاسخ خود را یافته اند. آنها ادعا کردند که خالص ترین بدلیجات این سایه را به آن می دهد.

در زمان لئوناردو داوینچی و گوته نیز به دنبال پاسخی برای این سوال بودند که چرا آسمان آبی است. آنها معتقد بودند که رنگ آبی آسمان از ترکیب نور با تاریکی به دست می آید. اما بعداً این نظریه به عنوان غیرقابل دفاع رد شد ، زیرا معلوم شد که با ترکیب این رنگ ها فقط می توانید تن های طیف خاکستری را بدست آورید ، اما نه رنگی.

پس از مدتی پاسخ به این سوال که چرا آسمان آبی است در قرن هجدهم توسط ماریوت، بوگر و اویلر سعی شد توضیح دهد. آنها معتقد بودند که این رنگ طبیعی ذرات تشکیل دهنده هوا است. این نظریه حتی در آغاز قرن بعد نیز رایج بود، به ویژه هنگامی که مشخص شد که اکسیژن مایع آبی است و ازن مایع آبی است.

سوسور اولین کسی بود که ایده ای کم و بیش معقول ارائه کرد و پیشنهاد کرد که اگر هوا کاملاً تمیز و بدون ناخالصی باشد، آسمان سیاه می شود. اما از آنجایی که جو حاوی عناصر مختلفی است (به عنوان مثال، بخار یا قطرات آب)، آنها با بازتاب رنگ، سایه مورد نظر را به آسمان می دهند.

پس از آن، دانشمندان شروع به نزدیک شدن به حقیقت کردند. آراگو قطبی شدن را کشف کرد، یکی از ویژگی های نور پراکنده ای که از فلک منعکس می شود. در این کشف، دانشمند به طور قطع توسط فیزیک کمک شد. بعدها، محققان دیگر شروع به جستجوی پاسخ کردند. در همان زمان، این سوال که چرا آسمان آبی است آنقدر برای دانشمندان جالب بود که تعداد زیادی آزمایش مختلف برای روشن شدن آن انجام شد، که منجر به این ایده شد که دلیل اصلی پیدایش رنگ آبی این است که پرتوها خورشید ما به سادگی در جو پراکنده شده اند.

توضیح

اولین کسی که از نظر ریاضی پاسخ درستی به پراکندگی نور مولکولی ارائه کرد، محقق بریتانیایی ریلی بود. او این فرض را مطرح کرد که نور نه به دلیل ناخالصی های جو، بلکه به دلیل خود مولکول های هوا پراکنده می شود. نظریه او توسعه یافت - و این نتایجی است که دانشمندان به آن رسیدند.

پرتوهای خورشید از طریق اتمسفر آن (لایه ضخیم هوا)، به اصطلاح پوسته هوای سیاره، راه خود را به زمین باز می کنند. آسمان تاریک کاملاً پر از هوا است که علیرغم اینکه کاملاً شفاف است ، فضای خالی نیست ، بلکه از مولکول های گاز - نیتروژن (78٪) و اکسیژن (21٪) و همچنین قطرات آب و بخار تشکیل شده است. کریستال های یخ و قطعات کوچک مواد جامد (مانند ذرات گرد و غبار، دوده، خاکستر، نمک اقیانوس و غیره).

برخی از پرتوها آزادانه از بین مولکول‌های گاز عبور کرده و کاملاً آنها را دور می‌زنند و بنابراین بدون تغییر به سطح سیاره ما می‌رسند، اما بیشتر پرتوها با مولکول‌های گاز برخورد می‌کنند که به حالت برانگیخته می‌آیند، انرژی دریافت می‌کنند و پرتوهای چند رنگی را آزاد می‌کنند. جهات مختلف، آسمان را کاملاً رنگ آمیزی می کند و در نتیجه آسمان آبی آفتابی را می بینیم.

نور سفید خود از تمام رنگ های رنگین کمان تشکیل شده است که اغلب زمانی که به اجزای سازنده آن تجزیه می شود، دیده می شود. این اتفاق می افتد که مولکول های هوا بیشترین رنگ های آبی و بنفش را پراکنده می کنند، زیرا آنها کوتاه ترین قسمت طیف هستند، زیرا آنها کوتاه ترین طول موج را دارند.

هنگامی که در فضای آبی و بنفش با مقادیر کمی قرمز، زرد و سبز مخلوط می شود، آسمان شروع به "درخشش" آبی می کند.

از آنجایی که اتمسفر سیاره ما همگن نیست، بلکه متفاوت است (در نزدیکی سطح زمین متراکم تر از بالا است)، ساختار و خواص متفاوتی دارد، می توانیم سرریزهای رنگ آبی را مشاهده کنیم. قبل از غروب یا طلوع خورشید، زمانی که طول تابش خورشید به میزان قابل توجهی افزایش می یابد، رنگ های آبی و بنفش در جو پخش می شوند و به هیچ وجه به سطح سیاره ما نمی رسند. امواج زرد-قرمز با موفقیت در حال رسیدن هستند که در این دوره زمانی در فلک مشاهده می کنیم.

در شب، وقتی پرتوهای خورشید که به سمت خاصی از سیاره برخورد می کنند، فرصتی ندارند، جو آنجا شفاف می شود و ما فضای "سیاه" را می بینیم. این چنین است که توسط فضانوردان در بالای جو دیده می شود. شایان ذکر است که فضانوردان خوش شانس بودند، زیرا هنگامی که آنها بیش از 15 کیلومتر از سطح زمین قرار دارند، در طول روز می توانند خورشید و ستارگان را به طور همزمان رصد کنند.

رنگ آسمان در سیارات دیگر

از آنجایی که رنگ آسمان بستگی زیادی به جو دارد، جای تعجب نیست که در سیارات مختلف رنگ های متفاوتی داشته باشد. جالب است که جو زحل هم رنگ سیاره ماست.

آسمان اورانوس آکوامارین بسیار زیبایی است. جو آن عمدتاً از هلیوم و هیدروژن تشکیل شده است.همچنین حاوی متان است که قرمز را کاملا جذب کرده و رنگ های سبز و آبی را پخش می کند. آسمان نپتون آبی است: جو این سیاره به اندازه ما هلیوم و هیدروژن ندارد، بلکه مقدار زیادی متان دارد که نور قرمز را خنثی می کند.

جو روی ماه، ماهواره زمین، و همچنین در عطارد و پلوتون به طور کامل وجود ندارد، بنابراین، پرتوهای نور منعکس نمی شوند، بنابراین فلک در اینجا سیاه است و ستارگان به راحتی قابل تشخیص هستند. رنگ‌های آبی و سبز پرتوهای خورشید کاملاً جذب جو زهره می‌شوند و زمانی که خورشید نزدیک افق است، آسمان زرد است.

چرا آسمان آبی است؟ یافتن پاسخی برای چنین سوال ساده ای دشوار است. بسیاری از دانشمندان مغز خود را در جستجوی پاسخ به هم ریخته اند. بهترین راه حل برای این مشکل حدود 100 سال پیش توسط یک فیزیکدان انگلیسی ارائه شد لرد جان ریلی.

خورشید نور سفید خیره کننده ای از خود ساطع می کند. این به این معنی است که رنگ آسمان باید یکسان باشد، اما هنوز آبی است. چه اتفاقی برای نور سفید در جو زمین می افتد؟

نور سفید ترکیبی از پرتوهای رنگی است. با کمک یک منشور می توانیم رنگین کمان بسازیم.

منشور پرتو سفید را به نوارهای رنگی تقسیم می کند:

■قرمز

■نارنجی

■ زرد

■ سبز

■ آبی

■ آبی

■ بنفش

این پرتوها با هم ترکیب می شوند، دوباره نور سفید را تشکیل می دهند. می توان فرض کرد که نور خورشید ابتدا به اجزای رنگی تقسیم می شود. سپس اتفاقی می افتد و فقط پرتوهای آبی به سطح زمین می رسد.

پس چرا آسمان آبی است؟

چندین توضیح محتمل وجود دارند. هوای اطراف زمین مخلوطی از گازها است: نیتروژن، اکسیژن، آرگون و غیره. جو همچنین حاوی بخار آب و کریستال های یخ است. گرد و غبار و سایر ذرات کوچک در هوا معلق هستند. اتمسفر فوقانی دارای لایه ای از ازن است. آیا این میتواند دلیل باشد؟ برخی از دانشمندان بر این باور بودند که مولکول‌های ازن و آب پرتوهای قرمز را جذب می‌کنند و به پرتوهای آبی اجازه عبور می‌دهند. اما معلوم شد که جو به سادگی ازن و آب کافی برای رنگ آمیزی آسمان آبی ندارد.

در سال 1869 یک انگلیسی جان تیندالپیشنهاد کرد که غبار و سایر ذرات نور را پراکنده می کنند. نور آبی کمترین پراکندگی را دارد و از لایه هایی از چنین ذرات عبور می کند و به سطح زمین می رسد. او در آزمایشگاه خود مدلی از مه دود ایجاد کرد و آن را با یک پرتو سفید روشن روشن کرد. دود به رنگ آبی عمیق درآمد. تیندل تصمیم گرفت که اگر هوا کاملاً صاف باشد، هیچ چیز نور را پراکنده نمی کند و ما می توانیم آسمان سفید درخشان را تحسین کنیم. لرد ریلینیز از این ایده حمایت کرد، اما نه برای مدت طولانی. او در سال 1899 توضیحات خود را منتشر کرد:

این هواست که آسمان را آبی رنگ می کند، نه گرد و غبار یا دود.

نظریه اساسی در مورد آسمان آبی

بخشی از پرتوهای خورشید از بین مولکول های گاز بدون برخورد با آنها عبور می کند و بدون تغییر به سطح زمین می رسد. بخش بزرگ دیگر، توسط مولکول های گاز جذب می شود. وقتی فوتون ها جذب می شوند، مولکول ها برانگیخته می شوند، یعنی با انرژی بار می شوند و سپس دوباره آن را به شکل فوتون ساطع می کنند. این فوتون های ثانویه دارای طول موج های متفاوتی هستند و می توانند به هر رنگی از قرمز تا بنفش باشند. آنها در همه جهات پراکنده می شوند: به زمین، به خورشید، و به طرفین. لرد ریلی پیشنهاد کرد که رنگ پرتو ساطع شده به غلبه کوانتوم های یک یا آن رنگ در پرتو بستگی دارد. وقتی یک مولکول گاز با فوتون های پرتوهای خورشید برخورد می کند، هشت کوانتوم آبی برای یک کوانتوم قرمز ثانویه وجود دارد.

نتیجه چیست؟ نور آبی شدید به معنای واقعی کلمه از همه جهات از میلیاردها مولکول گاز در اتمسفر بر روی ما می ریزد. این نور با فوتون های رنگ های دیگر مخلوط شده است، بنابراین تن آبی خالص ندارد.

پس چرا غروب خورشید قرمز است؟

با این حال، آسمان همیشه آبی نیست. این سوال به طور طبیعی مطرح می شود: اگر در طول روز آسمان آبی می بینیم، چرا غروب خورشید قرمز است؟ رنگ قرمز کمتر توسط مولکول های گاز پراکنده می شود. در هنگام غروب خورشید، خورشید به افق نزدیک می شود و پرتو خورشید نه به صورت عمودی، مانند روز، بلکه در یک زاویه به سطح زمین هدایت می شود.

بنابراین مسیری که او در جو طی می کند بسیار بیشتر از مسیری است که در روز که خورشید بلند است طی می کند. به همین دلیل، طیف آبی-آبی قبل از رسیدن به زمین در لایه ضخیم جو جذب می شود. و امواج نوری طولانی‌تر از طیف قرمز-زرد به سطح زمین می‌رسند و آسمان و ابرها را به رنگ‌های قرمز و زرد معمولی غروب خورشید رنگ می‌کنند.

توضیح علمی

در بالا به زبان نسبتاً ساده پاسخ را دادیم. در زیر با استفاده از اصطلاحات و فرمول های علمی به نقل منطق می پردازیم.

گزیده ای از ویکی:

آسمان آبی به نظر می رسد زیرا هوا نور با طول موج کوتاه را بیشتر از نور با طول موج بلند پراکنده می کند. شدت پراکندگی ریلی، ناشی از نوسانات در تعداد مولکول های گاز هوا در حجم های قابل مقایسه با طول موج های نور، متناسب با 1 / λ 4 است، λ طول موج است، یعنی قسمت بنفش از طیف مرئی پراکنده است. تقریباً 16 برابر شدیدتر از قرمز است. از آنجایی که نور آبی در انتهای طیف مرئی دارای طول موج کوتاه تری است، بیشتر از قرمز در جو پراکنده می شود. به همین دلیل ناحیه آسمان خارج از جهت خورشید رنگ آبی دارد (اما نه بنفش، زیرا طیف خورشیدی ناهموار است و شدت رنگ بنفش در آن کمتر است و همچنین به دلیل پایین بودن حساسیت چشم به بنفش و بیشتر به آبی، که نه تنها کسانی که به مخروط های رنگ آبی در شبکیه حساس هستند، بلکه به پرتوهای قرمز و سبز نیز حساس هستند.

در هنگام غروب و سپیده دم، نور به صورت مماس به سطح زمین حرکت می کند، بنابراین مسیری که نور در جو طی می کند بسیار بیشتر از روز می شود. به همین دلیل، بیشتر نور آبی و حتی سبز از نور مستقیم خورشید پراکنده می شود، بنابراین نور مستقیم خورشید و همچنین ابرهایی که آن را روشن می کند و آسمان نزدیک به افق، قرمز رنگ می شوند.

احتمالاً با ترکیب متفاوت جو، به عنوان مثال، در سیارات دیگر، رنگ آسمان، از جمله در غروب خورشید، ممکن است متفاوت باشد. به عنوان مثال، آسمان مریخ صورتی مایل به قرمز است.

پراکندگی و جذب از عوامل اصلی کاهش شدت نور در جو است. پراکندگی تابعی از نسبت قطر ذره پراکنده به طول موج نور است. وقتی این نسبت کمتر از 1/10 باشد، پراکندگی ریلی رخ می دهد که در آن ضریب پراکندگی متناسب با 1/λ 4 است. در مقادیر بزرگتر نسبت اندازه ذرات پراکنده به طول موج، قانون پراکندگی مطابق با معادله گوستاو می تغییر می کند. وقتی این نسبت بزرگتر از 10 باشد، قوانین اپتیک هندسی با دقت کافی برای تمرین قابل اجرا هستند.

موسسه آموزشی بودجه شهرداری

"دبیرستان Kislovskaya" منطقه تومسک

پژوهش

موضوع: "چرا غروب خورشید قرمز است ..."

(پراکندگی نور)

کار انجام شده:

دانش آموز کلاس 5A

سرپرست؛

معلم شیمی

1. مقدمه…………………………………………………………………………………………………

2. بخش اصلی ……………………………………………… 4

3. نور چیست ………………………………………………………………………………

موضوع مطالعه- غروب و آسمان

فرضیه های تحقیق:

خورشید دارای پرتوهایی است که آسمان را به رنگ های مختلف رنگ آمیزی می کند.

قرمز را می توان در شرایط آزمایشگاهی به دست آورد.

ارتباط موضوع من در این واقعیت نهفته است که برای شنوندگان جالب و مفید خواهد بود زیرا بسیاری از مردم به آسمان آبی صاف نگاه می کنند، آن را تحسین می کنند و تعداد کمی می دانند که چرا در طول روز آبی است و در غروب خورشید قرمز است. و چه چیزی به او چنین رنگی می دهد.

2. بخش اصلی

در نگاه اول، این سوال ممکن است ساده به نظر برسد، اما در واقع به عمیق ترین جنبه های انکسار نور در جو می پردازد. قبل از اینکه بتوانید پاسخ این سوال را بفهمید، باید ایده ای از اینکه نور چیست داشته باشید..jpg "align =" left "height=" 1 src = ">

نور چیست؟

نور خورشید انرژی است. گرمای پرتوهای خورشید که توسط عدسی متمرکز می شود، به آتش تبدیل می شود. نور و گرما توسط سطوح سفید منعکس شده و توسط سطوح سیاه جذب می شود. به همین دلیل است که لباس های سفید سردتر از مشکی هستند.

ماهیت نور چیست؟ اولین کسی که سعی کرد به طور جدی مطالعه نور را مطالعه کند اسحاق نیوتن بود. او معتقد بود که نور از ذرات ذراتی تشکیل شده است که مانند گلوله شلیک می شوند. اما برخی از ویژگی های نور را نمی توان با این نظریه توضیح داد.

دانشمند دیگری به نام هویگنس توضیح متفاوتی برای ماهیت نور ارائه کرد. او نظریه «موج» نور را توسعه داد. او معتقد بود که نور انگیزه ها یا امواج را ایجاد می کند، همانطور که سنگی که در حوض پرتاب می شود امواج ایجاد می کند.

نظر دانشمندان امروزی در مورد منشأ نور چیست؟ امروزه اعتقاد بر این است که امواج نور دارای ویژگی های مشخصه ذرات و امواج به طور همزمان هستند. آزمایش‌هایی برای تأیید هر دو نظریه در حال انجام است.

نور از فوتون ها تشکیل شده است - ذرات بی وزنی که جرم ندارند، با سرعتی در حدود 300000 کیلومتر در ثانیه حرکت می کنند و دارای خواص موجی هستند. فرکانس ارتعاشات موج نور، رنگ آن را تعیین می کند. علاوه بر این، هر چه فرکانس ارتعاش بیشتر باشد، طول موج کوتاهتر است. هر رنگ دارای فرکانس ارتعاش و طول موج خاص خود است. نور سفید خورشید از رنگ های زیادی تشکیل شده است که با شکستن آن از طریق یک منشور شیشه ای قابل مشاهده است.

1. منشور نور را تجزیه می کند.

2. نور سفید پیچیده است.

اگر به عبور نور از یک منشور مثلثی دقت کنید، می بینید که تجزیه نور سفید به محض عبور نور از هوا به شیشه آغاز می شود. به جای شیشه، می توانید مواد دیگر را شفاف به نور ببرید.

قابل توجه است که این تجربه برای قرن ها باقی مانده است و روش آن هنوز در آزمایشگاه ها بدون تغییرات قابل توجه استفاده می شود.

پراکندگی (lat.) - پراکندگی، دفع - پراکندگی

واریانس نیوتن

آی نیوتن اولین کسی بود که پدیده پراکندگی نور را مطالعه کرد و یکی از مهمترین دستاوردهای علمی او به حساب می آید. بی جهت نیست که روی بنای یادبود سنگ قبر او که در سال 1731 برپا شده و با چهره هایی از مردان جوان تزئین شده است که نشان های مهم ترین اکتشافات او را در دست دارند، یک چهره منشور دارد و کتیبه روی بنای یادبود حاوی این کلمات است: "او تحقیق کرد. تفاوت بین پرتوهای نور و خواص مختلفی که در یک زمان ظاهر می شوند، که هیچ کس قبلاً به آن مشکوک نبوده است. جمله آخر کاملاً دقیق نیست. پراکندگی نیز قبلا شناخته شده بود، اما به طور دقیق مورد مطالعه قرار نگرفته است. نیوتن با بهبود تلسکوپ ها توجه خود را به این واقعیت جلب کرد که تصویر ارائه شده توسط عدسی در لبه ها رنگی است. نیوتن با بررسی لبه های انکسار رنگ، به اکتشافات خود در زمینه اپتیک دست یافت.

طیف مرئی

هنگامی که یک پرتو سفید در یک منشور تجزیه می شود، طیفی تشکیل می شود که در آن تابش با طول موج های مختلف در زوایای مختلف شکست می شود. رنگ های موجود در طیف، یعنی آن دسته از رنگ هایی که می توان با امواج نور با طول یکسان (یا محدوده بسیار باریک) به دست آورد، رنگ های طیفی نامیده می شود. رنگ های طیفی اصلی (که نام خاص خود را دارند) و همچنین ویژگی های انتشار این رنگ ها در جدول ارائه شده است:

هر "رنگ" در طیف باید با یک موج نور با طول مشخص همراه باشد

ساده ترین ایده طیف را می توان با نگاه کردن به رنگین کمان به دست آورد. نور سفید که در قطرات آب شکسته می‌شود، رنگین کمان را تشکیل می‌دهد، زیرا از پرتوهای بسیاری از همه رنگ‌ها تشکیل شده است و آن‌ها به روش‌های مختلف شکسته می‌شوند: قرمز - ضعیف‌ترین، آبی و بنفش - قوی‌ترین. ستاره شناسان طیف های خورشید، ستارگان، سیارات، دنباله دارها را مطالعه می کنند، زیرا از این طیف ها می توان چیزهای زیادی آموخت.

نیتروژن "href =" / text / category / azot / "rel =" bookmark "> نیتروژن. نور قرمز و آبی با اکسیژن تعامل متفاوتی دارند. از آنجایی که طول موج آبی تقریباً به اندازه یک اتم اکسیژن است و به همین دلیل نور آبی است. توسط اکسیژن در جهات مختلف پراکنده می شود، در حالی که نور قرمز بی سر و صدا از لایه اتمسفر عبور می کند. در واقع، نور بنفش حتی بیشتر در جو پراکنده می شود، اما چشم انسان نسبت به نور آبی کمتر مستعد آن است. طرفین نور آبی پراکنده شده توسط اکسیژن را می گیرد که آسمان را برای ما آبی می کند.

بدون جو در زمین، خورشید به عنوان یک ستاره سفید درخشان برای ما ظاهر می شود و آسمان سیاه می شود.

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

پدیده های غیر معمول

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg "alt =" (! زبان: شفق قطبی" align="left" width="140" height="217 src=">!} چراغ های قطبی از زمان های قدیم، مردم تصویر باشکوه شفق را تحسین کرده اند و در مورد منشأ آنها شگفت زده شده اند. یکی از اولین موارد ذکر شده از شفق در ارسطو یافت می شود. در "هواشناسی" او که 2300 سال پیش نوشته شده است، می توان چنین خواند: "گاهی در شب های صاف، پدیده های زیادی در آسمان مشاهده می شود - شکاف، فروچاله ها، رنگ قرمز خون ...

به نظر می رسد شعله ای در آتش است.»

یک پرتو در شب چه چیزی را روشن می کند؟

شعله نازکی که به فلک می زند چیست؟

مثل رعد و برق بدون ابرهای مهیب

تلاش از زمین تا اوج؟

چطور ممکن است که یک توپ یخ زده باشد

آیا در وسط زمستان آتش گرفته بود؟

شفق قطبی چیست؟ چگونه تشکیل می شود؟

پاسخ. شفق قطبی یک درخشش درخشان است که در نتیجه برهمکنش ذرات باردار (الکترون ها و پروتون ها) که از خورشید با اتم ها و مولکول های جو زمین پرواز می کنند، رخ می دهد. ظهور این ذرات باردار در نواحی خاصی از جو و در ارتفاعات معین، نتیجه برهم کنش باد خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین است.

آئروسل "href =" / text / kategori / ayerozolmz / "rel =" bookmark "> پراکندگی آئروسل از گرد و غبار و رطوبت، آنها دلیل اصلی تجزیه رنگ خورشیدی (پراکندگی) هستند، تقریبا در یک زاویه قائم، لایه آنها رخ می دهد. بین چشم ناظر و خورشید ناچیز است. هر چه خورشید تا خط افق پایین‌تر بیاید، ضخامت لایه هوای جو و میزان تعلیق آئروسل در آن افزایش می‌یابد. اشعه‌های خورشید نسبت به ناظر، زاویه تابش ذرات معلق را تغییر دهید، سپس پراکندگی نور خورشید مشاهده می شود.بنابراین همانطور که در بالا ذکر شد، نور خورشید از هفت رنگ اصلی تشکیل شده است که هر رنگ مانند یک موج الکترومغناطیسی طول و توانایی خاص خود را برای پراکندگی در رنگ دارد. اتمسفر رنگ های اصلی طیف در یک مقیاس به ترتیب قرار گرفته اند، از قرمز تا رنگ قرمز کمترین توانایی پراکندگی (از این رو، جذب) را در جو دارد. پراکندگی تمام رنگ هایی که به دنبال قرمز در مقیاس هستند توسط اجزای تعلیق آئروسل پراکنده شده و جذب می شوند. فقط رنگ قرمز برای ناظر قابل مشاهده است. این بدان معناست که هرچه لایه هوای اتمسفر ضخیم تر باشد، چگالی ماده معلق بیشتر باشد، پرتوهای طیف بیشتری پراکنده و جذب خواهند شد. یک پدیده طبیعی شناخته شده: پس از فوران قدرتمند آتشفشان کراکاتوآ در سال 1883، غروب‌های قرمز رنگ و غیرعادی در نقاط مختلف کره زمین برای چندین سال مشاهده شد. این به دلیل انتشار قدرتمند غبار آتشفشانی در جو در طول فوران است.

فکر می کنم تحقیقات من به همین جا ختم نمی شود. من هنوز سوال دارم میخواهم بدانم:

وقتی پرتوهای نور از مایعات، محلول های مختلف عبور می کنند چه اتفاقی می افتد.

چگونه نور منعکس و جذب می شود.

پس از تکمیل این کار، من متقاعد شدم که پدیده شکست نور چقدر می تواند برای فعالیت عملی شگفت انگیز و مفید باشد. این بود که به من اجازه داد تا بفهمم چرا غروب خورشید قرمز است.

ادبیات

1. فیزیک. علم شیمی. 5-6 cl. کتاب درسی. M .: Bustard، 2009، ص 106

2. Bulat یک پدیده در طبیعت است. م .: آموزش و پرورش، 1974، 143 ص.

3. "چه کسی رنگین کمان را می سازد؟" - کوانت 1367، شماره 6، ص 46.

4. سخنرانی در مورد اپتیک. تاراسف در طبیعت. - م .: آموزش و پرورش، 1988

منابع اینترنتی:

1.http: // پوتومی. ru / چرا آسمان آبی است؟

2.http: // www. voprosy-kak-i-pochemu. opensubtitles2 fa چرا آسمان آبی است؟

3.http: // تجربه. ru / دسته / obrazovanie /

همه ما به این واقعیت عادت کرده ایم که رنگ آسمان یک ویژگی ناپایدار است. مه، ابرها، زمان روز - همه چیز بر رنگ گنبد بالای سر شما تأثیر می گذارد. تغییر روزانه آن ذهن اکثر بزرگسالان را به خود مشغول نمی کند، چیزی که نمی توان در مورد کودکان گفت. آنها دائماً در این فکر هستند که چرا آسمان از نظر فیزیک آبی است یا غروب خورشید چه رنگ هایی قرمز دارد. بیایید سعی کنیم این سوالات نه چندان ساده را درک کنیم.

بی ثبات

ارزش دارد با پاسخ به این سؤال شروع کنیم که در واقع آسمان چیست. در دنیای باستان، واقعاً به عنوان گنبدی دیده می شد که زمین را می پوشاند. اما امروزه کمتر کسی نداند که کاوشگر کنجکاو هر چقدر هم که بالا برود، نمی تواند به این گنبد برسد. آسمان یک چیز نیست، بلکه یک پانوراما است که با مشاهده از سطح سیاره باز می شود، نوعی ظاهر بافته شده از نور. علاوه بر این، اگر از نقاط مختلف مشاهده کنید، ممکن است متفاوت به نظر برسد. بنابراین، از آن که از بالای ابرها بلند شده است، نمای کاملاً متفاوتی نسبت به زمین در این زمان باز می شود.

آسمان صاف آبی است، اما به محض ورود ابرها، خاکستری، سربی یا سفید می شود. آسمان شب سیاه است، گاهی اوقات می توان مناطق قرمز رنگی را روی آن دید. این بازتابی از نور مصنوعی شهر است. دلیل همه این تغییرات نور و برهمکنش آن با هوا و ذرات مواد مختلف موجود در آن است.

ماهیت رنگ

برای پاسخ به این سوال که چرا آسمان از دیدگاه فیزیک آبی است، باید به یاد داشته باشید که چه رنگی است. این یک موج با طول مشخص است. نوری که از خورشید به زمین می رسد به صورت سفید دیده می شود. حتی از آزمایشات نیوتن مشخص شده است که این مجموعه ای از هفت پرتو است: قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی روشن، آبی و بنفش. رنگ ها در طول موج متفاوت هستند. طیف قرمز نارنجی شامل چشمگیرترین امواج در این پارامتر است. قسمت هایی از طیف با طول موج کوتاه مشخص می شود. تجزیه نور به یک طیف زمانی رخ می دهد که با مولکول های مواد مختلف برخورد کند، در حالی که بخشی از امواج می تواند جذب شود و بخشی از آن می تواند پراکنده شود.

بررسی علت

بسیاری از دانشمندان سعی کرده اند دلیل آبی بودن آسمان را از نظر فیزیک توضیح دهند. همه محققان به دنبال کشف پدیده یا فرآیندی بودند که نور را در جو سیاره به گونه ای پراکنده می کند که در نتیجه فقط آبی به ما می رسد. آب نیز اولین نامزد برای نقش چنین ذرات بود. اعتقاد بر این بود که نور قرمز را جذب می کنند و آبی را از خود عبور می دهند و در نتیجه آسمان آبی را می بینیم. اما محاسبات بعدی نشان داد که مقدار ازن، کریستال‌های یخ و مولکول‌های بخار آب موجود در جو برای دادن رنگ آبی به آسمان کافی نیست.

دلیل آن آلودگی است

در مرحله بعدی تحقیق، جان تیندال پیشنهاد کرد که غبار نقش ذرات مورد نظر را بازی می کند. نور آبی بیشترین مقاومت را در برابر پراکندگی دارد و به همین دلیل قادر به عبور از تمام لایه های غبار و سایر ذرات معلق است. تیندال آزمایشی انجام داد که فرض او را تایید کرد. او مدلی از مه دود در آزمایشگاه ساخت و آن را با نور سفید روشن روشن کرد. مه دود رنگ آبی به خود گرفت. این دانشمند از تحقیقات خود نتیجه گیری بدون ابهام کرد: رنگ آسمان توسط ذرات گرد و غبار تعیین می شود ، یعنی اگر هوای زمین تمیز بود ، آسمان آبی نبود ، بلکه آسمان سفید بالای سر مردم می درخشید.

تحقیق لرد

نکته پایانی در مورد چرایی آبی بودن آسمان (از دیدگاه فیزیک) توسط دانشمند انگلیسی لرد دی. ریلی مطرح شد. او ثابت کرد که گرد و غبار یا دود نیست که فضای بالای سر را در سایه ای که ما به آن عادت کرده ایم رنگ می کند. مربوط به خود هواست. مولکول های گاز بزرگترین و در درجه اول طولانی ترین طول موج معادل قرمز را جذب می کنند. در این حالت آبی پراکنده می شود. رنگ آسمانی که امروز در هوای صاف می بینیم اینگونه توضیح داده می شود.

توجه متوجه خواهد شد که طبق منطق دانشمندان، گنبد بالای سر شما باید بنفش باشد، زیرا این رنگ است که کوتاه ترین طول موج را در محدوده قابل مشاهده دارد. با این حال، این یک اشتباه نیست: نسبت بنفش در طیف بسیار کمتر از آبی است و چشمان انسان به دومی حساس تر است. در واقع آبی که می بینیم حاصل اختلاط آبی با بنفش و برخی رنگ های دیگر است.

غروب و ابر

همه می دانند که در زمان های مختلف روز می توانید رنگ های مختلفی از آسمان را ببینید. عکس های زیباترین غروب خورشید بر فراز دریا یا دریاچه گویای عالی این موضوع است. انواع سایه های قرمز و زرد در ترکیب با آبی روشن و آبی تیره چنین منظره ای را فراموش نشدنی می کند. و با همان پراکندگی نور توضیح داده می شود. واقعیت این است که در هنگام غروب و سپیده دم، پرتوهای خورشید باید مسیر بسیار بزرگ تری را در جو غلبه کنند تا در اوج روز. در این حالت، نور قسمت سبز-آبی طیف در جهات مختلف پراکنده می شود و ابرهای واقع در خط افق به رنگ قرمز در می آیند.

وقتی آسمان پوشیده از ابر است، تصویر به کلی تغییر می کند. قادر به غلبه بر لایه متراکم نیست و اکثر آنها به سادگی به زمین نمی رسند. پرتوهایی که توانسته اند از میان ابرها عبور کنند با قطرات آب باران و ابرها مواجه می شوند که دوباره نور را مخدوش می کنند. در نتیجه همه این دگرگونی ها، نور سفید در صورتی که ابرها کوچک باشند به زمین می رسد و زمانی که آسمان توسط ابرهای چشمگیر پوشانده شده است خاکستری به زمین می رسد که دوباره بخشی از پرتوها را جذب می کنند.

بهشت دیگر

جالب اینجاست که در سایر سیارات منظومه شمسی، وقتی از سطح زمین به آن نگاه کنیم، می توان آسمان را دید که با زمین بسیار متفاوت است. در اجرام فضایی، محروم از جو، پرتوهای خورشید آزادانه به سطح می رسد. در نتیجه، آسمان اینجا سیاه است، بدون هیچ سایه. چنین تصویری را می توان در ماه، عطارد و پلوتون مشاهده کرد.

آسمان مریخ رنگ قرمز مایل به نارنجی دارد. دلیل این امر در غباری است که جو سیاره از آن اشباع شده است. در رنگ های مختلف قرمز و نارنجی رنگ آمیزی شده است. هنگامی که خورشید از افق طلوع می کند، آسمان مریخ صورتی مایل به قرمز می شود، در حالی که قسمتی از آن که بلافاصله قرص نور را احاطه کرده آبی یا حتی بنفش به نظر می رسد.

آسمان بالای زحل هم رنگ روی زمین است. آسمان آکوامارین بر فراز اورانوس کشیده شده است. دلیل آن در مه متان واقع در سیارات بالایی نهفته است.

زهره توسط لایه متراکمی از ابرها از چشم محققان پنهان شده است. این اجازه نمی دهد که پرتوهای طیف آبی-سبز به سطح سیاره برسند، بنابراین آسمان اینجا زرد-نارنجی با یک نوار خاکستری در امتداد افق است.

کاوش در فضای بالای سر در طول روز شگفتی های کمتری از کاوش در آسمان پرستاره را نشان می دهد. درک فرآیندهایی که در داخل و پشت ابرها اتفاق می‌افتد، به درک دلیل چیزهایی که برای افراد عادی کاملاً آشنا هستند، کمک می‌کند، که با این وجود، همه نمی‌توانند بی‌درنگ توضیح دهند.

لذت دیدن و فهمیدن
زیباترین هدیه طبیعت است
آلبرت انیشتین

معمای آبی بهشتی

چرا آسمان آبی است؟...

چنین کسی وجود ندارد که حداقل یک بار در زندگی خود به آن فکر نکرده باشد. متفکران قرون وسطی قبلاً سعی کرده اند منشأ رنگ آسمان را توضیح دهند. برخی از آنها پیشنهاد کردند که آبی رنگ واقعی هوا یا برخی از گازهای تشکیل دهنده آن است. برخی دیگر فکر می کردند که رنگ واقعی آسمان سیاه است - آن گونه که در شب به نظر می رسد. در طول روز، رنگ سیاه آسمان با سفید ترکیب می شود - پرتوهای خورشید، و معلوم می شود ... آبی.

حالا شاید با شخصی که بخواهد رنگ آبی به دست بیاورد، سیاه و سفید را با هم ترکیب نکند. و زمانی بود که قوانین ترکیب رنگ ها هنوز نامشخص بود. آنها فقط سیصد سال پیش توسط نیوتن نصب شدند.

نیوتن نیز به راز آبی بهشتی علاقه مند شد. او با رد تمام نظریه های قبلی شروع کرد.

ابتدا، او استدلال کرد، مخلوطی از سفید و سیاه هرگز آبی را تشکیل نمی دهد. دوم اینکه آبی اصلاً رنگ واقعی هوا نیست. اگر اینطور بود، خورشید و ماه در غروب خورشید، آنطور که واقعاً هست، قرمز به نظر نمی رسیدند، بلکه آبی به نظر می رسیدند. قله‌های کوه‌های برفی دوردست چنین به نظر می‌رسیدند.

تصور کنید که هوا رنگی است. حتی اگر خیلی ضعیف باشد. سپس یک لایه ضخیم از آن مانند شیشه رنگی عمل می کند. و اگر از شیشه های رنگی نگاه کنید، همه اشیا به رنگ این شیشه ظاهر می شوند. چرا قله های برفی دور برای ما صورتی به نظر می رسند و اصلا آبی نیستند؟

در اختلاف با پیشینیانش، حقیقت از جانب نیوتن بود. او ثابت کرد که هوا رنگی نیست.

هنوز معمای آسمان آبی را حل نکرده است. او با رنگین کمان، یکی از زیباترین و شاعرانه ترین پدیده های طبیعت، گیج شده بود. چرا ناگهان ظاهر می شود و به همان طور ناگهانی ناپدید می شود؟ نیوتن نمی تواند با خرافات رایج راضی باشد: رنگین کمان نشانه ای از بالا است، هوای خوب را به تصویر می کشد. او تلاش کرد تا علت مادی هر پدیده ای را بیابد. او همچنین علت رنگین کمان را پیدا کرد.

رنگین کمان نتیجه شکست نور در قطرات باران است. نیوتن با درک این موضوع توانست شکل قوس رنگین کمان را محاسبه کند و ترتیب رنگ ها را در رنگین کمان توضیح دهد. نظریه او نمی توانست فقط ظاهر یک رنگین کمان دوگانه را توضیح دهد، اما انجام این کار تنها سه قرن بعد با کمک یک نظریه بسیار پیچیده امکان پذیر شد.

موفقیت تئوری رنگین کمان نیوتن را هیپنوتیزم کرد. او به اشتباه تصور کرد که رنگ آبی آسمان و رنگین کمان ناشی از یک علت هستند. رنگین کمان وقتی شعله ور می شود که پرتوهای خورشید از میان انبوه قطرات باران می شکند. اما آسمان آبی نه تنها در باران قابل مشاهده است! برعکس، در هوای صاف، زمانی که حتی ذره ای از باران نمی بارد، آسمان به خصوص آبی است. چگونه دانشمند بزرگ متوجه این موضوع نشد؟ نیوتن فکر می کرد که کوچکترین حباب های آب که طبق نظریه او فقط قسمت آبی رنگین کمان را تشکیل می دهند، در هر آب و هوایی در هوا شناور هستند. اما این یک توهم بود.

راه حل اول

تقریباً 200 سال گذشت و یک دانشمند انگلیسی دیگر به نام ریلی این موضوع را مطرح کرد، زیرا نمی ترسید که این کار حتی از توان نیوتن بزرگ خارج باشد.

ریلی در اپتیک کار می کرد. و افرادی که زندگی خود را وقف مطالعه نور کرده اند زمان زیادی را در تاریکی می گذرانند. نور اضافی با بهترین آزمایش‌ها تداخل می‌کند؛ بنابراین، پنجره‌های آزمایشگاه نوری تقریباً همیشه با پرده‌های سیاه و غیرقابل نفوذ پوشیده می‌شوند.

ریلی ساعت‌ها را در آزمایشگاه غم‌انگیز خود با پرتوهای نوری که از ابزار فوران می‌کرد، صرف کرد. در مسیر پرتوها مانند ذرات غبار زنده دایره می چرخیدند. آنها بسیار روشن بودند و بنابراین در پس زمینه تاریک خودنمایی می کردند. دانشمند، شاید برای مدتی طولانی در اندیشه، حرکات نرم آنها را دنبال می کرد، درست مانند مردی که بازی جرقه ها را در شومینه تماشا می کند.

آیا این ذرات غباری که در پرتوهای نور می رقصند نبود که ایده جدیدی را در مورد منشاء رنگ آسمان به رایلی پیشنهاد کرد؟

حتی در دوران باستان مشخص شد که نور در یک خط مستقیم منتشر می شود. این کشف مهم را می‌توانست یک مرد بدوی انجام دهد و مشاهده کرد که چگونه پرتوهای خورشید با شکستن شکاف‌های کلبه، بر روی دیوارها و زمین می‌افتد.

اما این فکر که چرا پرتوهای نور را می بیند و از پهلو به آنها نگاه می کند به سختی آزارش می داد. و اینجا چیزی برای فکر کردن وجود دارد. به هر حال، نور خورشید پرتویی از شکاف به کف است. چشم ناظر در کنار قرار دارد و با این وجود این نور را می بیند.

ما همچنین نور نورافکنی را که به سمت آسمان هدایت می شود می بینیم. یعنی بخشی از نور به نحوی از مسیر مستقیم منحرف شده و به چشم ما فرستاده می شود.

چه چیزی او را به بیراهه می کشاند؟ معلوم می شود که این همان دانه های غباری است که هوا با آنها پر شده است. پرتوهای پراکنده شده توسط یک ذره گرد و غبار وارد چشم ما می شود که با برخورد با موانع، جاده را منحرف می کند و در یک خط مستقیم از ذره پراکنده غبار به چشم ما پخش می شود.

"آیا این ذرات غبار نیست که آسمان را آبی رنگ می کند؟" ریلی یک روز فکر کرد. او حساب را انجام داد و حدس به قطعیت تبدیل شد. او توضیحی برای آسمان آبی، سحرهای سرخ و مه آبی پیدا کرد! البته، ریلی در سال 1871 اعلام کرد که کوچکترین ذرات غبار که اندازه آنها کمتر از طول موج نور است، نور خورشید را پراکنده می کند و هر چه بیشتر طول موج آن را کوتاهتر می کند. و از آنجایی که پرتوهای بنفش و آبی در طیف مرئی خورشید دارای کوتاه ترین طول موج هستند، به شدت پراکنده می شوند و به آسمان رنگ آبی می دهند.

خورشید و قله های برفی از این محاسبه توسط ریلی پیروی کردند. آنها حتی نظریه دانشمند را تأیید کردند. نظریه ریلی می گوید در طلوع و غروب خورشید، زمانی که نور خورشید از بیشترین ضخامت هوا عبور می کند، پرتوهای بنفش و آبی به شدت پراکنده می شوند. در عین حال از مسیر مستقیم منحرف می شوند و به چشم ناظر نمی افتند. ناظر عمدتاً پرتوهای قرمز را می بیند که بسیار ضعیف تر پراکنده می شوند. بنابراین، هنگام طلوع و غروب خورشید، خورشید برای ما قرمز جلوه می کند. به همین دلیل، قله‌های کوه‌های برفی دوردست نیز صورتی به نظر می‌رسند.

با نگاه به آسمان صاف، پرتوهای آبی-آبی را می بینیم که به دلیل پراکندگی از مسیر مستقیم منحرف شده و در چشمان ما می افتند. و مهی که گاهی در نزدیکی افق می بینیم نیز به نظرمان آبی می رسد.

یک چیز کوچک آزار دهنده

توضیح خوبی بود، اینطور نیست؟ او چنان تحت تأثیر خود ریلی قرار گرفت، دانشمندان چنان از هماهنگی این نظریه و پیروزی ریلی بر نیوتن شگفت زده شدند که هیچ یک از آنها متوجه یک چیز ساده نشدند. و این ریزه کاری اما باید ارزیابی آنها را کاملاً تغییر می داد.

چه کسی منکر این است که دور از شهر، جایی که گرد و غبار بسیار کمتری در هوا وجود دارد، رنگ آبی آسمان به ویژه شفاف و روشن است؟ انکار این موضوع برای خود ریلی سخت بود. پس ... آیا ذرات غبار نور را پراکنده نمی کنند؟ بعدش چی شد؟

او دوباره تمام محاسبات خود را اصلاح کرد و مطمئن شد که معادلاتش درست است، اما این بدان معناست که ذرات پراکنده واقعاً ذرات غبار نیستند. علاوه بر این، ذرات غبار موجود در هوا بسیار بزرگتر از طول موج نور هستند و محاسبات ریلی را متقاعد کردند که تجمع زیاد آنها باعث افزایش آبی رنگ آسمان نمی شود، بلکه برعکس، آن را ضعیف می کند. پراکندگی نور توسط ذرات بزرگ به طور ضعیفی به طول موج بستگی دارد و بنابراین تغییری در رنگ آن ایجاد نمی کند.

هنگامی که نور توسط ذرات بزرگ پراکنده می شود، نور پراکنده و نور عبوری سفید می ماند، بنابراین ظاهر شدن ذرات درشت در هوا رنگ سفیدی به آسمان می بخشد و تجمع تعداد زیادی قطرات بزرگ باعث رنگ سفید می شود. ابر و مه بررسی این موضوع در یک سیگار معمولی آسان است. دودی که از کنار دهانه بیرون می آید همیشه سفید به نظر می رسد و دودی که از انتهای سوزان آن بلند می شود رنگ مایل به آبی دارد.

کوچکترین ذرات دود که از انتهای سوزان سیگار بلند می شوند، کوچکتر از طول موج نور هستند و مطابق با نظریه ریلی، عمدتاً بنفش و آبی پراکنده می شوند. اما هنگام عبور از کانال‌های باریک در ضخامت تنباکو، ذرات دود به هم می‌چسبند (منعقد می‌شوند) و به صورت توده‌های بزرگ‌تر ترکیب می‌شوند. بسیاری از آنها از طول موج های نور بزرگتر می شوند و همه امواج نور را تقریباً به یک شکل پراکنده می کنند. به همین دلیل است که دودی که از کنار دهانه می‌آید، سفید به نظر می‌رسد.

بله، استدلال و دفاع از نظریه مبتنی بر ذرات غبار بی فایده بود.

بنابراین، رمز و راز رنگ آبی آسمان دوباره در برابر دانشمندان ظاهر شد. اما ریلی تسلیم نشد. او استدلال کرد که اگر رنگ آبی آسمان هر چه اتمسفر تمیزتر و روشن‌تر باشد، پس رنگ آسمان را چیزی جز مولکول‌های خود هوا نمی‌توان ایجاد کرد. مولکول های هوا، او در مقالات جدید خود نوشت، - اینها کوچکترین ذرات هستند که نور خورشید را پراکنده می کنند!

ریلی این بار بسیار مراقب بود. قبل از اعلام ایده جدید خود، تصمیم گرفت آن را آزمایش کند، به نحوی نظریه را در مقابل تجربه بررسی کند.

این مورد در سال 1906 مطرح شد. ریلی توسط ابوت، اخترفیزیکدان آمریکایی، که درخشش آبی آسمان را در رصدخانه کوه ویلسون مطالعه کرد، کمک گرفت. ابوت با پردازش نتایج اندازه گیری درخشش درخشش آسمان بر اساس نظریه پراکندگی ریلی، تعداد مولکول های موجود در هر سانتی متر مکعب هوا را محاسبه کرد. معلوم شد که عدد بزرگی است! کافی است بگوییم که اگر این مولکول ها را بین همه ساکنان کره زمین توزیع کنید، آنگاه همه بیش از 10 میلیارد از این مولکول ها را دریافت خواهند کرد. به طور خلاصه، ابوت کشف کرد که در هر سانتی متر مکعب هوا در دما و فشار معمولی جو، 27 میلیارد برابر یک میلیارد مولکول وجود دارد.

تعداد مولکول ها در یک سانتی متر مکعب گاز را می توان به روش های مختلف بر اساس پدیده های کاملاً متفاوت و مستقل تعیین کرد. همه آنها به نتایجی نزدیک به هم منتهی می شوند و عددی به نام عدد لوشمیت می دهند.

این عدد برای دانشمندان به خوبی شناخته شده است و بیش از یک بار به عنوان یک معیار و کنترل در توضیح پدیده هایی که در گازها رخ می دهد عمل کرد.

و حالا عددی که ابوت هنگام اندازه گیری درخشش آسمان به دست آورد، با دقت زیادی با عدد لوشمیت مطابقت داشت. اما او در محاسبات خود از نظریه پراکندگی ریلی استفاده کرد. بنابراین، به وضوح ثابت شد که این نظریه درست است، پراکندگی مولکولی نور واقعا وجود دارد.

به نظر می رسید که نظریه ریلی به طور قابل اعتمادی توسط آزمایش تایید شده است. همه علما او را بی عیب و نقص می دانستند.

به طور کلی شناخته شد و وارد تمام کتاب های درسی اپتیک شد. می توان آرام نفس کشید: سرانجام توضیحی از پدیده پیدا شد - بسیار آشنا و در عین حال مرموز.

تعجب آورتر این است که در سال 1907، در صفحات یک مجله علمی مشهور، این سوال دوباره مطرح شد: چرا آسمان آبی است؟

اختلاف نظر

چه کسی جرأت داشت نظریه عمومی پذیرفته شده رایلی را زیر سوال ببرد؟

از قضا، این یکی از طرفداران و ستایشگران سرسخت ریلی بود. شاید هیچ کس به اندازه فیزیکدان جوان روسی لئونید ماندلشتام، ریلی را به خوبی قدردان و درک نکرده باشد، کار او را به خوبی نمی دانسته، به کار علمی او علاقه ای نداشته باشد.

دانشمند دیگر شوروی، آکادمیسین N.D. پاپالکسی - شباهت های زیادی با ریلی داشت. و تصادفی نیست که مسیرهای کار علمی آنها اغلب به موازات هم پیش می رفت و مکرراً از هم عبور می کرد.

آنها این بار نیز در مورد منشأ رنگ آسمان به صلیب کشیدند. پیش از آن، ماندلشتام عمدتاً به مهندسی رادیو علاقه داشت. برای آغاز قرن ما، این یک رشته علمی کاملاً جدید بود و افراد کمی آن را درک می کردند. پس از ع.ش. پوپوف (در سال 1895) فقط چند سال گذشت و کار زیادی در اینجا وجود داشت. ماندلشتام در مدت زمان کوتاهی تحقیقات جدی زیادی در زمینه نوسانات الکترومغناطیسی انجام داد که در دستگاه های مهندسی رادیو به کار می رود. در سال 1902 از پایان نامه خود دفاع کرد و در بیست و سه سالگی دکترای خود را در فلسفه طبیعی از دانشگاه استراسبورگ دریافت کرد.

ماندلشتام در برخورد با مسائل برانگیختگی امواج رادیویی، طبیعتاً آثار ریلی را که در مطالعه فرآیندهای نوسانی یک مرجع شناخته شده بود، مطالعه کرد. و دکتر جوان بی اختیار با مشکل رنگ آسمان آشنا شد.

اما ماندلشتام پس از آشنایی با موضوع رنگ آسمان، نه تنها مغالطه یا همان طور که خود می گفت «ناکافی بودن» نظریه عموماً پذیرفته شده پراکندگی مولکولی نور توسط ریلی را نشان داد، بلکه نه تنها راز رنگ آبی آسمان، بلکه تحقیقاتی را آغاز کرد که منجر به یکی از مهمترین اکتشافات فیزیک قرن بیستم شد.

همه چیز با اختلاف مکاتبه ای با یکی از بزرگترین فیزیکدانان، پدر نظریه کوانتومی، M. Planck آغاز شد. زمانی که ماندلشتام با نظریه ریلی آشنا شد، او را با سکوت و تناقضات درونی خود جذب کرد، که در کمال تعجب فیزیکدان جوان، متوجه ریلی قدیمی و با تجربه نشد. نارسایی نظریه ریلی به ویژه هنگام تجزیه و تحلیل نظریه دیگری بر اساس آن توسط پلانک برای توضیح تضعیف نور هنگام عبور از یک محیط شفاف نوری همگن آشکار شد.

در این نظریه، مبنا قرار گرفت که مولکول های ماده ای که نور از آن عبور می کند، منبع امواج ثانویه است. پلانک استدلال کرد که برای ایجاد این امواج ثانویه، بخشی از انرژی موج عبوری صرف می شود که سپس ضعیف می شود. می بینیم که این نظریه مبتنی بر نظریه پراکندگی مولکولی ریلی است و بر اعتبار آن تکیه دارد.

ساده ترین راه برای درک اصل موضوع، بررسی امواج روی سطح آب است. اگر موجی با اجسام ثابت یا شناور (شمع ها، کنده ها، قایق ها و غیره) برخورد کند، امواج کوچک از این اجسام در همه جهات پراکنده می شوند. این چیزی بیش از پراکندگی نیست. بخشی از انرژی موج فرودی صرف تحریک امواج ثانویه می شود که کاملا مشابه نور پراکنده در اپتیک هستند. در این مورد، موج اولیه ضعیف می شود - ضعیف می شود.

اجسام شناور می توانند بسیار کوتاهتر از طول موج آب در حال حرکت باشند. حتی دانه های کوچک باعث ایجاد امواج ثانویه می شوند. البته با کاهش اندازه ذرات، امواج ثانویه تولید شده توسط آنها ضعیف می شود، اما همچنان انرژی موج اصلی را خواهند گرفت.

این تقریباً همان چیزی است که پلانک فرآیند ضعیف شدن موج نور را هنگام عبور از یک گاز تصور می کرد، اما نقش دانه ها در نظریه او توسط مولکول های گاز ایفا می شد.

ماندلشتام به این کار علاقه مند شد.

رشته فکری ماندلشتام را می توان با استفاده از مثال امواج روی سطح آب نیز توضیح داد. شما فقط باید آن را دقیق تر در نظر بگیرید. بنابراین، حتی دانه های کوچکی که روی سطح آب شناور هستند، منبع امواج ثانویه هستند. اما اگر این دانه ها به قدری متراکم ریخته شوند که تمام سطح آب را بپوشانند چه اتفاقی می افتد؟ سپس معلوم می شود که امواج ثانویه منفرد ناشی از دانه های متعدد به گونه ای جمع می شوند که قسمت هایی از امواج را که به طرفین و عقب می روند کاملاً خاموش می کنند و پراکندگی متوقف می شود. تنها موجی به جلو خواهد بود. او به جلو خواهد دوید، به هیچ وجه ضعیف نمی شود. تنها نتیجه حضور کل توده دانه ها کاهش جزئی در سرعت انتشار موج اولیه خواهد بود. به ویژه مهم است که همه اینها به ثابت بودن دانه ها یا حرکت آنها در امتداد سطح آب بستگی ندارد. تجمع دانه ها به سادگی به عنوان یک بار روی سطح آب عمل می کند و چگالی لایه بالایی آن را تغییر می دهد.

ماندلشتام یک محاسبه ریاضی برای مواردی انجام داد که تعداد مولکول‌های موجود در هوا به قدری زیاد است که حتی در ناحیه کوچکی مانند طول موج نور، تعداد بسیار زیادی مولکول وجود دارد. معلوم شد که در این مورد، امواج نور ثانویه، که توسط مولکول‌های متحرک هرج و مرج برانگیخته می‌شوند، مانند امواج در مثال با دانه‌ها جمع می‌شوند. به این معنی که در این حالت موج نور بدون پراکندگی و تضعیف، اما با سرعت کمی کمتر منتشر می شود. این امر نظریه ریلی را که معتقد بود حرکت ذرات پراکنده در همه موارد، پراکندگی امواج را تضمین می کند، رد کرد و بنابراین نظریه پلانک مبتنی بر آن را رد کرد.

بنابراین شن و ماسه بر اساس نظریه پراکندگی کشف شد. کل ساختمان با شکوه لرزید و تهدید به فروریختن شد.

اتفاقی

اما در مورد تعیین عدد لوشمیت از اندازه گیری درخشش آبی آسمان چه می شود؟ بالاخره تجربه نظریه پراکندگی ریلی را تایید کرد!

ماندلشتام در سال 1907 در اثر خود "درباره رسانه های نوری همگن و کدر" نوشت: "این تصادف را باید تصادفی تلقی کرد."

ماندلشتام نشان داد که حرکت بی نظم مولکول ها نمی تواند گاز را همگن کند. برعکس، در یک گاز واقعی همیشه کوچکترین کمیابی و تراکم وجود دارد که در نتیجه حرکت حرارتی آشفته ایجاد می شود. این آنها هستند که منجر به پراکندگی نور می شوند، زیرا آنها همگنی نوری هوا را نقض می کنند. ماندلشتام در همین اثر نوشت:

"اگر محیط از نظر نوری ناهمگن باشد، به طور کلی، نور فرودی به طرفین پراکنده می شود."

اما از آنجایی که ابعاد ناهمگونی های ناشی از حرکت آشفته کمتر از طول امواج نور است، بنابراین عمدتاً امواج مربوط به قسمت های بنفش و آبی طیف پراکنده می شوند. و این به ویژه به رنگ آبی آسمان منجر می شود.

پس بالاخره معمای آبی آسمانی حل شد. بخش نظری توسط رایلی توسعه داده شد. ماهیت فیزیکی پراکنده ها توسط ماندلشتام مشخص شد.

شایستگی بزرگ ماندلشتام این است که ثابت کرد فرض همگنی کامل یک گاز با این واقعیت که نور در آن پراکنده است ناسازگار است. او متوجه شد که رنگ آبی آسمان ثابت می کند که همگنی گازها فقط ظاهری است. به طور دقیق تر، گازها تنها زمانی همگن به نظر می رسند که توسط ابزارهای درشت، مانند فشارسنج، ترازو یا سایر ابزارها که به طور همزمان تحت تأثیر میلیاردها مولکول قرار می گیرند، بررسی شوند. اما پرتو نور مقادیر غیرقابل مقایسه کمتری از مولکول ها را حس می کند که تنها در ده ها هزار اندازه گیری می شود. و این کافی است تا ثابت کنیم که چگالی گاز به طور مداوم در معرض تغییرات محلی کوچک است. بنابراین، رسانه ای که از دیدگاه «تخت» ما همگن است، در واقع ناهمگن است. از «دیدگاه نور» ابری به نظر می رسد و بنابراین نور را پراکنده می کند.

تغییرات موضعی تصادفی در خواص یک ماده، ناشی از حرکت حرارتی مولکول ها، اکنون نوسان نامیده می شود. ماندلشتام پس از روشن کردن منشاء نوسان پراکندگی مولکولی نور، راه را برای روش جدیدی برای مطالعه ماده هموار کرد - روش نوسانی یا آماری، که بعدها توسط اسمولوخوفسکی، لورنتس، انیشتین و خودش در بخش بزرگ جدیدی از فیزیک توسعه یافت. - فیزیک آماری

آسمان باید چشمک بزند!

پس راز آسمان آبی فاش شد. اما مطالعه پراکندگی نور به همین جا ختم نشد. ماندلشتام با توجه به تغییرات تقریباً نامحسوس چگالی هوا و توضیح رنگ آسمان با پراکندگی نوسانی نور، با غریزه تیز دانشمند خود، ویژگی جدید و حتی ظریف تر این فرآیند را کشف کرد.

از این گذشته، ناهمگونی هوا به دلیل نوسانات تصادفی در چگالی آن ایجاد می شود. بزرگی این ناهمگونی‌های تصادفی، چگالی توده‌ها، در طول زمان تغییر می‌کند. بنابراین، دانشمند استدلال کرد، شدت نیز باید در طول زمان تغییر کند - قدرت نور پراکنده! از این گذشته، هر چه توده های مولکول ها متراکم تر باشند، نور پراکنده روی آنها شدیدتر است. و از آنجایی که این لخته ها به طور آشفته ظاهر می شوند و ناپدید می شوند، به بیان ساده، آسمان باید سوسو بزند! قدرت درخشش و رنگ آن باید همیشه (اما بسیار ضعیف) تغییر کند! اما آیا کسی تا به حال متوجه چنین سوسو زدنی شده است؟ البته که نه.

این اثر به قدری ظریف است که نمی توانید آن را با چشم غیر مسلح ببینید.

هیچ یک از دانشمندان نیز چنین تغییری را در درخشش آسمان مشاهده نکردند. ماندلشتام خود فرصتی برای تأیید نتایج نظریه خود نداشت. سازماندهی پیچیده ترین آزمایش ها ابتدا به دلیل شرایط ناچیز روسیه تزاری و سپس با مشکلات سال های اول انقلاب، مداخله خارجی و جنگ داخلی با مشکل مواجه شد.

در سال 1925، ماندلشتام رئیس بخش دانشگاه مسکو شد. در اینجا او با دانشمند برجسته و آزمایشگر ماهر گریگوری سامویلوویچ لندسبرگ ملاقات کرد. و به این ترتیب، با دوستی عمیق و علایق مشترک علمی، با هم به طوفان اسرار پنهان در پرتوهای ضعیف نور پراکنده ادامه دادند.

آزمایشگاه های نوری دانشگاه در آن سال ها هنوز از نظر ابزار بسیار ضعیف بودند. هیچ دستگاهی در دانشگاه وجود نداشت که بتواند سوسو زدن آسمان یا آن تفاوت های کوچک در فرکانس های تابش و نور پراکنده را که نظریه پیش بینی می کرد نتیجه این سوسو زدن است را تشخیص دهد.

با این حال، این مانع از پژوهشگران نشد. آنها ایده تقلید از آسمان در آزمایشگاه را کنار گذاشتند. این فقط یک تجربه از قبل ظریف را پیچیده می کند. آنها تصمیم گرفتند نه پراکندگی نور سفید - پیچیده، بلکه پراکندگی پرتوهای یک فرکانس کاملاً مشخص را مطالعه کنند. اگر آنها دقیقاً فرکانس نور فرودی را بدانند، جستجوی فرکانس های نزدیک به آن که باید در هنگام پراکندگی ایجاد شوند، بسیار آسان تر خواهد بود. علاوه بر این، این تئوری پیشنهاد کرد که انجام مشاهدات در جامدات آسان‌تر است، زیرا در آنها مولکول‌ها بسیار نزدیک‌تر از گازها قرار دارند، و پراکندگی هرچه بیشتر باشد، ماده متراکم‌تر است.

جستجوی پر زحمت برای یافتن مناسب ترین مواد آغاز شد. در نهایت، انتخاب بر روی کریستال های کوارتز افتاد. صرفاً به این دلیل که کریستال‌های شفاف کوارتز بزرگ، راحت‌تر از هر کریستال دیگری در دسترس هستند.

آزمایش‌های آماده‌سازی دو سال به طول انجامید، خالص‌ترین نمونه‌های کریستال انتخاب شدند، تکنیک بهبود یافت و نشانه‌هایی ایجاد شد که بدون شک می‌توان پراکندگی روی مولکول‌های کوارتز را از پراکندگی روی اجزای تصادفی، ناهمگنی‌های کریستالی و ناخالصی‌ها تشخیص داد.

شوخ طبعی و کار

دانشمندان با نداشتن تجهیزات قدرتمند برای تجزیه و تحلیل طیفی، راه حلی مبتکرانه را انتخاب کردند که قرار بود امکان استفاده از ابزارهای موجود را فراهم کند.

مشکل اصلی در این کار این بود که نور بسیار قوی‌تری بر نور ضعیف ناشی از پراکندگی مولکولی، پراکنده شده توسط آلاینده‌های کوچک و سایر نقص‌های آن نمونه‌های کریستالی که برای آزمایش‌ها به‌دست آمده بودند، قرار می‌گرفت. محققان تصمیم گرفتند از این واقعیت استفاده کنند که نور پراکنده که توسط نقص کریستالی و انعکاس از قسمت‌های مختلف تاسیسات ایجاد می‌شود، دقیقاً از نظر فرکانس با نور فرودی مطابقت دارد. آنها فقط به نور با فرکانس تغییر یافته مطابق با نظریه ماندلشتام علاقه داشتند.بنابراین، وظیفه برجسته کردن نور فرکانس تغییر یافته ناشی از پراکندگی مولکولی در پس زمینه این نور بسیار روشن تر بود.

برای اینکه نور پراکنده بزرگی برای ثبت داشته باشد، دانشمندان تصمیم گرفتند کوارتز را با قوی ترین وسیله روشنایی در دسترسشان روشن کنند: یک لامپ جیوه.

بنابراین، نور پراکنده شده در یک کریستال باید از دو بخش تشکیل شود: از یک نور ضعیف فرکانس تغییر یافته، به دلیل پراکندگی مولکولی (مطالعه این بخش هدف دانشمندان بود) و از یک نور بسیار قوی تر از یک فرکانس بدون تغییر. ، ناشی از علل خارجی (این قسمت مضر بود، تحقیق را دشوار می کرد).

ایده روش به دلیل سادگی آن جذب می شود: لازم است نور با فرکانس ثابت جذب شود و فقط نور فرکانس تغییر یافته به دستگاه طیفی منتقل شود. اما تفاوت فرکانس فقط چند هزارم درصد بود. هیچ آزمایشگاه دیگری در جهان فیلتری نداشته است که بتواند چنین فرکانس های نزدیکی را از هم جدا کند. با این حال، راهی برای خروج پیدا شد.

نور پراکنده از ظرفی با بخار جیوه عبور داده شد. در نتیجه، تمام نور "مضر" در کشتی "گیر" کرد و نور "مفید" بدون تضعیف قابل توجهی عبور کرد. در این مورد، آزمایش‌کنندگان از یکی از شرایط شناخته شده استفاده کردند. اتم ماده، طبق فیزیک کوانتومی، قادر است امواج نوری با فرکانس های کاملاً مشخصی را ساطع کند. در عین حال، این اتم توانایی جذب نور را نیز دارد. علاوه بر این، فقط امواج نوری از آن فرکانس هایی که خودش می تواند منتشر کند.

در لامپ جیوه ای، نور توسط بخار جیوه ساطع می شود که تحت تأثیر تخلیه الکتریکی که در داخل لامپ رخ می دهد می درخشد. اگر این نور از ظرفی که حاوی بخار جیوه نیز است عبور داده شود، تقریباً به طور کامل جذب می شود. آنچه نظریه پیش‌بینی می‌کند اتفاق خواهد افتاد: اتم‌های جیوه در ظرف نور ساطع شده توسط اتم‌های جیوه در لامپ را جذب می‌کنند.

نور از منابع دیگر، مانند لامپ نئون، بدون آسیب از بخار جیوه عبور می کند. اتم های جیوه حتی به آن توجه نمی کنند. آن قسمت از نور لامپ جیوه ای که در کوارتز با تغییر طول موج پراکنده می شود نیز جذب نمی شود.

ماندلشتام و لندسبرگ از این موقعیت مناسب استفاده کردند.

کشف شگفت انگیز

در سال 1927، آزمایش های تعیین کننده آغاز شد. دانشمندان کریستال کوارتز را با نور یک لامپ جیوه ای روشن کردند و نتایج را پردازش کردند. و ... تعجب کردند.

نتایج آزمایش غیرمنتظره و غیرمعمول بود. دانشمندان به هیچ وجه آنچه را که انتظار داشتند، و آنچه توسط این نظریه پیش‌بینی شده بود، پیدا نکردند. آنها یک پدیده کاملاً جدید را کشف کردند. اما کدام یک؟ و آیا این یک اشتباه نیست؟ در نور پراکنده، فرکانس های مورد انتظار مشاهده نشد، اما فرکانس های بسیار بالاتر و پایین تر یافت شد. ترکیب کاملی از فرکانس ها در طیف نور پراکنده ظاهر شد که در فرود نور روی کوارتز وجود نداشت. توضیح ظاهر آنها با ناهمگونی های نوری در کوارتز به سادگی غیرممکن بود.

بررسی کامل شروع شد. آزمایش ها بدون نقص انجام شد. آنها به قدری هوشمندانه، عالی و مبتکرانه تصور شده بودند که نمی توان آنها را تحسین کرد.

- لئونید ایزاکوویچ گاهی اوقات مشکلات فنی بسیار دشوار را به قدری زیبا و گاهی درخشان حل می کرد که گاهی اوقات مشکلات فنی بسیار دشوار پیش می آمد که ناخواسته هر یک از ما یک سوال داشتیم: "چرا قبلاً به ذهن من خطور نکرده است؟" - می گوید یکی از کارمندان.

آزمایش های کنترلی مختلف به طور مداوم تایید کرده اند که هیچ خطایی وجود ندارد. در عکس‌های طیف نور پراکنده، خطوط ضعیف و با این وجود کاملاً واضح همچنان ادامه داشت که نشان‌دهنده وجود فرکانس‌های «اضافی» در نور پراکنده است.

ماه هاست که دانشمندان به دنبال توضیحی برای این پدیده بوده اند. فرکانس های "بیگانه" در نور پراکنده از کجا آمده اند؟!

و روزی فرا رسید که ماندلشتام تحت تأثیر یک حدس شگفت انگیز قرار گرفت. این یک کشف شگفت انگیز بود، کشفی که اکنون یکی از مهم ترین اکتشافات قرن بیستم به حساب می آید.

اما ماندلشتام و لندسبرگ هر دو به اتفاق آرا به این تصمیم رسیدند که این کشف تنها پس از یک بررسی محکم و پس از نفوذ جامع به اعماق پدیده قابل انتشار است. آزمایشات نهایی آغاز شد.

با کمک خورشید

در 16 فوریه، دانشمندان هندی C.N. رامان و ک.اس. کریشنان تلگرافی از کلکته برای این مجله ارسال کرد و شرح مختصری از کشف خود داشت.

در آن سالها نامه هایی درباره اکتشافات مختلف از سراسر جهان به مجله "پریرودا" سرازیر می شد. اما قرار نیست هر پیامی باعث ایجاد هیجان در بین دانشمندان شود. وقتی شماره نامه دانشمندان هندی از چاپ خارج شد، فیزیکدانان بسیار هیجان زده شدند. همان عنوان یادداشت - "نوع جدیدی از تشعشعات ثانویه" - علاقه را برانگیخت. به هر حال، اپتیک یکی از قدیمی‌ترین علوم است؛ در قرن بیستم اغلب امکان کشف چیز ناشناخته در آن وجود نداشت.

می توان تصور کرد که فیزیکدانان سراسر جهان با چه علاقه ای در انتظار نامه های جدید از کلکته بودند.

علاقه آنها تا حد زیادی توسط شخصیت یکی از نویسندگان این کشف، رامان، تقویت شد. این مردی با سرنوشت کنجکاو و بیوگرافی برجسته ای است که بسیار شبیه زندگینامه انیشتین است. انیشتین در جوانی یک معلم ساده ژیمناستیک و سپس کارمند اداره ثبت اختراعات بود. در این دوره بود که شاخص ترین آثار خود را تکمیل کرد. رامان، فیزیکدان زبردست، نیز پس از فارغ التحصیلی از دانشگاه مجبور شد به مدت ده سال در بخش مالی خدمت کند و تنها پس از آن به گروه دانشگاه کلکته دعوت شد. رامان به زودی رئیس مدرسه فیزیک هند شد.

چندی قبل از وقایع شرح داده شده، رامان و کریشنان درگیر یک کار جالب شدند. سپس شور و شوق ناشی از کشف کامپتون فیزیکدان آمریکایی در سال 1923، که با مطالعه گذر پرتوهای ایکس از ماده، متوجه شد که برخی از این پرتوها، که از جهت اصلی پراکنده می شوند، طول موج خود را افزایش می دهند، هنوز فروکش نکرده اند. با ترجمه به زبان اپتیک، می توان گفت که اشعه ایکس با برخورد با مولکول های ماده، "رنگ" خود را تغییر داد.

این پدیده به راحتی با قوانین فیزیک کوانتومی توضیح داده شد. بنابراین، کشف کامپتون یکی از شواهد قاطع بر درستی نظریه کوانتومی جوان بود.

چیزی مشابه، اما در اپتیک، ما تصمیم گرفتیم امتحان کنیم. توسط دانشمندان هندی کشف شد. آنها می خواستند نور را از ماده عبور دهند و ببینند پرتوهای آن چگونه روی مولکول های ماده پراکنده می شود و آیا طول موج آنها همزمان تغییر می کند یا خیر.

همانطور که می بینید، خواسته یا ناخواسته، دانشمندان هندی همان وظیفه ای را بر عهده دانشمندان شوروی گذاشته اند. اما اهداف آنها متفاوت بود. یک قیاس نوری از اثر کامپتون در کلکته جستجو شد. در مسکو - تایید تجربی پیش بینی ماندلشتام در مورد تغییر فرکانس در پراکندگی نور توسط ناهمگنی های نوسانی.

رامان و کریشن تجربه دشواری را تجربه کردند، زیرا تأثیر مورد انتظار بسیار کم بود. این آزمایش به یک منبع نور بسیار روشن نیاز داشت. و سپس آنها تصمیم گرفتند از خورشید استفاده کنند و پرتوهای آن را با تلسکوپ جمع آوری کنند.

قطر عدسی او هجده سانتی متر بود. محققان نور جمع‌آوری‌شده را از طریق یک منشور به رگ‌هایی فرستادند که مایعات و گازها در آن‌ها قرار داده شده بودند و به دقت از گرد و غبار و سایر آلاینده‌ها پاک شده بودند.

اما تشخیص طول موج کوچک مورد انتظار نور پراکنده با استفاده از نور سفید خورشید که تقریباً تمام طول موج های ممکن را در بر می گیرد، ناامیدکننده بود. بنابراین، دانشمندان تصمیم گرفتند از فیلترهای نور استفاده کنند. آنها یک فیلتر آبی-بنفش را در جلوی لنز قرار دادند و نور منتشر شده را از طریق یک فیلتر زرد-سبز مشاهده کردند. آنها به درستی تصمیم گرفتند که آنچه را که اولین فیلتر از دست داده در فیلتر دوم گیر کند. از این گذشته، فیلتر زرد-سبز پرتوهای آبی-بنفش منتقل شده توسط فیلتر اول را جذب می کند. و هر دو، که یکی پس از دیگری قرار می گیرند، باید تمام نور فرودی را جذب کنند. اگر پرتوهایی وارد چشم ناظر شوند، می توان با اطمینان گفت که آنها در نور فرودی نبوده اند، بلکه در ماده مورد مطالعه متولد شده اند.

کلمب

در واقع، در نور منتشر شده، رامان و کریشنان پرتوهایی را یافتند که از فیلتر دوم عبور می کردند. آنها فرکانس های اضافی را ضبط کردند. در اصل، این می تواند اثر کامپتون نوری باشد. یعنی هنگامی که توسط مولکول‌های ماده در رگ‌ها پراکنده می‌شود، نور آبی-بنفش می‌تواند رنگ خود را تغییر داده و زرد-سبز شود. اما این هنوز باید ثابت می شد. ممکن است دلایل دیگری نیز وجود داشته باشد که باعث ایجاد نور زرد-سبز می شود. به عنوان مثال، می تواند در نتیجه درخشندگی ظاهر شود - درخشش ضعیفی که اغلب در مایعات و جامدات تحت تأثیر نور، گرما و دلایل دیگر رخ می دهد. بدیهی است که یک چیز وجود داشت - این نور دوباره متولد شد، در نور فرود قرار نداشت.

دانشمندان آزمایش خود را با شش مایع مختلف و دو نوع بخار تکرار کردند. آنها مطمئن شدند که نه لومینسانس و نه دلایل دیگر در اینجا نقشی ندارند.

به نظر رامان و کریشن این واقعیت که طول موج نور مرئی با پراکنده شدن در ماده افزایش می‌یابد. به نظر می رسید که جستجو برای آنها با موفقیت همراه بود. آنها قیاس نوری با اثر کامپتون پیدا کردند.

اما برای اینکه آزمایش‌ها شکل تمام‌شده‌ای داشته باشند و نتیجه‌گیری‌ها به اندازه کافی قانع‌کننده باشند، یک بخش دیگر از کار باید انجام می‌شد. برای تشخیص تغییر در طول موج کافی نبود. اندازه گیری بزرگی این تغییر ضروری بود. اولی به ساخت فیلتر نور کمک کرد. او در انجام دومی ناتوان بود. در اینجا دانشمندان به یک طیف سنجی نیاز داشتند - دستگاهی که می تواند طول موج نور مورد مطالعه را اندازه گیری کند.

و محققان بخش دوم را آغاز کردند، که کمتر دشوار و پر دردسر نبود. اما او همچنین انتظارات آنها را برآورده کرد. نتایج مجدداً نتایج بخش اول کار را تأیید کرد. با این حال، طول موج به طور غیرمنتظره ای طولانی بود. خیلی بیشتر از حد انتظار. محققان از این موضوع خجالت نکشیدند.

چگونه در اینجا درباره کلمب به یاد نیاوریم؟ او برای یافتن مسیر دریایی به هند تلاش کرد و با دیدن خشکی شک نکرد که به هدف خود رسیده است. آیا او دلیلی داشت که به اعتمادش به دیدن سرخ پوستان و ماهیت ناآشنا دنیای جدید شک کند؟

آیا رامان و کریشنان که به دنبال کشف اثر کامپتون در نور مرئی بودند، فکر نمی کردند که با بررسی نوری که از مایعات و گازهای آنها می گذرد آن را یافته اند؟ آیا زمانی که اندازه‌گیری‌ها تغییر غیرمنتظره‌ای بزرگ‌تر در طول موج پرتوهای پراکنده نشان می‌دهد، شک داشتند؟ آنها از کشف خود چه نتیجه ای گرفتند؟

به گفته دانشمندان هندی، آنها آنچه را که به دنبالش بودند، پیدا کردند. در 23 مارس 1928، تلگرافی با مقاله ای تحت عنوان "تشابه نوری اثر کامپتون" به لندن پرواز کرد. دانشمندان نوشتند: "بنابراین، تشابه نوری اثر کامپتون واضح است، با این تفاوت که ما با تغییر طول موج بسیار بزرگتر سر و کار داریم..." توجه: "بسیار بزرگتر..."

رقص اتم ها

کار رامان و کریشنان با تشویق شدید دانشمندان روبرو شد. همه به درستی هنر تجربی آنها را تحسین کردند. برای این کشف، رامان در سال 1930 جایزه نوبل را دریافت کرد.

عکسی از این طیف به نامه دانشمندان هندی ضمیمه شده بود که در آن خطوط جای خود را گرفتند و فرکانس نور فرودی و نور پراکنده شده توسط مولکول های ماده را نشان می دادند. این عکس، به گفته رامان و کریشنان، کشف آنها را با وضوح بیشتری نشان می دهد.

وقتی ماندلشتام و لندسبرگ به این عکس نگاه کردند، یک کپی تقریباً دقیق از عکسی که گرفته بودند را دیدند! اما وقتی با توضیحات او آشنا شدند، بلافاصله متوجه شدند که رامان و کریشنان در اشتباه بودند.

نه، نه اثر کامپتون توسط دانشمندان هندی کشف شد، بلکه یک پدیده کاملاً متفاوت است، همان چیزی که دانشمندان شوروی سال هاست در حال مطالعه آن هستند ...

در حالی که هیجان ناشی از کشف دانشمندان هندی در حال افزایش بود، ماندلشتام و لندسبرگ در حال پایان دادن به آزمایشات کنترلی بودند و آخرین نتایج تعیین کننده را جمع بندی می کردند.

و در 6 می 1928 مقاله ای را برای چاپ فرستادند. عکسی از طیف به مقاله پیوست شد.

محققان با تشریح مختصر تاریخچه موضوع، تفسیر دقیقی از پدیده ای که کشف کردند ارائه کردند.

پس این چه پدیده ای بود که بسیاری از دانشمندان را به دردسر انداخت و سرشان را شکست؟

شهود عمیق و ذهن تحلیلی شفاف ماندلشتام فوراً به دانشمند ترغیب شد که تغییرات شناسایی شده در فرکانس نور پراکنده نمی تواند توسط نیروهای بین مولکولی ایجاد شود که تکرارهای تصادفی چگالی هوا را برابر می کند. برای دانشمند روشن شد که دلیل بدون شک در خود مولکول های ماده نهفته است، که این پدیده ناشی از ارتعاشات درون مولکولی اتم هایی است که مولکول را تشکیل می دهند.

چنین نوساناتی با فرکانس بسیار بالاتری نسبت به نوساناتی که با تشکیل و جذب ناهمگنی های تصادفی در محیط همراه است، رخ می دهد. این ارتعاشات اتم ها در مولکول ها هستند که بر نور پراکنده تأثیر می گذارند. اتم ها، همانطور که بود، آن را علامت گذاری می کنند، آثار خود را روی آن می گذارند، آن را با فرکانس های اضافی رمزگذاری می کنند.

این زیباترین حدس بود، نفوذ متهورانه فکر بشری فراتر از حصار قلعه کوچکی از طبیعت - یک مولکول. و این هوش ارزشمندترین اطلاعات را در مورد ساختار داخلی آن به ارمغان آورد.

دست در دست

بنابراین، هنگام تلاش برای تشخیص یک تغییر کوچک در فرکانس نور پراکنده ناشی از نیروهای بین مولکولی، تغییر بزرگتری در فرکانس ناشی از نیروهای درون مولکولی پیدا شد.

بنابراین، برای توضیح پدیده جدید، که نام "پراکندگی نور رامان" را دریافت کرد، کافی بود نظریه پراکندگی مولکولی، ایجاد شده توسط ماندلشتام، را با داده هایی در مورد تأثیر ارتعاشات اتم ها در داخل مولکول ها تکمیل کنیم. این پدیده جدید در نتیجه توسعه ایده ماندلشتام کشف شد که او در سال 1918 فرموله کرد.

بله، بدون دلیل نیست، همانطور که Academician S.I. واویلف ، "طبیعت به لئونید ایزاکوویچ ذهنی کاملاً غیرمعمول ، زیرک و ظریف عطا کرد ، که بلافاصله متوجه شد و متوجه شد که اکثریت بی تفاوت از کنار آن گذشتند. اینگونه بود که جوهر نوسان پراکندگی نور درک شد و ایده تغییر طیف در حین پراکندگی نور ظاهر شد که مبنایی برای کشف پراکندگی رامان شد.

پس از آن، مزایای فوق العاده ای از این کشف به دست آمد، کاربردهای عملی ارزشمندی دریافت کرد.

در لحظه کشف، به نظر می رسید تنها با ارزش ترین کمک به علم است.

رامان و کریشن چطور؟ واکنش آنها به کشف دانشمندان شوروی و همچنین آنها چگونه بود؟ آیا آنها متوجه شدند که چه چیزی کشف کردند؟

پاسخ به این سؤالات در نامه بعدی رامان و کریشنان آمده است که 9 روز پس از انتشار مقاله توسط دانشمندان شوروی برای مطبوعات ارسال کردند. بله، آنها فهمیدند - پدیده ای که مشاهده کردند، اثر کامپتون نبود. این پراکندگی نور رامان است.

پس از انتشار نامه‌های رامان و کریشنان و مقالات ماندلشتام و لندسبرگ، برای دانشمندان سراسر جهان روشن شد که همین پدیده به طور مستقل و عملی به طور همزمان در مسکو و کلکته ساخته و مطالعه شده است. اما فیزیکدانان مسکو آن را در بلورهای کوارتز و فیزیکدانان هندی - در مایعات و گازها مطالعه کردند.

و این توازی البته تصادفی نبود. او در مورد فوریت مشکل، اهمیت علمی بزرگ آن صحبت می کند. جای تعجب نیست که نتایج، نزدیک به نتیجه گیری ماندلشتام و رامان در پایان آوریل 1928، به طور مستقل توسط دانشمندان فرانسوی روکار و کابان به دست آمد. پس از مدتی، دانشمندان به یاد آوردند که در سال 1923، فیزیکدان چک اسمکال به طور نظری همان پدیده را پیش بینی کرد. به دنبال کار اسمکال، مطالعات نظری کرامرز، هایزنبرگ، شرودینگر ظاهر شد.

ظاهراً تنها فقدان اطلاعات علمی می تواند این واقعیت را توضیح دهد که دانشمندان بسیاری از کشورها بر روی حل همان مشکل کار می کردند، بدون اینکه حتی از آن اطلاعی داشته باشند.

سی و هفت سال بعد

مطالعات پراکندگی رامان نه تنها فصل جدیدی در علم نور گشوده است. در عین حال سلاح های قدرتمندی به فناوری دادند. صنعت راه بسیار خوبی برای مطالعه خواص یک ماده دارد.

از این گذشته، فرکانس‌های پراکندگی نور رامان، نقش‌هایی هستند که توسط مولکول‌های محیطی که نور را پراکنده می‌کنند، روی نور قرار می‌گیرند. و در مواد مختلف، این چاپ ها یکسان نیستند. این همان چیزی است که به ماندلشتام آکادمیک این حق را داد که پراکندگی نور رامان را «زبان مولکول‌ها» بنامد. برای کسانی که می توانند رد مولکول ها را بر روی پرتوهای نور بخوانند، ترکیب نور پراکنده را تعیین کنند، مولکول ها با استفاده از این زبان، در مورد اسرار ساختار خود خواهند گفت.

در نگاتیو عکس طیف ترکیبی، چیزی جز خطوط سیاهی متفاوت وجود ندارد. اما از روی این عکس، متخصص فرکانس ارتعاشات درون مولکولی را که در نور پراکنده پس از عبور از ماده ظاهر می شود، محاسبه می کند. این تصویر در مورد بسیاری از جنبه های ناشناخته زندگی درونی مولکول ها خواهد گفت: در مورد ساختار آنها، در مورد نیروهایی که اتم ها را به مولکول ها متصل می کنند، در مورد حرکات نسبی اتم ها. با یادگیری رمزگشایی طیف‌نگارهای رامان، فیزیکدانان یاد گرفته‌اند که نوعی «زبان نور» را که مولکول‌ها برای گفتن درباره‌ی خود از آن استفاده می‌کنند، درک کنند. بنابراین کشف جدید امکان نفوذ بیشتر به ساختار داخلی مولکول ها را فراهم کرد.

امروزه فیزیکدانان از پراکندگی رامان برای مطالعه ساختار مایعات، کریستال ها و مواد زجاجیه استفاده می کنند. شیمیدانان از این روش برای تعیین ساختار ترکیبات مختلف استفاده می کنند.

روش های مطالعه ماده با استفاده از پدیده پراکندگی نور رامان توسط کارکنان آزمایشگاه P.N. لبدف از آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی به ریاست آکادمیسین لندسبرگ.

این روش ها امکان انجام سریع و دقیق آنالیزهای کمی و کیفی بنزین های هوانوردی، فرآورده های ترک خورده، فرآورده های نفتی تصفیه شده و بسیاری دیگر از مایعات آلی پیچیده را در یک آزمایشگاه کارخانه ای فراهم می کند. برای این کار کافی است ماده مورد مطالعه را روشن کرده و ترکیب نور پراکنده شده توسط آن را با طیف نگار مشخص کنیم. خیلی ساده به نظر می رسد. اما قبل از اینکه این روش واقعاً راحت و سریع باشد، دانشمندان باید روی ایجاد تجهیزات دقیق و حساس کار زیادی می کردند. و به همین دلیل.

از کل مقدار انرژی نوری وارد شده به ماده مورد مطالعه، تنها بخش ناچیزی - حدود یک ده میلیاردم - روی نور پراکنده می افتد. و پراکندگی رامان به ندرت حتی دو یا سه درصد از این مقدار را تشکیل می دهد. احتمالاً به همین دلیل است که خود پراکندگی رامان برای مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفته است. و جای تعجب نیست که گرفتن اولین عکس های رامان به نوردهی ده ها ساعت نیاز دارد.

تجهیزات مدرنی که در کشور ما ایجاد شده است، دستیابی به طیف ترکیبی از مواد خالص را در عرض چند دقیقه و گاهی حتی چند ثانیه ممکن می سازد! حتی برای تجزیه و تحلیل مخلوط های پیچیده، که در آن مواد فردی به مقدار چند درصد گنجانده شده است، معمولاً یک ساعت قرار گرفتن در معرض آن کافی نیست.

سی و هفت سال از زمان کشف، رمزگشایی و درک زبان مولکول‌ها بر روی صفحات عکاسی توسط ماندلشتام و لندسبرگ، رامان و کریشنان می‌گذرد. از آن زمان، در سراسر جهان، کار مداومی برای تدوین "فرهنگ لغت" زبان مولکول ها، که اپتیک آن را فهرست فرکانس های پراکندگی رامان می نامد، انجام شده است. هنگامی که چنین فهرستی گردآوری می شود، تفسیر طیف نگاری ها بسیار تسهیل می شود و پراکندگی رامان نور حتی بیشتر در خدمت علم و صنعت قرار می گیرد.