Wyjaśnianie i objaśnianie koloru prezentacji nieba. Więc dlaczego niebo jest niebieskie? Związek między kolorem a długością fali

Kiedy wiatr rzuca białą, puszystą, przezroczystą pelerynę nad pięknym błękitnym niebem, ludzie coraz częściej zaczynają patrzeć w górę. Jeśli jednocześnie założy duże szare futro ze srebrnymi nitkami deszczu, to ci wokół niego chowają się przed nim pod parasolami. Jeśli strój jest ciemnofioletowy, wszyscy siedzą w domu i chcą zobaczyć słoneczne, błękitne niebo.

I dopiero wtedy, gdy pojawia się tak wyczekiwane słoneczne, błękitne niebo, w olśniewającej niebieskiej sukience ozdobionej złotymi promieniami słońca, ludzie radują się - i uśmiechnięci opuszczają swoje domy w oczekiwaniu na dobrą pogodę.

Pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie, martwi ludzkie umysły od niepamiętnych czasów. Greckie legendy znalazły odpowiedź. Twierdzili, że najczystszy kryształ górski nadaje mu ten odcień.

W czasach Leonarda da Vinci i Goethego szukali również odpowiedzi na pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie. Wierzyli, że niebieski kolor nieba uzyskuje się przez zmieszanie światła z ciemnością. Ale później ta teoria została obalona jako nie do utrzymania, ponieważ okazało się, że łącząc te kolory, można uzyskać tylko odcienie widma szarości, ale nie kolor.

Po pewnym czasie odpowiedź na pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie, próbowali wyjaśnić w XVIII wieku Marriott, Bouguer i Euler. Uważali, że jest to naturalny kolor cząsteczek tworzących powietrze. Ta teoria była popularna nawet na początku następnego stulecia, zwłaszcza gdy odkryto, że ciekły tlen jest niebieski, a ciekły ozon jest niebieski.

Saussure jako pierwszy podsunął mniej lub bardziej rozsądny pomysł, który zasugerował, że gdyby powietrze było całkowicie czyste, bez zanieczyszczeń, niebo okazałoby się czarne. Ale ponieważ atmosfera zawiera różne elementy (na przykład kropelki pary lub wody), odbijając kolor, nadają niebu pożądany odcień.

Potem naukowcy zaczęli coraz bardziej zbliżać się do prawdy. Arago odkrył polaryzację, jedną z cech światła rozproszonego, które odbija się od firmamentu. W tym odkryciu naukowcowi zdecydowanie pomogła fizyka. Później inni badacze zaczęli szukać odpowiedzi. Jednocześnie pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie, było tak interesujące dla naukowców, że przeprowadzono ogromną liczbę różnych eksperymentów, aby to wyjaśnić, co doprowadziło do wniosku, że głównym powodem pojawienia się niebieskiego jest to, że promienie naszego Słońca są po prostu rozproszone w atmosferze.

Wyjaśnienie

Pierwszym, który stworzył matematycznie poprawną odpowiedź na molekularne rozpraszanie światła, był brytyjski badacz Rayleigh. Wysunął założenie, że światło jest rozpraszane nie z powodu zanieczyszczeń atmosfery, ale z powodu samych cząsteczek powietrza. Jego teoria została opracowana - i do takich wniosków doszli naukowcy.

Promienie słoneczne przedostają się na Ziemię przez jej atmosferę (grubą warstwę powietrza), tzw. powłokę powietrzną planety. Ciemne niebo jest całkowicie wypełnione powietrzem, które pomimo tego, że jest całkowicie przezroczyste, nie jest pustką, ale składa się z cząsteczek gazu - azotu (78%) i tlenu (21%) oraz kropelek wody, pary , kryształki lodu i małe kawałki materiału stałego (np. cząsteczki kurzu, sadza, popiół, sól morska itp.).

Niektórym promieniom udaje się swobodnie przechodzić między cząsteczkami gazu, całkowicie je omijając, a zatem docierają do powierzchni naszej planety bez zmian, ale większość promieni zderza się z cząsteczkami gazu, które wchodzą w stan wzbudzony, odbierają energię i uwalniają wielokolorowe promienie w różnych kierunkach, całkowicie zabarwiając niebo, w wyniku czego widzimy słoneczne, błękitne niebo.

Samo białe światło składa się ze wszystkich kolorów tęczy, co często można zobaczyć po rozłożeniu na części składowe. Zdarza się, że cząsteczki powietrza rozpraszają najwięcej kolorów niebieskiego i fioletowego, ponieważ są najkrótszą częścią widma, ponieważ mają najkrótszą długość fali.

Po zmieszaniu w atmosferze błękitu i fioletu z niewielką ilością czerwieni, żółci i zieleni, niebo zaczyna świecić na niebiesko.

Ponieważ atmosfera naszej planety nie jest jednorodna, a raczej inna (jest gęstsza przy powierzchni Ziemi niż nad), ma inną strukturę i właściwości, możemy zaobserwować wylewy koloru niebieskiego. Przed zachodem lub wschodem słońca, gdy długość promieni słonecznych znacznie się zwiększa, kolory niebieski i fioletowy rozpraszają się w atmosferze iw ogóle nie docierają do powierzchni naszej planety. Z powodzeniem docierają żółto-czerwone fale, które w tym czasie obserwujemy na firmamencie.

W nocy, kiedy promienie słoneczne, uderzając w określoną stronę planety, nie mają okazji, atmosfera staje się przezroczysta i widzimy „czarną” przestrzeń. Tak to widzą astronauci nad atmosferą. Warto dodać, że astronauci mieli szczęście, bo gdy znajdują się ponad 15 km nad powierzchnią Ziemi, w ciągu dnia mogą jednocześnie obserwować Słońce i gwiazdy.

Kolor nieba na innych planetach

Ponieważ kolor nieba w dużej mierze zależy od atmosfery, nic dziwnego, że na różnych planetach ma różne kolory. Ciekawe, że atmosfera Saturna ma ten sam kolor, co na naszej planecie.

Niebo Urana ma bardzo piękny akwamaryn. Jego atmosfera składa się głównie z helu i wodoru. Zawiera również metan, który całkowicie pochłania czerwień i rozprasza kolory zielony i niebieski. Niebo Neptuna jest niebieskie: atmosfera tej planety nie zawiera tyle helu i wodoru co nasza, ale dużo metanu, który neutralizuje czerwone światło.

Atmosfera na Księżycu, satelicie Ziemi, a także na Merkurym i Plutonie jest całkowicie nieobecna, dlatego promienie świetlne nie są odbijane, dlatego firmament jest tutaj czarny, a gwiazdy można łatwo odróżnić. Niebieskie i zielone barwy promieni słonecznych są całkowicie pochłaniane przez atmosferę Wenus, a gdy Słońce znajduje się blisko horyzontu, niebo jest żółte.

Dlaczego niebo jest niebieskie? Trudno znaleźć odpowiedź na tak proste pytanie. Wielu naukowców zadaje sobie trud w poszukiwaniu odpowiedzi. Najlepsze rozwiązanie problemu zaproponował około 100 lat temu angielski fizyk Lord John Rayleigh.

Słońce emituje oślepiające białe światło. Oznacza to, że kolor nieba powinien być taki sam, ale nadal jest niebieski. Co dzieje się z białym światłem w ziemskiej atmosferze?

Białe światło to mieszanina kolorowych promieni. Za pomocą pryzmatu możemy wykonać tęczę.

Pryzmat dzieli białą wiązkę na kolorowe paski:

■czerwony

■Pomarańczowy

■ Żółty

■ Zielony

■ Niebieski

■ Fioletowy

Łącząc się ze sobą, promienie te ponownie tworzą białe światło. Można przypuszczać, że światło słoneczne najpierw dzieli się na kolorowe składniki. Wtedy coś się dzieje i tylko niebieskie promienie docierają do powierzchni Ziemi.

Więc dlaczego niebo jest niebieskie?

Istnieje kilka możliwych wyjaśnień. Powietrze otaczające Ziemię jest mieszaniną gazów: azotu, tlenu, argonu i innych. Atmosfera zawiera również parę wodną i kryształki lodu. Pył i inne drobne cząstki są zawieszone w powietrzu. Górna atmosfera zawiera warstwę ozonu. Czy to może być powód? Niektórzy naukowcy uważali, że cząsteczki ozonu i wody pochłaniają promienie czerwone i przepuszczają promienie niebieskie. Okazało się jednak, że atmosfera po prostu nie miała wystarczającej ilości ozonu i wody, by pokolorować niebo na niebiesko.

W 1869 Anglik John Tyndall zasugerował, że kurz i inne cząsteczki rozpraszają światło. Światło niebieskie jest najmniej rozpraszane i przechodzi przez warstwy takich cząstek, docierając do powierzchni Ziemi. W swoim laboratorium stworzył model smogu i oświetlił go jasną, białą wiązką. Smog zmienił kolor na ciemnoniebieski. Tyndall uznał, że gdyby powietrze było absolutnie czyste, to nic nie rozpraszałoby światła i moglibyśmy podziwiać jasne, białe niebo. Lord Rayleigh również poparł ten pomysł, ale nie na długo. W 1899 opublikował swoje wyjaśnienie:

To powietrze, a nie kurz czy dym, zabarwia niebo na niebiesko.

Podstawowa teoria o niebieskim niebie

Część promieni słonecznych przechodzi między cząsteczkami gazu bez zderzenia z nimi i bez zmian dociera do powierzchni Ziemi. Druga, duża część, jest pochłaniana przez cząsteczki gazu. Gdy fotony są absorbowane, cząsteczki są wzbudzane, to znaczy ładowane energią, a następnie ponownie ją emitują w postaci fotonów. Te wtórne fotony mają różne długości fal i mogą mieć dowolny kolor, od czerwonego do fioletowego. Rozchodzą się we wszystkich kierunkach: na Ziemię, na Słońce i na boki. Lord Rayleigh zasugerował, że kolor emitowanego promienia zależy od przewagi kwantów tego czy innego koloru w promieniu. Kiedy cząsteczka gazu zderza się z fotonami promieni słonecznych, na jeden wtórny kwant czerwony przypada osiem niebieskich kwantów.

Jaki jest wynik? Intensywne niebieskie światło dosłownie leje się na nas ze wszystkich kierunków z miliardów cząsteczek gazów w atmosferze. To światło jest zmieszane z fotonami o innych kolorach, więc nie ma czystego niebieskiego odcienia.

Dlaczego więc zachód słońca jest czerwony?

Jednak niebo nie zawsze jest niebieskie. Naturalnie pojawia się pytanie: jeśli przez cały dzień widzimy błękitne niebo, dlaczego zachód słońca jest czerwony? Kolor czerwony jest najmniej rozpraszany przez cząsteczki gazu. Podczas zachodu Słońca Słońce zbliża się do horyzontu, a promień słońca jest kierowany na powierzchnię Ziemi nie pionowo, jak w dzień, ale pod kątem.

Dlatego droga, którą przemierza przez atmosferę, jest znacznie większa niż ta, którą przemierza w ciągu dnia, kiedy słońce jest wysoko. Z tego powodu niebiesko-niebieskie widmo jest pochłaniane w grubej warstwie atmosfery, zanim dotrze do Ziemi. A dłuższe fale światła o czerwono-żółtym widmie docierają do powierzchni Ziemi, malując niebo i chmury w charakterystyczne czerwono-żółte barwy zachodu słońca.

Wyjaśnienie naukowe

Powyżej udzieliliśmy odpowiedzi w stosunkowo prostym języku. Poniżej przytoczymy uzasadnienie za pomocą terminów i wzorów naukowych.

Fragment z Wiki:

Niebo wygląda na niebieskie, ponieważ powietrze rozprasza światło o krótkich falach bardziej niż światło o długich falach. Intensywność rozpraszania Rayleigha, spowodowanego fluktuacjami liczby cząsteczek gazu powietrza w objętościach porównywalnych z długościami fal światła, jest proporcjonalna do 1 / λ 4, λ to długość fali, czyli rozproszona jest fioletowa część widma widzialnego około 16 razy intensywniej niż czerwień. Ponieważ niebieskie światło ma krótszą długość fali na końcu widma widzialnego, jest bardziej rozproszone w atmosferze niż czerwone. Z tego powodu obszar nieba poza kierunkiem Słońca ma kolor niebieski (ale nie fioletowy, ponieważ widmo słoneczne jest nierównomierne, a intensywność koloru fioletowego w nim jest mniejsza, a także ze względu na niższą wrażliwość oka na fiolet i bardziej na niebieski, co denerwuje nie tylko osoby wrażliwe na czopki koloru niebieskiego w siatkówce, ale także wrażliwe na promienie czerwone i zielone).

O zmierzchu i świcie światło wędruje stycznie do powierzchni ziemi, więc droga, którą przemierza światło w atmosferze, staje się znacznie większa niż w ciągu dnia. Z tego powodu większość niebieskiego, a nawet zielonego światła jest rozpraszana od bezpośredniego światła słonecznego, więc bezpośrednie światło słońca, a także oświetlane przez nie chmury i niebo nad horyzontem są zabarwione na czerwono.

Prawdopodobnie przy innym składzie atmosfery, na przykład na innych planetach, kolor nieba, w tym o zachodzie słońca, może być inny. Na przykład niebo na Marsie jest czerwonoróżowe.

Rozpraszanie i pochłanianie to główne przyczyny osłabienia natężenia światła w atmosferze. Rozpraszanie zmienia się w zależności od stosunku średnicy rozpraszającej cząstki do długości fali światła. Gdy ten stosunek jest mniejszy niż 1/10, występuje rozpraszanie Rayleigha, w którym współczynnik rozpraszania jest proporcjonalny do 1 / λ 4. Przy większych wartościach stosunku wielkości cząstek rozpraszających do długości fali prawo rozpraszania zmienia się zgodnie z równaniem Gustave'a Mee; gdy ten stosunek jest większy niż 10, prawa optyki geometrycznej mają zastosowanie z wystarczającą dokładnością do praktyki.

Miejska Budżetowa Instytucja Oświatowa

„Szkoła średnia Kisłowska” obwodu tomskiego

Badania

Temat: „Dlaczego zachód słońca jest czerwony…”

(Rozproszenie światła)

Praca skończona: ,

uczeń klasy 5A

Kierownik;

nauczyciel chemii

1. Wprowadzenie ………………………………………………… 3

2. Część główna …………………………………………… 4

3. Co to jest światło …………………………………………… .. 4

Przedmiot badań- zachód słońca i niebo.

Hipotezy badawcze:

Słońce ma promienie, które barwią niebo na różne kolory;

Czerwony można uzyskać w warunkach laboratoryjnych.

Istotność mojego tematu polega na tym, że będzie on interesujący i przydatny dla słuchaczy, ponieważ wiele osób patrzy na czyste, błękitne niebo, podziwia je, a niewielu wie, dlaczego jest tak niebieskie w ciągu dnia, a o zachodzie słońca jest czerwone i co daje mu taki kolor.

2. Część główna

Na pierwszy rzut oka to pytanie może wydawać się proste, ale w rzeczywistości dotyka najgłębszych aspektów załamania światła w atmosferze. Zanim zrozumiesz odpowiedź na to pytanie, musisz mieć pojęcie, czym jest światło..jpg "align =" left "height =" 1 src = ">

Czym jest światło?

Światło słoneczne to energia. Ciepło promieni słonecznych skupione przez soczewkę zamienia się w ogień. Światło i ciepło odbijają się od białych powierzchni i pochłaniają czarne. Dlatego białe ubrania są zimniejsze niż czarne.

Jaka jest natura światła? Pierwszym, który próbował poważnie studiować badanie światła, był Izaak Newton. Uważał, że światło składa się z cząstek ciałek, które wystrzeliwane są jak kule. Ale niektórych cech światła nie można wyjaśnić tą teorią.

Inny naukowiec, Huygens, przedstawił inne wyjaśnienie natury światła. Opracował „falową” teorię światła. Uważał, że światło tworzy impulsy, czyli fale, w taki sam sposób, w jaki kamień wrzucony do stawu tworzy fale.

Jakie są dziś poglądy naukowców na pochodzenie światła? Obecnie uważa się, że fale świetlne mają jednocześnie charakterystyczne cechy zarówno cząstek, jak i fal. Przeprowadzane są eksperymenty potwierdzające obie teorie.

Światło składa się z fotonów – nieważkich cząstek, które nie mają masy, poruszają się z prędkością około 300 000 km/s i mają właściwości falowe. Częstotliwość drgań fal światła determinuje jego kolor. Ponadto im wyższa częstotliwość wibracji, tym krótsza długość fali. Każdy kolor ma swoją własną częstotliwość wibracji i długość fali. Białe światło słoneczne składa się z wielu kolorów, które można zobaczyć załamując je przez szklany pryzmat.

1. Pryzmat rozkłada światło.

2. Białe światło jest złożone.

Jeśli przyjrzysz się uważnie przechodzeniu światła przez trójkątny pryzmat, zobaczysz, że rozkład białego światła zaczyna się, gdy tylko światło przechodzi z powietrza na szkło. Zamiast szkła możesz wziąć inne materiały przezroczyste dla światła.

Godne uwagi jest, że to doświadczenie przetrwało wieki, a jego metodologia jest nadal stosowana w laboratoriach bez znaczących zmian.

dyspersja (łac.) - rozpraszanie, rozpraszanie - rozpraszanie

Wariancja Newtona.

I. Newton jako pierwszy zbadał zjawisko rozproszenia światła i jest uważany za jedno z jego najważniejszych osiągnięć naukowych. Nie bez powodu na jego nagrobnym pomniku, wzniesionym w 1731 r. i ozdobionym postaciami młodzieńców trzymających emblematy jego najważniejszych odkryć, jedna postać trzyma pryzmat, a napis na pomniku zawiera słowa: „Badał różnica między promieniami świetlnymi a różnymi właściwościami pojawiającymi się w tym samym czasie, czego nikt wcześniej nie podejrzewał.” Ostatnie stwierdzenie nie jest do końca trafne. Dyspersja była również znana wcześniej, ale nie została szczegółowo zbadana. Ulepszając teleskopy, Newton zwrócił uwagę na fakt, że obraz nadawany przez obiektyw jest podbarwiony na brzegach. Badając krawędzie w kolorze refrakcyjnym, Newton dokonał swoich odkryć w dziedzinie optyki.

Widoczne widmo

Kiedy biały promień rozkłada się w pryzmacie, powstaje widmo, w którym promieniowanie o różnych długościach fal jest załamywane pod różnymi kątami. Kolory zawarte w widmie, czyli te, które można uzyskać za pomocą fal świetlnych o tej samej długości (lub bardzo wąskim zakresie), nazywane są kolorami widmowymi. Główne barwy spektralne (mające własną nazwę) oraz charakterystykę emisji tych barw przedstawiono w tabeli:

Każdy „kolor” w widmie musi być powiązany z falą świetlną o określonej długości

Najprostszą ideę widma można uzyskać, patrząc na tęczę. Światło białe, załamujące się w kropelkach wody, tworzy tęczę, ponieważ składa się z wielu promieni wszystkich kolorów, a te załamują się w różny sposób: czerwony - najsłabszy, niebieski i fioletowy - najsilniej. Astronomowie badają widma Słońca, gwiazd, planet, komet, ponieważ z widm można się wiele nauczyć.

Azot "href =" / text / category / azot / "rel =" zakładka "> azot. Czerwone i niebieskie światło różnie oddziałuje z tlenem. Ponieważ długość fali niebieskiego jest mniej więcej wielkości atomu tlenu, dlatego też kolor niebieski światło jest rozpraszane przez tlen w różnych kierunkach, natomiast światło czerwone cicho przechodzi przez warstwę atmosfery.W rzeczywistości światło fioletowe jest jeszcze bardziej rozpraszane w atmosferze, jednak oko ludzkie jest na nie mniej podatne niż światło niebieskie. wszystkie strony łapią niebieskie światło rozpraszane przez tlen, co sprawia, że niebo jest dla nas niebieskie.

Bez atmosfery na Ziemi Słońce jawiłoby się nam jako jasna biała gwiazda, a niebo byłoby czarne.

0 "style =" border-collapse: zwiń; border: brak ">

Niezwykłe zjawiska

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg "alt =" (! JĘZYK: Aurora Borealis" align="left" width="140" height="217 src=">!} Zorze polarne Od czasów starożytnych ludzie podziwiali majestatyczny obraz zorzy i zastanawiali się nad ich pochodzeniem. Jedna z najwcześniejszych wzmianek o zorzy znajduje się u Arystotelesa. W jego „Meteorologii”, napisanej 2300 lat temu, można przeczytać: „Czasami w pogodne noce obserwuje się na niebie wiele zjawisk – ziewanie, luki, krwistoczerwone zabarwienie…

Wygląda na to, że płomień się pali ”.

Co migocze promień w nocy?

Czym jest cienki płomień uderzający w firmament?

Jak błyskawica bez groźnych chmur

Dążąc od ziemi do zenitu?

Jak to możliwe, że zamrożona kula?

Czy w środku zimy wybuchł pożar?

Co to jest zorza polarna? Jak powstaje?

Odpowiedź. Zorza polarna to luminescencyjna poświata, która powstaje w wyniku interakcji naładowanych cząstek (elektronów i protonów) wylatujących ze Słońca z atomami i cząsteczkami ziemskiej atmosfery. Pojawienie się tych naładowanych cząstek w pewnych rejonach atmosfery i na pewnych wysokościach jest wynikiem oddziaływania wiatru słonecznego z polem magnetycznym Ziemi.

Aerozol "href =" / text / category / ayerozolmz / "rel =" zakładka "> aerozol rozpraszanie kurzu i wilgoci, są one główną przyczyną rozkładu koloru słonecznego (dyspersja). zachodzi prawie pod kątem prostym, ich warstwa między oczami obserwatora a słońcem jest nieznaczna. Im niżej słońce schodzi do linii horyzontu, tym bardziej zwiększa się grubość warstwy powietrza atmosferycznego i ilość w nim zawiesiny aerozolowej. Promienie słoneczne w stosunku do obserwatora, zmienić kąt padania na cząstki zawiesiny, następnie obserwuje się rozproszenie światła słonecznego.Tak więc, jak wspomniano powyżej, światło słoneczne składa się z siedmiu podstawowych kolorów.Każdy kolor, podobnie jak fala elektromagnetyczna, ma swoją własną długość i zdolność rozpraszania się w atmosferze Podstawowe kolory widma są uporządkowane w kolejności od czerwieni do Kolor czerwony ma najmniejszą zdolność rozpraszania (a więc wchłaniania) w atmosferze. rozproszenie wszystkie kolory, które następują po czerwieni na skali są rozpraszane i pochłaniane przez składniki zawiesiny aerozolowej. Tylko czerwony jest widoczny dla obserwatora. Oznacza to, że im grubsza warstwa powietrza atmosferycznego, im wyższa gęstość zawiesiny, tym więcej promieni widmowych zostanie rozproszonych i pochłoniętych. Dobrze znane zjawisko naturalne: po potężnej erupcji wulkanu Krakatoa w 1883 roku przez kilka lat w różnych miejscach planety obserwowano niezwykle jasne, czerwone zachody słońca. Wynika to z silnego uwolnienia pyłu wulkanicznego do atmosfery podczas erupcji.

Myślę, że moje badania na tym się nie skończą. Nadal mam pytania. Chcę wiedzieć:

Co się dzieje, gdy promienie światła przechodzą przez różne ciecze, roztwory;

Jak światło jest odbijane i pochłaniane.

Po wykonaniu tej pracy byłem przekonany, jak bardzo zaskakujące i przydatne w praktyce może być zjawisko załamania światła. To właśnie pozwoliło mi zrozumieć, dlaczego zachód słońca jest czerwony.

Literatura

1., Fizyka. Chemia. 5-6 kl. Podręcznik. M.: Drop, 2009, s. 106

2. Bulat jest zjawiskiem z natury. M.: Edukacja, 1974, 143 s.

3. „Kto tworzy tęczę?” - Kvant 1988, nr 6, s. 46.

4. Wykłady z optyki. Tarasow w przyrodzie. - M.: Edukacja, 1988

Zasoby internetowe:

1.http: // potomia. ru / Dlaczego niebo jest niebieskie?

2.http://www. voprosy-kak-i-pochemu. opensubtitles2 pl Dlaczego niebo jest niebieskie?

3.http: // doświadczenie. ru / kategoria / obrazowanie /

Wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że kolor nieba jest cechą kapryśną. Mgła, chmury, pora dnia – wszystko wpływa na kolor kopuły nad głową. Jego codzienna zmiana nie zajmuje umysłów większości dorosłych, czego nie można powiedzieć o dzieciach. Nieustannie zastanawiają się, dlaczego z fizycznego punktu widzenia niebo jest niebieskie lub jaki kolor ma zachód słońca. Spróbujmy zrozumieć te niezbyt proste pytania.

Zmienny

Warto zacząć od odpowiedzi na pytanie, czym tak naprawdę jest niebo. W starożytnym świecie był naprawdę postrzegany jako kopuła zakrywająca Ziemię. Dziś jednak mało kto nie wie, że bez względu na to, jak wysoko wzniesie się ciekawski odkrywca, nie zdoła dotrzeć do tej kopuły. Niebo nie jest rzeczą, ale raczej panoramą otwierającą się z powierzchni planety, rodzajem wyglądu utkanego ze światła. Co więcej, jeśli obserwujesz z różnych punktów, może to wyglądać inaczej. Tak więc z tego, który wzniósł się ponad chmury, otwiera się zupełnie inny widok niż w tej chwili z ziemi.

Czyste niebo jest niebieskie, ale gdy tylko nadejdą chmury, robi się szare, ołowiane lub białawe. Nocne niebo jest czarne, czasami widać na nim czerwonawe obszary. To odzwierciedlenie sztucznego oświetlenia miasta. Powodem wszystkich takich zmian jest światło i jego interakcja z powietrzem oraz zawartymi w nim cząsteczkami różnych substancji.

Natura koloru

Aby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie z punktu widzenia fizyki, trzeba pamiętać, jaki jest kolor. To fala o określonej długości. Światło docierające ze Słońca na Ziemię jest postrzegane jako białe. Nawet z eksperymentów Newtona wiadomo, że jest to wiązka siedmiu promieni: czerwonego, pomarańczowego, żółtego, zielonego, jasnoniebieskiego, niebieskiego i fioletowego. Kolory różnią się długością fal. Widmo czerwono-pomarańczowe zawiera najbardziej imponujące fale w tym parametrze. części widma charakteryzują się krótką długością fali. Rozkład światła na widmo następuje, gdy zderza się ono z cząsteczkami różnych substancji, przy czym część fal może zostać pochłonięta, a część rozproszona.

Badanie przyczyny

Wielu naukowców próbowało wyjaśnić, dlaczego niebo jest niebieskie z punktu widzenia fizyki. Wszyscy badacze starali się odkryć zjawisko lub proces, który rozprasza światło w atmosferze planety w taki sposób, że w efekcie dociera do nas tylko kolor niebieski. Woda była również pierwszym kandydatem do roli takich cząstek. Wierzono, że pochłaniają światło czerwone i przepuszczają kolor niebieski, dzięki czemu widzimy błękitne niebo. Późniejsze obliczenia wykazały jednak, że ilość ozonu, kryształków lodu i cząsteczek pary wodnej w atmosferze nie wystarczyła, aby nadać niebu niebieski kolor.

Powodem jest zanieczyszczenie

Na kolejnym etapie badań John Tyndall zasugerował, że rolę pożądanych cząstek odgrywa pył. Światło niebieskie jest najbardziej odporne na rozpraszanie, dzięki czemu jest w stanie przejść przez wszystkie warstwy kurzu i innych zawieszonych cząstek. Tyndall przeprowadził eksperyment, który potwierdził jego przypuszczenia. Stworzył w laboratorium model smogu i oświetlił go jasnym, białym światłem. Smog przybrał niebieski odcień. Naukowiec wyciągnął jednoznaczny wniosek ze swoich badań: kolor nieba określają cząsteczki kurzu, to znaczy, jeśli powietrze na Ziemi było czyste, to nad głowami ludzi nie świeciło niebieskie, ale białe niebo.

Badania Pana

Ostatni punkt na pytanie, dlaczego niebo jest niebieskie (z punktu widzenia fizyki) postawił angielski naukowiec Lord D. Rayleigh. Udowodnił, że to nie kurz czy smog barwią przestrzeń nad głową w cieniu, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Chodzi o samo powietrze. Cząsteczki gazu pochłaniają największe i przede wszystkim najdłuższe fale odpowiadające czerwieni. W tym przypadku niebieski jest rozproszony. Tak wyjaśnia się dzisiaj kolor nieba, który widzimy przy dobrej pogodzie.

Uważny zauważy, że zgodnie z logiką naukowców kopuła nad twoją głową powinna być fioletowa, ponieważ to ten kolor ma najkrótszą długość fali w zakresie widzialnym. Nie jest to jednak pomyłka: proporcja fioletu w widmie jest znacznie mniejsza niż koloru niebieskiego, a ludzkie oczy są na to bardziej wrażliwe. W rzeczywistości niebieski, który widzimy, jest wynikiem mieszania niebieskiego z fioletowym i kilkoma innymi kolorami.

Zachody słońca i chmury

Każdy wie, że o różnych porach dnia można zobaczyć różne kolory nieba. Zdjęcia najpiękniejszych zachodów słońca nad morzem lub jeziorem są tego doskonałą ilustracją. Przeróżne odcienie czerwieni i żółci w połączeniu z jasnoniebieskim i ciemnoniebieskim sprawiają, że taki spektakl będzie niezapomniany. Wyjaśnia to samo rozproszenie światła. Faktem jest, że o zmierzchu i świcie promienie słoneczne muszą pokonać znacznie większą drogę przez atmosferę niż w środku dnia. W tym przypadku światło niebiesko-zielonej części widma jest rozpraszane w różnych kierunkach, a chmury znajdujące się na linii horyzontu przybierają odcienie czerwieni.

Gdy niebo jest pokryte chmurami, obraz całkowicie się zmienia. niezdolne do pokonania gęstej warstwy, a większość z nich po prostu nie dociera do ziemi. Promienie, które przeszły przez chmury, spotykają się z kroplami deszczu i chmurami, które ponownie zniekształcają światło. W wyniku tych wszystkich przekształceń, białe światło dociera do ziemi, gdy chmury są małe, a szare, gdy niebo pokrywają imponujące chmury, które ponownie pochłaniają część promieni.

Inne niebo

Co ciekawe, na innych planetach Układu Słonecznego, patrząc z powierzchni, widać niebo, które bardzo różni się od ziemskiego. Na obiektach kosmicznych, pozbawionych atmosfery, promienie słoneczne swobodnie docierają do powierzchni. W efekcie niebo jest tu czarne, bez cienia. Taki obraz można zobaczyć na Księżycu, Merkurym i Plutonie.

Niebo marsjańskie ma czerwonawo-pomarańczowy odcień. Powodem tego jest pył, którym nasycona jest atmosfera planety. Jest pomalowany na różne odcienie czerwieni i pomarańczy. Kiedy Słońce wschodzi nad horyzontem, marsjańskie niebo staje się różowoczerwone, podczas gdy jego część bezpośrednio otaczająca dysk światła wydaje się niebieska lub nawet fioletowa.

Niebo nad Saturnem ma ten sam kolor, co na Ziemi. Akwamarynowe niebo rozciąga się nad Uranem. Powodem jest mgła metanowa znajdująca się na wyższych planetach.

Wenus skrywa przed oczami badaczy gęsta warstwa chmur. Nie przepuszcza do powierzchni planety promieni z niebiesko-zielonego widma, więc niebo jest tu żółto-pomarańczowe z szarym pasem wzdłuż horyzontu.

Odkrywanie przestrzeni nad głową w ciągu dnia ujawnia nie mniej cudów niż eksploracja gwiaździstego nieba. Zrozumienie procesów zachodzących w chmurach i za nimi pomaga zrozumieć przyczyny rzeczy dość dobrze znanych przeciętnemu człowiekowi, których jednak nie każdy potrafi od razu wyjaśnić.

Radość widzenia i zrozumienia
to najpiękniejszy dar natury.
Alberta Einsteina

Zagadka niebiańskiego błękitu

Dlaczego niebo jest niebieskie?...

Nie ma takiej osoby, która choć raz w życiu o tym nie pomyślała. Myśliciele średniowieczni próbowali już wyjaśnić pochodzenie koloru nieba. Niektórzy z nich sugerowali, że kolor niebieski jest prawdziwym kolorem powietrza lub niektórych z jego gazów. Inni myśleli, że prawdziwy kolor nieba jest czarny – tak jak wygląda w nocy. W ciągu dnia czarny kolor nieba łączy się z bielą - promieniami słonecznymi i okazuje się... niebieski.

Teraz być może nie spotkasz osoby, która chcąc uzyskać niebieską farbę, zmieszałaby czerń i biel. A był czas, kiedy prawa mieszania kolorów były wciąż niejasne. Zostały zainstalowane zaledwie trzysta lat temu przez Newtona.

Newton zainteresował się również tajemnicą niebiańskiego błękitu. Zaczął od odrzucenia wszystkich poprzednich teorii.

Po pierwsze, argumentował, mieszanka bieli i czerni nigdy nie tworzy niebieskiego. Po drugie, niebieski wcale nie jest prawdziwym kolorem powietrza. Gdyby tak było, wtedy Słońce i Księżyc o zachodzie słońca nie wydawałyby się czerwone, jak jest w rzeczywistości, ale niebieskie. Tak wyglądałyby szczyty odległych, ośnieżonych gór.

Wyobraź sobie, że powietrze jest kolorowe. Nawet jeśli jest bardzo słaby. Wtedy gruba warstwa zachowywałaby się jak kolorowe szkło. A jeśli spojrzysz przez przyciemniane szkło, wszystkie przedmioty będą miały ten sam kolor, co to szkło. Dlaczego odległe ośnieżone szczyty wydają nam się różowe, a wcale nie niebieskie?

W sporze z poprzednikami prawda była po stronie Newtona. Udowodnił, że powietrze nie jest kolorowe.

Mimo to nie rozwiązał zagadki błękitnego nieba. Był zdezorientowany tęczą, jednym z najpiękniejszych, poetyckich zjawisk natury. Dlaczego pojawia się nagle i równie nagle znika? Newton nie mógł się zadowolić panującym przesądem: tęcza to znak z góry, zwiastuje dobrą pogodę. Starał się znaleźć materialną przyczynę każdego zjawiska. Znalazł także przyczynę tęczy.

Tęcza jest wynikiem załamania się światła w kroplach deszczu. Zdając sobie z tego sprawę, Newton był w stanie obliczyć kształt łuku tęczy i wyjaśnić kolejność kolorów tęczy. Jego teoria nie mogła wyjaśnić tylko pojawienia się podwójnej tęczy, ale udało się to zrobić dopiero trzy wieki później za pomocą bardzo złożonej teorii.

Sukces teorii tęczy zahipnotyzował Newtona. Błędnie założył, że błękit nieba i tęcza są spowodowane tą samą przyczyną. Tęcza wybucha, gdy promienie słoneczne przebijają się przez rój kropel deszczu. Ale błękitne niebo widać nie tylko w deszczu! Wręcz przeciwnie, przy dobrej pogodzie, kiedy nie ma nawet cienia deszczu, niebo jest szczególnie niebieskie. Jak wielki naukowiec tego nie zauważył? Newton uważał, że najmniejsze bąbelki wody, które zgodnie z jego teorią tworzą jedynie niebieską część tęczy, unoszą się w powietrzu przy każdej pogodzie. Ale to było złudzenie.

Pierwsze rozwiązanie

Minęło prawie 200 lat, a inny angielski naukowiec, Rayleigh, podjął tę kwestię, nie bojąc się, że zadanie to przerasta nawet wielkiego Newtona.

Rayleigh pracował w optyce. A ludzie, którzy poświęcili swoje życie na badanie światła, spędzają dużo czasu w ciemności. Światło obce zakłóca najdoskonalsze eksperymenty, dlatego okna laboratorium optycznego prawie zawsze są zasłonięte czarnymi, nieprzepuszczalnymi zasłonami.

Rayleigh spędzał godziny w swoim ponurym laboratorium sam na sam z promieniami światła wydobywającymi się z instrumentów. Na drodze promieni krążyły jak żywe cząsteczki kurzu. Były jasno oświetlone i dlatego wyróżniały się na ciemnym tle. Naukowiec, być może, przez długi czas zamyślony śledził ich płynne ruchy, tak jak człowiek obserwuje grę iskier w kominku.

Czy to nie te drobinki kurzu tańczące w promieniach światła nasunęły Rayleighowi nowy pomysł na temat pochodzenia koloru nieba?

Już w starożytności wiadomo było, że światło rozchodzi się w linii prostej. To ważne odkrycie mógł dokonać prymitywny człowiek, obserwując, jak przedzierając się przez szczeliny chaty, promienie słoneczne padają na ściany i podłogę.

Ale prawie nie przeszkadzała mu myśl, dlaczego widzi promienie świetlne, patrząc na nie z boku. I tu jest coś do przemyślenia. W końcu światło słoneczne jest promieniem od szczeliny do podłogi. Oko obserwatora znajduje się z boku, a mimo to widzi to światło.

Widzimy również światło szperacza skierowane w niebo. Oznacza to, że część światła w jakiś sposób zbacza z bezpośredniej ścieżki i trafia do naszego oka.

Co sprawia, że błądzi? Okazuje się, że to właśnie te ziarna kurzu są przepełnione powietrzem. Promienie rozproszone przez drobinkę kurzu wpadają do naszego oka, które napotykając przeszkody skręcają z drogi i rozchodzą się w linii prostej od drobinki kurzu do naszego oka.

— Czy to nie te drobinki kurzu zabarwiają niebo na niebiesko? Rayleigh pomyślał pewnego dnia. Zrobił obliczenia i zgadywanie zmieniło się w pewność. Znalazł wyjaśnienie błękitnego nieba, czerwonych świtów i niebieskiej mgły! Oczywiście najmniejsze drobinki pyłu, których wielkość jest mniejsza niż długość fali światła, rozpraszają światło słoneczne, a im więcej, tym krótsza jest jego długość fali, ogłosił Rayleigh w 1871 roku. A ponieważ fioletowe i niebieskie promienie w widzialnym widmie słonecznym mają najkrótszą długość fali, są rozpraszane najsilniej, nadając niebu niebieski kolor.

Słońce i ośnieżone szczyty były posłuszne tej kalkulacji Rayleigha. Potwierdzili nawet teorię naukowca. O wschodzie i zachodzie słońca, kiedy światło słoneczne przechodzi przez największą grubość powietrza, promienie fioletowe i niebieskie, jak mówi teoria Rayleigha, są rozpraszane najsilniej. Jednocześnie zbaczają z bezpośredniej ścieżki i nie wpadają w oczy obserwatora. Obserwator widzi głównie promienie czerwone, które są rozproszone znacznie słabiej. Dlatego o wschodzie i zachodzie słońca słońce wydaje nam się czerwone. Z tego samego powodu szczyty odległych ośnieżonych gór również wydają się różowe.

Patrząc na czyste niebo widzimy niebiesko-niebieskie promienie odchylające się od prostej ścieżki z powodu rozproszenia i wpadania do naszych oczu. A mgła, którą czasami widzimy na horyzoncie, również wydaje nam się niebieska.

Irytujący drobiazg

Ładne wyjaśnienie, prawda? Był tak porwany przez samego Rayleigha, naukowcy byli tak zdumieni harmonią teorii i zwycięstwem Rayleigha nad Newtonem, że żaden z nich nie zauważył jednej prostej rzeczy. I ten drobiazg powinien jednak całkowicie zmienić ich ocenę.

Kto by zaprzeczył, że daleko od miasta, gdzie w powietrzu jest znacznie mniej kurzu, błękit nieba jest szczególnie jasny i jasny? Trudno było temu zaprzeczyć samemu Rayleighowi. Czyli... czy drobinki kurzu nie rozpraszają światła? Co wtedy?

Ponownie poprawił wszystkie swoje obliczenia i upewnił się, że jego równania są poprawne, ale to oznacza, że cząstki rozpraszające tak naprawdę nie są cząstkami pyłu. Ponadto cząsteczki pyłu obecne w powietrzu są znacznie większe niż długość fali światła, a obliczenia przekonały Rayleigha, że ich duże nagromadzenie nie wzmacnia błękitu nieba, a wręcz przeciwnie go osłabia. Rozpraszanie światła przez duże cząstki słabo zależy od długości fali i dlatego nie powoduje zmiany jego barwy.

Gdy światło jest rozpraszane przez duże cząstki, zarówno światło rozproszone, jak i przepuszczane pozostaje białe, dlatego pojawienie się dużych cząstek w powietrzu nadaje niebu białawy kolor, a nagromadzenie dużej liczby dużych kropel powoduje biały kolor chmury i mgła. Łatwo to sprawdzić na zwykłym papierosie. Dym wydobywający się z boku ustnika zawsze wydaje się białawy, a dym unoszący się z jego płonącego końca ma niebieskawy kolor.

Najmniejsze cząsteczki dymu unoszące się nad palącym się końcem papierosa są mniejsze niż długość fali światła i zgodnie z teorią Rayleigha rozpraszają przede wszystkim fiolet i błękit. Jednak podczas przechodzenia przez wąskie kanały w grubości tytoniu cząsteczki dymu sklejają się (koagulują), łącząc się w większe grudki. Wiele z nich staje się większych niż długości fal światła i rozpraszają wszystkie fale światła mniej więcej w ten sam sposób. Dlatego dym wydobywający się z boku ustnika wydaje się białawy.

Tak, argumentowanie i obrona teorii opartej na cząsteczkach kurzu było bezużyteczne.

Tak więc tajemnica niebieskiego koloru nieba ponownie pojawiła się przed naukowcami. Ale Rayleigh się nie poddał. Jeśli niebieski kolor nieba jest tym czystsza i jaśniejsza, im czystsza atmosfera, rozumował, to kolor nieba nie może być spowodowany niczym innym niż molekułami samego powietrza. Cząsteczki powietrza – pisał w swoich nowych artykułach – to najmniejsze cząsteczki, które rozpraszają światło słoneczne!

Rayleigh tym razem był bardzo ostrożny. Zanim ogłosił swój nowy pomysł, postanowił go przetestować, jakoś porównać teorię z doświadczeniem.

Sprawa pojawiła się w 1906 roku. Rayleighowi asystował amerykański astrofizyk Abbot, który badał niebieską poświatę nieba w Obserwatorium Mount Wilson. Przetwarzając wyniki pomiaru jasności blasku nieba w oparciu o teorię rozpraszania Rayleigha, Abbot obliczył liczbę cząsteczek zawartych w każdym centymetrze sześciennym powietrza. Okazało się, że to wspaniała liczba! Wystarczy powiedzieć, że jeśli rozprowadzisz te molekuły do wszystkich ludzi zamieszkujących kulę ziemską, to każdy otrzyma ponad 10 miliardów tych molekuł. Krótko mówiąc, firma Abbott odkryła, że w każdym centymetrze sześciennym powietrza o normalnej temperaturze i ciśnieniu atmosfery znajduje się 27 miliardów razy miliard cząsteczek.

Liczbę cząsteczek w centymetrze sześciennym gazu można określić na różne sposoby w oparciu o zupełnie inne i niezależne zjawiska. Wszystkie prowadzą do ściśle zbieżnych wyników i dają liczbę zwaną liczbą Loschmidta.

Liczba ta jest dobrze znana naukowcom i niejednokrotnie służyła jako miara i kontrola w wyjaśnianiu zjawisk zachodzących w gazach.

A teraz liczba uzyskana przez Abbotta podczas pomiaru blasku nieba zbiegła się z dużą dokładnością z liczbą Loschmidta. W swoich obliczeniach wykorzystał jednak teorię rozpraszania Rayleigha. W ten sposób wyraźnie udowodniono, że teoria jest słuszna, molekularne rozpraszanie światła naprawdę istnieje.

Wydawało się, że teoria Rayleigha została wiarygodnie potwierdzona eksperymentem; wszyscy uczeni uważali ją za nienaganną.

Stał się powszechnie rozpoznawany i wszedł do wszystkich podręczników optyki. Można było spokojnie odetchnąć: wreszcie znaleziono wyjaśnienie zjawiska - tak znajome, a zarazem tajemnicze.

Tym bardziej zaskakujące jest to, że w 1907 roku na łamach znanego czasopisma naukowego ponownie pojawiło się pytanie: dlaczego niebo jest niebieskie?!

Spór

Kto odważył się zakwestionować ogólnie przyjętą teorię Rayleigha?

Jak na ironię, był to jeden z zagorzałych fanów i wielbicieli Rayleigha. Chyba nikt tak dobrze nie doceniał i nie rozumiał Rayleigha, nie znał tak dobrze jego pracy, nie interesował się jego pracą naukową tak bardzo, jak młody rosyjski fizyk Leonid Mandelstam.

„W naturze umysłu Leonida Isaakowicza” – wspominał później inny sowiecki naukowiec, akademik N.D. Papaleksi - miał wiele wspólnego z Rayleighem. I to nie przypadek, że drogi ich pracy naukowej często przebiegały równolegle i wielokrotnie się przecinały.

I tym razem przeżegnali się w kwestii pochodzenia koloru nieba. Wcześniej Mandelstam lubił głównie inżynierię radiową. Na początku naszego stulecia była to zupełnie nowa dziedzina nauki i niewiele osób ją rozumiało. Po A.S. Popow (w 1895 r.) minęło tylko kilka lat, a tu było dużo pracy. W krótkim czasie Mandelstam przeprowadził wiele poważnych badań w dziedzinie oscylacji elektromagnetycznych stosowanych w urządzeniach radiotechnicznych. W 1902 obronił pracę doktorską iw wieku 23 lat otrzymał doktorat z filozofii przyrody na Uniwersytecie w Strasburgu.

Zajmując się problematyką wzbudzania fal radiowych, Mandelstam oczywiście studiował prace Rayleigha, który był uznanym autorytetem w badaniu procesów oscylacyjnych. A młody lekarz mimowolnie zapoznał się z problemem koloru nieba.

Ale zapoznawszy się z kwestią koloru nieba, Mandelstam nie tylko wykazał błąd, czy też, jak sam powiedział, „niewystarczalność” ogólnie przyjętej teorii molekularnego rozpraszania światła przez Rayleigha, nie tylko ujawnił tajemnicę błękitnego koloru nieba, ale także zapoczątkowały badania, które doprowadziły do jednego z najważniejszych odkryć fizyki XX wieku.

Wszystko zaczęło się od sporu korespondencyjnego z jednym z największych fizyków, ojcem teorii kwantowej, M. Planckiem. Kiedy Mandelstam zapoznał się z teorią Rayleigha, uchwyciła go swoją powściągliwością i wewnętrznymi paradoksami, które, ku zaskoczeniu młodego fizyka, nie zauważyły starego, doświadczonego Rayleigha. Nieadekwatność teorii Rayleigha ujawniła się szczególnie wyraźnie, analizując inną, opartą na niej teorię Plancka, wyjaśniającą tłumienie światła przechodzącego przez optycznie jednorodny przezroczysty ośrodek.

W tej teorii przyjęto za podstawę, że same cząsteczki substancji, przez które przechodzi światło, są źródłami fal wtórnych. Planck argumentował, że aby stworzyć fale wtórne, część energii przechodzącej fali jest zużywana, a następnie osłabiana. Widzimy, że teoria ta opiera się na teorii rozpraszania molekularnego Rayleigha i opiera się na jej autorytecie.

Najłatwiej zrozumieć istotę sprawy, badając fale na powierzchni wody. Jeśli fala napotyka na stałe lub pływające obiekty (pale, kłody, łodzie itp.), to małe fale rozpraszają się od tych obiektów we wszystkich kierunkach. To nic innego jak rozproszenie. Część energii fali padającej jest zużywana na wzbudzenie fal wtórnych, które są dość analogiczne do światła rozproszonego w optyce. W tym przypadku fala początkowa jest osłabiona - jest tłumiona.

Pływające obiekty mogą być znacznie krótsze niż długość fali przemieszczającej się wody. Nawet małe ziarna spowodują fale wtórne. Oczywiście, wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek, generowane przez nie fale wtórne słabną, ale nadal będą pochłaniać energię fali głównej.

Tak w przybliżeniu Planck wyobrażał sobie proces osłabiania fali świetlnej, gdy przechodzi ona przez gaz, ale w jego teorii rolę ziaren odgrywały cząsteczki gazu.

Mandelstam zainteresował się tą pracą.

Tok myślenia Mandelstama można również wyjaśnić na przykładzie fal na powierzchni wody. Musisz tylko dokładniej to rozważyć. Tak więc nawet drobne ziarna unoszące się na powierzchni wody są źródłem fal wtórnych. Ale co się stanie, jeśli te ziarna zostaną wylane tak gęsto, że pokryją całą powierzchnię wody? Okazuje się wtedy, że poszczególne fale wtórne wywołane licznymi ziarnami pofałdują się w taki sposób, że całkowicie wygaszą te części fal biegnących na boki i do tyłu, a rozpraszanie ustanie. Będzie tylko fala biegnąca naprzód. Pobiegnie do przodu, wcale nie słabnąc. Jedynym skutkiem obecności całej masy ziaren będzie nieznaczne zmniejszenie prędkości propagacji fali pierwotnej. Szczególnie ważne jest to, że wszystko to nie zależy od tego, czy ziarna są nieruchome, czy poruszają się po powierzchni wody. Kruszywo ziaren będzie po prostu obciążone powierzchnią wody, zmieniając gęstość jej wierzchniej warstwy.

Mandelstam wykonał matematyczne obliczenia dla przypadku, gdy liczba cząsteczek w powietrzu jest tak duża, że nawet na tak małym obszarze, jak długość fali świetlnej, zawarta jest bardzo duża liczba cząsteczek. Okazało się, że w tym przypadku wtórne fale świetlne, wzbudzane przez poszczególne chaotycznie poruszające się molekuły, sumują się tak samo jak fale w przykładzie z ziarnami. Oznacza to, że w tym przypadku fala świetlna rozchodzi się bez rozpraszania i tłumienia, ale z nieco mniejszą prędkością. To obaliło teorię Rayleigha, który uważał, że ruch cząstek rozpraszających we wszystkich przypadkach zapewnia rozpraszanie fal, a zatem obalił opartą na niej teorię Plancka.

Tak więc piasek został odkryty pod fundamentem teorii rozpraszania. Cały majestatyczny budynek zatrząsł się i groził zawaleniem.

Zbieg okoliczności

A co z wyznaczeniem liczby Loschmidta na podstawie pomiarów niebieskiej poświaty nieba? W końcu doświadczenie potwierdziło teorię rozpraszania Rayleigha!

„Ten zbieg okoliczności należy uznać za przypadkowy” – napisał Mandelstam w 1907 roku w swojej pracy „O optycznie jednorodnych i mętnych mediach”.

Mandelstam wykazał, że nieuporządkowany ruch cząsteczek nie może uczynić gazu jednorodnym. Wręcz przeciwnie, w gazie rzeczywistym zawsze dochodzi do najmniejszego rozrzedzenia i kondensacji, które powstają w wyniku chaotycznego ruchu termicznego. To oni prowadzą do rozpraszania światła, ponieważ naruszają optyczną jednorodność powietrza. W tej samej pracy Mandelstam napisał:

„Jeśli ośrodek jest optycznie niejednorodny, to, ogólnie rzecz biorąc, padające światło zostanie rozproszone na boki”.

Ale ponieważ wymiary niejednorodności powstających w wyniku chaotycznego ruchu są mniejsze niż długość fal świetlnych, to rozpraszane będą głównie fale odpowiadające fioletowej i niebieskiej części widma. A to prowadzi w szczególności do niebieskiego koloru nieba.

Tak więc zagadka niebiańskiego błękitu została w końcu rozwiązana. Część teoretyczną opracował Rayleigh. Fizyczną naturę rozpraszaczy ustalił Mandelstam.

Wielką zasługą Mandelstama jest to, że udowodnił, iż założenie o doskonałej jednorodności gazu jest niezgodne z faktem, że rozproszone jest w nim światło. Zdał sobie sprawę, że niebieski kolor nieba dowodzi, że jednorodność gazów jest tylko pozorna. Dokładniej, gazy wydają się jednorodne tylko wtedy, gdy są badane przez instrumenty gruboziarniste, takie jak barometr, wagi lub inne instrumenty, na które jednocześnie oddziałuje wiele miliardów cząsteczek. Ale wiązka światła wyczuwa nieporównywalnie mniejsze ilości molekuł, mierzone tylko w dziesiątkach tysięcy. A to wystarczy, aby stwierdzić bezspornie, że gęstość gazu stale podlega niewielkim lokalnym wahaniom. Dlatego medium, które jest jednorodne z naszego „szorstkiego” punktu widzenia, jest w rzeczywistości niejednorodne. Z „punktu widzenia światła” wydaje się mętny i dlatego rozprasza światło.

Przypadkowe lokalne zmiany właściwości substancji, wynikające z ruchu termicznego cząsteczek, nazywamy teraz fluktuacjami. Wyjaśniwszy pochodzenie fluktuacji molekularnego rozpraszania światła, Mandelstam utorował drogę dla nowej metody badania materii - metody fluktuacji lub metody statystycznej, która została później rozwinięta przez Smolukhovsky'ego, Lorentza, Einsteina i jego samego w nowy główny dział fizyki - fizyka statystyczna.

Niebo musi migotać!

Tak więc ujawniono sekret błękitnego nieba. Ale badanie rozpraszania światła nie zakończyło się na tym. Zwracając uwagę na prawie niezauważalne zmiany gęstości powietrza i tłumacząc kolor nieba fluktuacyjnym rozpraszaniem światła, Mandelstam, kierując się wyostrzonym instynktem naukowca, odkrył nową, jeszcze bardziej subtelną cechę tego procesu.

W końcu niejednorodności powietrza są spowodowane przypadkowymi wahaniami jego gęstości. Wielkość tych przypadkowych niejednorodności, gęstość grudek zmienia się w czasie. Dlatego naukowiec przekonywał, że intensywność powinna się zmieniać w czasie – siła światła rozproszonego! W końcu im gęstsze skupiska cząsteczek, tym intensywniejsze światło na nich rozproszone. A ponieważ te skrzepy pojawiają się i znikają chaotycznie, niebo, po prostu, powinno migotać! Siła jego blasku i jego kolor powinny się cały czas zmieniać (ale bardzo słabo)! Ale czy ktoś kiedykolwiek zauważył takie migotanie? Oczywiście nie.

Ten efekt jest tak subtelny, że nie widać go gołym okiem.

Żaden z naukowców również nie zaobserwował takiej zmiany w blasku nieba. Sam Mandelstam nie miał okazji zweryfikować wniosków swojej teorii. Organizację najbardziej skomplikowanych eksperymentów utrudniały najpierw skromne warunki carskiej Rosji, a następnie trudności pierwszych lat rewolucji, zagranicznej interwencji i wojny domowej.

W 1925 Mandelstam został kierownikiem katedry na Uniwersytecie Moskiewskim. Tutaj spotkał się z wybitnym naukowcem i wykwalifikowanym eksperymentatorem Grigorijem Samuilovichem Landsbergiem. I tak, związani głęboką przyjaźnią i wspólnymi zainteresowaniami naukowymi, wspólnie kontynuowali burzenie tajemnic ukrytych w słabych promieniach rozproszonego światła.

Laboratoria optyczne uniwersytetu w tamtych latach były nadal bardzo ubogie w instrumenty. Na uniwersytecie nie było ani jednego urządzenia, które mogłoby wykryć migotanie nieba lub te niewielkie różnice w częstotliwości padającego i rozproszonego światła, które według teorii są wynikiem tego migotania.

To jednak nie powstrzymało badaczy. Zrezygnowali z pomysłu naśladowania nieba w laboratorium. To tylko skomplikowałoby i tak już subtelne doświadczenie. Postanowili zbadać nie rozpraszanie światła białego - złożonego, ale rozpraszanie promieni o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Jeśli dokładnie znają częstotliwość padającego światła, znacznie łatwiej będzie poszukać częstotliwości bliskich, które powinny powstać podczas rozpraszania. Ponadto teoria sugerowała, że obserwacje łatwiej prowadzić w ciałach stałych, ponieważ w nich cząsteczki znajdują się znacznie bliżej niż w gazach, a rozpraszanie jest tym większe, im gęstsza substancja.

Rozpoczęły się żmudne poszukiwania najodpowiedniejszych materiałów. Ostatecznie wybór padł na kryształy kwarcu. Po prostu dlatego, że duże przezroczyste kryształy kwarcu są łatwiej dostępne niż jakiekolwiek inne.

Eksperymenty przygotowawcze trwały dwa lata, wybrano najczystsze próbki kryształów, udoskonalono technikę i ustalono znaki, dzięki którym można było niewątpliwie odróżnić rozproszenie na cząsteczkach kwarcu od rozproszenia na przypadkowych wtrąceniach, niejednorodności kryształów i zanieczyszczeń.

Dowcip i praca

Brakując potężnego sprzętu do analizy spektralnej, naukowcy wybrali pomysłowe obejście, które miało umożliwić wykorzystanie dostępnych instrumentów.

Główną trudnością w tej pracy było nakładanie się znacznie silniejszego światła na słabe światło wywołane rozpraszaniem molekularnym, rozpraszanym przez drobne zanieczyszczenia i inne defekty tych próbek kryształów, które uzyskano do eksperymentów. Naukowcy postanowili wykorzystać fakt, że rozproszone światło, utworzone przez defekty kryształów i odbicia od różnych części instalacji, dokładnie pokrywa się częstotliwością ze światłem padającym. Interesowało ich tylko światło o częstotliwości zmienionej zgodnie z teorią Mandelstama, stąd zadaniem było uwypuklenie światła o zmienionej częstotliwości wywołanego rozpraszaniem molekularnym na tle tego znacznie jaśniejszego światła.

Aby rozproszone światło miało wielkość dostępną do rejestracji, naukowcy postanowili oświetlić kwarc za pomocą najpotężniejszego dostępnego im urządzenia oświetleniowego: lampy rtęciowej.

Zatem światło rozproszone w krysztale powinno składać się z dwóch części: ze światła słabego o zmienionej częstotliwości, w związku z rozpraszaniem molekularnym (badanie tej części było celem naukowców), oraz ze światła znacznie silniejszego o niezmienionej częstotliwości , spowodowane przyczynami zewnętrznymi (ta część była szkodliwa, utrudniała badania).

Ideę metody pociąga jej prostota: konieczne jest pochłanianie światła o stałej częstotliwości i przepuszczanie do aparatu spektralnego tylko światła o zmienionej częstotliwości. Ale różnice częstotliwości wynosiły zaledwie kilka tysięcznych procenta. Żadne inne laboratorium na świecie nie posiada filtra zdolnego do oddzielenia tak bliskich częstotliwości. Znaleziono jednak wyjście.

Rozproszone światło przepuszczano przez naczynie z parami rtęci. W rezultacie całe „szkodliwe” światło „utknęło” w naczyniu, a światło „użyteczne” przeszło bez zauważalnego osłabienia. W tym przypadku eksperymentatorzy wykorzystali jedną znaną już okoliczność. Atom materii, zgodnie z fizyką kwantową, jest w stanie emitować fale świetlne o dość określonych częstotliwościach. Jednocześnie atom ten jest również zdolny do pochłaniania światła. Co więcej, tylko fale świetlne o tych częstotliwościach, które sam może emitować.

W lampie rtęciowej światło emitowane jest przez opary rtęci, które świecą pod wpływem wyładowania elektrycznego, które występuje wewnątrz lampy. Jeśli to światło przejdzie przez naczynie, które również zawiera opary rtęci, zostanie prawie całkowicie pochłonięte. Zdarzy się to, co przewiduje teoria: atomy rtęci w naczyniu pochłoną światło emitowane przez atomy rtęci w lampie.

Światło z innych źródeł, takich jak lampa neonowa, przejdzie przez opary rtęci bez szwanku. Atomy rtęci nawet nie zwrócą na to uwagi. Ta część światła lampy rtęciowej, która jest rozproszona w kwarcu ze zmianą długości fali, również nie zostanie pochłonięta.

Z tej dogodnej okoliczności skorzystali Mandelstam i Landsberg.

Niesamowite odkrycie

W 1927 r. rozpoczęły się decydujące eksperymenty. Naukowcy oświetlili kryształ kwarcu światłem lampy rtęciowej i przetworzyli wyniki. I… byli zaskoczeni.

Wyniki eksperymentu były nieoczekiwane i niezwykłe. Naukowcy nie odkryli wcale tego, czego oczekiwali, nie tego, co przewidywała teoria. Odkryli zupełnie nowe zjawisko. Ale który? I czy to nie pomyłka? W świetle rozproszonym znaleziono częstotliwości nieoczekiwane, ale znacznie wyższe i niższe. W widmie światła rozproszonego pojawiła się cała kombinacja częstotliwości, których nie było w świetle padającym na kwarc. Po prostu niemożliwe było wytłumaczenie ich pojawienia się niejednorodnościami optycznymi w kwarcu.

Rozpoczęła się dokładna kontrola. Eksperymenty zostały przeprowadzone bezbłędnie. Zostały poczęte tak sprytnie, perfekcyjnie i pomysłowo, że nie można było nie podziwiać ich.

- Leonid Isaakovich czasami rozwiązywał bardzo trudne problemy techniczne tak pięknie, a czasami genialnie, że czasami pojawiały się bardzo trudne problemy techniczne, które mimowolnie każdy z nas miał pytanie: „Dlaczego wcześniej mi to nie przyszło?” – mówi jeden z pracowników.

Różne eksperymenty kontrolne konsekwentnie potwierdziły, że nie ma błędu. Na fotografiach widma światła rozproszonego utrzymywały się słabe, a jednak dość oczywiste linie, wskazujące na obecność „dodatkowych” częstotliwości w świetle rozproszonym.

Od wielu miesięcy naukowcy szukają wyjaśnienia tego zjawiska. Skąd w rozproszonym świetle wzięły się „obce” częstotliwości?!

I nadszedł dzień, w którym Mandelstama uderzyło niesamowite przypuszczenie. To było niesamowite odkrycie, które jest obecnie uważane za jedno z najważniejszych odkryć XX wieku.

Ale zarówno Mandelstam, jak i Landsberg podjęli jednogłośną decyzję, że odkrycie to może zostać opublikowane dopiero po solidnym sprawdzeniu, po wyczerpującej penetracji w głąb zjawiska. Rozpoczęły się ostatnie eksperymenty.

Z pomocą słońca

16 lutego indyjscy naukowcy C.N. Raman i K.S. Krishnan wysłał telegram z Kalkuty do tego magazynu z krótkim opisem swojego odkrycia.

W tamtych latach listy o różnych odkryciach napływały do czasopisma „Priroda” z całego świata. Ale nie każda wiadomość ma wywołać ekscytację wśród naukowców. Kiedy problem z listem od indyjskich naukowców wyszedł z druku, fizycy byli bardzo podekscytowani. Już sam tytuł notatki – „Nowy rodzaj promieniowania wtórnego” – wzbudził zainteresowanie. Optyka jest przecież jedną z najstarszych nauk, w XX wieku nieczęsto można było w niej odkryć coś nieznanego.

Można sobie wyobrazić, z jakim zainteresowaniem na nowe listy z Kalkuty oczekiwali fizycy na całym świecie.

Ich zainteresowanie w dużej mierze podsycała sama osobowość jednego z autorów odkrycia, Ramana. To człowiek o ciekawym losie i wybitnej biografii, bardzo podobnej do Einsteina. Einstein w młodości był prostym nauczycielem gimnazjalnym, a następnie pracownikiem urzędu patentowego. W tym okresie ukończył najważniejsze ze swoich dzieł. Raman, genialny fizyk, również po ukończeniu studiów, został zmuszony do służby na wydziale finansów przez dziesięć lat, a dopiero potem został zaproszony na wydział Uniwersytetu w Kalkucie. Raman wkrótce został uznanym szefem Indyjskiej Szkoły Fizyki.

Niedługo przed opisanymi wydarzeniami Ramana i Krishnana poniosło ciekawe zadanie. Następnie namiętności wywołane w 1923 r. odkryciem amerykańskiego fizyka Comptona, który badając przechodzenie promieni rentgenowskich przez materię odkrył, że niektóre z tych promieni, rozpraszając się z pierwotnego kierunku, zwiększyły swoją długość fali, jeszcze nie opadły. Przekładając na język optyki, możemy powiedzieć, że promienie X, zderzając się z cząsteczkami substancji, zmieniały ich „kolor”.

Zjawisko to można było łatwo wytłumaczyć prawami fizyki kwantowej. Dlatego odkrycie Comptona było jednym z decydujących dowodów poprawności młodej teorii kwantowej.

Coś podobnego, ale w optyce postanowiliśmy spróbować. odkryty przez indyjskich naukowców. Chcieli przepuścić światło przez substancję i zobaczyć, jak jej promienie zostaną rozproszone na cząsteczkach substancji i czy w tym samym czasie zmieni się ich długość fali.

Jak widać, indyjscy naukowcy chętnie lub niechętnie postawili sobie to samo zadanie, co naukowcy radzieccy. Ale ich cele były inne. Optycznej analogii efektu Comptona poszukiwano w Kalkucie. W Moskwie - eksperymentalne potwierdzenie przewidywania Mandelstama zmiany częstotliwości w rozpraszaniu światła przez zmienne niejednorodności.

Raman i Krishnan wymyślili trudne doświadczenie, ponieważ oczekiwany efekt miał być niezwykle mały. Eksperyment wymagał bardzo jasnego źródła światła. A potem postanowili wykorzystać słońce, zbierając jego promienie za pomocą teleskopu.

Średnica jego obiektywu wynosiła osiemnaście centymetrów. Zebrane światło naukowcy przesłali przez pryzmat do naczyń, w których umieszczono ciecze i gazy, starannie oczyszczone z kurzu i innych zanieczyszczeń.

Jednak wykrycie oczekiwanego niewielkiego wydłużenia rozproszonego światła za pomocą białego światła słonecznego, które zawiera prawie wszystkie możliwe długości fal, było beznadziejne. Dlatego naukowcy zdecydowali się na zastosowanie filtrów świetlnych. Umieścili filtr niebiesko-fioletowy przed obiektywem i obserwowali rozproszone światło przez żółto-zielony filtr. Słusznie zdecydowali, że to, co przeoczył pierwszy filtr, utknie w drugim. W końcu żółto-zielony filtr pochłania promienie niebiesko-fioletowe przepuszczane przez pierwszy filtr. I oba, umieszczone jeden po drugim, muszą pochłaniać całe padające światło. Jeśli jakiekolwiek promienie dostaną się do oka obserwatora, to będzie można z całą pewnością stwierdzić, że nie były one w świetle padającym, ale urodziły się w badanej substancji.

Kolumb

Rzeczywiście, w rozproszonym świetle Raman i Krishnan znaleźli promienie przechodzące przez drugi filtr. Nagrali dodatkowe częstotliwości. W zasadzie może to być optyczny efekt Comptona. Oznacza to, że po rozproszeniu przez cząsteczki substancji w naczyniach światło niebiesko-fioletowe może zmienić swój kolor i stać się żółto-zielonym. Ale to wciąż trzeba było udowodnić. Mogą istnieć inne przyczyny pojawienia się żółto-zielonego światła. Na przykład może pojawić się w wyniku luminescencji - słabego blasku, który często pojawia się w cieczach i ciałach stałych pod wpływem światła, ciepła i innych przyczyn. Oczywiście było jedno – to światło narodziło się na nowo, nie było zawarte w świetle padającym.

Naukowcy powtórzyli eksperyment z sześcioma różnymi cieczami i dwoma rodzajami oparów. Zadbali o to, aby ani luminescencja, ani inne przyczyny nie odgrywały tu roli.

Ramanowi i Krishnanowi wydawało się, że fakt, że długość fali światła widzialnego wzrosła, gdy zostało ono rozproszone w materii, został ustalony. Wydawało się, że poszukiwania ich zakończyły się sukcesem. Znaleźli optyczną analogię do efektu Comptona.

Aby jednak eksperymenty miały skończoną formę, a wnioski były wystarczająco przekonujące, trzeba było wykonać jeszcze jedną część pracy. Nie wystarczyło wykrycie zmiany długości fali. Konieczne było zmierzenie wielkości tej zmiany. Pierwszy pomógł zrobić lekki filtr. Był bezsilny, by zrobić drugą. Tutaj naukowcy potrzebowali spektroskopu - urządzenia, które może mierzyć długość fali badanego światła.

A naukowcy rozpoczęli drugą część, nie mniej trudną i żmudną. Ale też spełniła ich oczekiwania. Wyniki ponownie potwierdziły wnioski z pierwszej części pracy. Jednak długość fali okazała się nieoczekiwanie długa. Dużo więcej niż oczekiwano. Badacze nie byli tym zakłopotani.

Jak tu nie pamiętać o Kolumbie? Starał się znaleźć drogę morską do Indii i widząc ląd nie wątpił, że cel osiągnął. Czy miał powód, by wątpić w swoje zaufanie do widoku czerwonoskórych i nieznanej natury Nowego Świata?

Czyż Raman i Krishnan, próbując wykryć efekt Comptona w świetle widzialnym, nie sądzili, że znaleźli go badając światło, które przeszło przez ich ciecze i gazy?! Czy wątpili, gdy pomiary wykazały nieoczekiwanie większą zmianę długości fali rozproszonych promieni? Jaki wniosek wyciągnęli ze swojego odkrycia?

Według indyjskich naukowców znaleźli to, czego szukali. 23 marca 1928 roku do Londynu przyleciał telegram z artykułem zatytułowanym „Optyczna analogia efektu Comptona”. Naukowcy pisali: „Tak więc optyczna analogia do efektu Comptona jest oczywista, poza tym, że mamy do czynienia ze zmianą długości fali znacznie większą…” Uwaga: „znacznie większa…”

Taniec atomów

Praca Ramana i Krishnana została przyjęta owacją na stojąco wśród uczonych. Wszyscy słusznie podziwiali ich sztukę eksperymentalną. Za to odkrycie Raman otrzymał w 1930 roku Nagrodę Nobla.

Zdjęcie widma zostało dołączone do listu indyjskich naukowców, w którym swoje miejsce zajęły linie, przedstawiające częstotliwość padającego światła i światła rozproszonego przez cząsteczki substancji. Ta fotografia, według Ramana i Krishnana, wyraźniej ilustrowała ich odkrycie.

Kiedy Mandelstam i Landsberg spojrzeli na to zdjęcie, zobaczyli prawie dokładną kopię zdjęcia, które zrobili! Ale kiedy zapoznali się z jej wyjaśnieniem, natychmiast zdali sobie sprawę, że Raman i Krishnan się mylili.

Nie, nie efekt Comptona odkryli indyjscy naukowcy, ale zupełnie inne zjawisko, to samo, które sowieccy naukowcy badają od wielu lat…

Podczas gdy podekscytowanie wywołane odkryciem indyjskich naukowców rosło, Mandelstam i Landsberg kończyli eksperymenty kontrolne, podsumowując ostatnie decydujące wyniki.

A 6 maja 1928 wysłali artykuł do druku. Do artykułu dołączono fotografię widma.

Nakreślając pokrótce historię problemu, badacze przedstawili szczegółową interpretację odkrytego przez siebie zjawiska.

Czym więc było to zjawisko, które sprawiło, że wielu naukowców cierpiało i łamało sobie głowy?

Głęboka intuicja Mandelstama i czysty analityczny umysł natychmiast podpowiedziały naukowcowi, że wykryte zmiany w częstotliwości rozproszonego światła nie mogą być spowodowane siłami międzycząsteczkowymi, które wyrównują przypadkowe powtórzenia gęstości powietrza. Dla naukowca stało się jasne, że przyczyna tkwi niewątpliwie w samych cząsteczkach substancji, że zjawisko to jest spowodowane drganiami wewnątrzcząsteczkowymi atomów tworzących cząsteczkę.

Takie wahania występują z dużo większą częstotliwością niż towarzyszące powstawaniu i resorpcji przypadkowych niejednorodności w ośrodku. To właśnie te drgania atomów w cząsteczkach wpływają na rozproszone światło. Atomy niejako go znaczą, zostawiają na nim swoje ślady, szyfrują go dodatkowymi częstotliwościami.

To było najpiękniejsze przypuszczenie, śmiałe wtargnięcie ludzkiej myśli poza kordon małej fortecy natury - molekuły. I ta inteligencja przyniosła najcenniejsze informacje o jego wewnętrznej strukturze.

Ręka w rękę

Tak więc, próbując wykryć niewielką zmianę częstotliwości rozproszonego światła wywołaną siłami międzycząsteczkowymi, stwierdzono większą zmianę częstotliwości wywołaną siłami wewnątrzcząsteczkowymi.

Tak więc, aby wyjaśnić nowe zjawisko, które otrzymało nazwę „Ramanowskie rozpraszanie światła”, wystarczyło uzupełnić stworzoną przez Mandelstama teorię rozpraszania molekularnego o dane dotyczące wpływu drgań atomów wewnątrz molekuł. Nowe zjawisko zostało odkryte w wyniku rozwoju idei Mandelstama, którą sformułował już w 1918 roku.

Tak, nie bez powodu, ponieważ akademik S.I. Wawiłow, „Natura obdarzyła Leonida Izaakowicza całkowicie niezwykłym, przenikliwym, subtelnym umysłem, który natychmiast zauważył i zrozumiał najważniejsze, przez co większość przechodziła obojętnie. W ten sposób zrozumiano istotę fluktuacji rozpraszania światła i pojawił się pomysł zmiany widma podczas rozpraszania światła, co stało się podstawą do odkrycia rozpraszania Ramana.”

Następnie odkrycie to przyniosło ogromne korzyści, otrzymało ono cenne zastosowania praktyczne.

W momencie jej odkrycia wydawał się tylko najcenniejszym wkładem do nauki.

A co z Ramanem i Krishnanem? Jak zareagowali na odkrycie sowieckich naukowców, a także na swoich? Czy zrozumieli, co odkryli?

Odpowiedź na te pytania zawiera kolejny list od Ramana i Krishnana, który wysłali do prasy 9 dni po opublikowaniu artykułu przez sowieckich naukowców. Tak, zrozumieli - zjawisko, które zaobserwowali, nie było efektem Comptona. To jest rozpraszanie światła Ramana.

Po opublikowaniu listów Ramana i Krishnana oraz artykułów Mandelstama i Landsberga stało się jasne dla naukowców na całym świecie, że to samo zjawisko zostało niezależnie i praktycznie jednocześnie wykonane i zbadane w Moskwie i Kalkucie. Ale fizycy moskiewscy badali to w kryształach kwarcu, a fizycy indyjscy - w cieczach i gazach.

I ten paralelizm oczywiście nie był przypadkowy. Mówi o pilności problemu, jego wielkim naukowym znaczeniu. Nic dziwnego, że wyniki, zbliżone do wniosków Mandelstama i Ramana z końca kwietnia 1928 r., niezależnie uzyskali francuscy naukowcy Rocard i Kaban. Po pewnym czasie naukowcy przypomnieli sobie, że w 1923 roku czeski fizyk Smekal teoretycznie przewidział to samo zjawisko. W ślad za Smekalem pojawiły się teoretyczne opracowania Kramersa, Heisenberga, Schrödingera.

Najwyraźniej tylko brak informacji naukowych może wyjaśnić fakt, że naukowcy w wielu krajach pracowali nad rozwiązaniem tego samego problemu, nawet o tym nie wiedząc.

Trzydzieści siedem lat później

Badania rozpraszania ramanowskiego nie tylko otworzyły nowy rozdział w nauce o świetle. Jednocześnie dali technologii potężną broń. Przemysł ma świetny sposób na badanie właściwości substancji.

W końcu częstotliwości rozpraszania światła Ramana są śladami, które są nakładane na światło przez cząsteczki ośrodka rozpraszającego światło. A w różnych substancjach te odciski nie są takie same. To właśnie dało akademikowi Mandelstamowi prawo do nazywania ramanowskiego rozpraszania światła „językiem cząsteczek”. Tym, którzy potrafią odczytać ślady molekuł na promieniach światła, określić skład światła rozproszonego, molekuły tym językiem opowiedzą o tajnikach ich budowy.

Na negatywie fotografii widma kombinowanego nie ma nic poza liniami o różnej czerni. Ale na podstawie tego zdjęcia specjalista obliczy częstotliwości drgań wewnątrzcząsteczkowych, które pojawiły się w rozproszonym świetle po przejściu przez substancję. Obraz opowie o wielu nieznanych dotąd aspektach życia wewnętrznego molekuł: o ich budowie, o siłach wiążących atomy w molekuły, o względnych ruchach atomów. Ucząc się dekodowania spektrogramów Ramana, fizycy nauczyli się rozumieć rodzaj „języka światła”, którego molekuły używają do opowiadania o sobie. Tak więc nowe odkrycie umożliwiło głębsze wnikanie w wewnętrzną strukturę cząsteczek.

Dzisiejsi fizycy wykorzystują rozpraszanie Ramana do badania struktury cieczy, kryształów i substancji szklistych. Chemicy stosują tę metodę do określenia struktury różnych związków.

Metody badania materii wykorzystujące zjawisko ramanowskiego rozpraszania światła opracowali pracownicy laboratorium P.N. Lebiediew z Akademii Nauk ZSRR, kierowany przez akademika Landsberga.

Metody te umożliwiają w laboratorium zakładowym szybkie i dokładne wykonanie analiz ilościowych i jakościowych benzyn lotniczych, produktów krakingu, produktów rafinacji ropy naftowej oraz wielu innych złożonych cieczy organicznych. Aby to zrobić, wystarczy oświetlić badaną substancję i określić skład rozproszonego przez nią światła za pomocą spektrografu. Wydaje się to bardzo proste. Ale zanim ta metoda okazała się naprawdę wygodna i szybka, naukowcy musieli dużo pracować nad stworzeniem dokładnego, czułego sprzętu. I własnie dlatego.

Z całkowitej ilości energii świetlnej wchodzącej do badanej substancji tylko nieznaczna część – około jednej dziesięciomiliardowej – pada na światło rozproszone. A rozpraszanie ramanowskie rzadko stanowi nawet dwa lub trzy procent tej wartości. Zapewne dlatego samo rozpraszanie ramanowskie przez długi czas pozostawało niezauważone. I nic dziwnego, że uzyskanie pierwszych zdjęć ramanowskich wymagało naświetleń trwających kilkadziesiąt godzin.

Nowoczesny sprzęt, stworzony w naszym kraju, pozwala na uzyskanie skojarzonego spektrum czystych substancji w ciągu kilku minut, a czasem nawet sekund! Nawet w przypadku analizy złożonych mieszanin, w których poszczególne substancje zawarte są w ilości kilku procent, zwykle wystarcza ekspozycja nie większa niż godzina.

Minęło trzydzieści siedem lat od odkrycia, odszyfrowania i zrozumienia języka molekuł, zapisanego na kliszach fotograficznych przez Mandelstama i Landsberga, Ramana i Krishnana. Od tego czasu na całym świecie prowadzone są uporczywe prace nad opracowaniem „słownika” języka molekuł, który optyka nazywa katalogiem częstości rozpraszania Ramana. Stworzenie takiego katalogu znacznie ułatwi interpretację spektrogramów, a ramanowskie rozpraszanie światła będzie jeszcze pełniej służyć nauce i przemysłowi.