Miks taevas on sinine. Miks on päike kollane? Need nii loomulikud küsimused on inimese ees kerkinud iidsetest aegadest peale. Nende nähtuste õige seletuse saamiseks oli aga vaja keskaja ja hiljem, kuni 19. sajandi lõpuni väljapaistvate teadlaste pingutusi.
Millised hüpoteesid eksisteerisid? Milliseid hüpoteese pole püstitatud erinev aeg et selgitada taeva värvi. 1. hüpotees Vaadeldes, kuidas suits tumeda kamina taustal omandab sinaka värvuse, kirjutas Leonardo da Vinci: ... heledus pimeduse kohal muutub siniseks, seda ilusam on hele ja tume suurepärased. " Goethe pidas kinni ligikaudu samast punktist vaadet, kes polnud mitte ainult maailmakuulus poeet, vaid ka oma aja suurim loodusteadlane. See taevavärvi seletus osutus aga vastuvõetamatuks, kuna, nagu hiljem selgus, segati musta ja valget. saab anda ainult halle toone, mitte värvilisi.Kamina suitsu sinine värvus tekib hoopis teistsuguse protsessi tulemusena.
Millised hüpoteesid eksisteerisid? Hüpotees 2 Pärast häirete avastamist, eriti aastal õhukesed kiled, Newton püüdis taeva värvi selgitamiseks rakendada häireid. Selleks pidi ta eeldama, et veepiiskadel on õhukese seinaga mullide kuju, nagu seebimull. Aga kuna atmosfääris sisalduvad veepiisad on tegelikult sfäärid, purunes peagi ka see hüpotees. seebimull.
Millised hüpoteesid eksisteerisid? 3 hüpotees 18. sajandi teadlased. Marriott, Bouguer, Euler arvasid, et taeva sinine värv on seletatav õhu koostisosade värviga. See seletus sai isegi mõningast kinnitust hiljem, juba 19. sajandil, kui tehti kindlaks, et vedel hapnik on sinist värvi ja vedel osoon on sinine. O. B. Saussure jõudis taeva värvi õigele selgitusele kõige lähemale. Ta uskus, et kui õhk oleks absoluutselt puhas, oleks taevas must, kuid õhk sisaldab lisandeid, mis peegeldavad valdavalt sinist värvi (eriti veeauru ja veepiisku).
Uuringu tulemused: esimene, kes loob saleda, range matemaatiline teooria valguse molekulaarne hajumine atmosfääris, oli inglise keel teadlane Rayleigh. Ta uskus, et valguse hajumine ei toimu mitte lisanditel, nagu arvasid tema eelkäijad, vaid õhumolekulidel endil. Taeva värvi selgitamiseks esitame ainult ühe Rayleighi teooria järeldustest:
Uuringu tulemused: hajutatud kiirte segu värvus on sinine.Hajutatud valguse heledus ehk intensiivsus varieerub pöördvõrdeliselt hajutavale osakesele langeva valguse lainepikkuse neljanda astmega. Seega on molekulaarne hajumine ülitundlik vähimagi valguse lainepikkuse muutuse suhtes. Näiteks violetsete kiirte lainepikkus (0,4 μm) on ligikaudu pool punaste kiirte lainepikkusest (0,8 μm). Seetõttu hajuvad violetsed kiired 16 korda rohkem kui punased ja millal võrdne intensiivsus Hajutatud valguses on langevaid kiiri 16 korda rohkem. Kõik muud nähtava spektri värvilised kiired (sinine, tsüaan, roheline, kollane, oranž) kaasatakse hajutatud valgusesse koguses, mis on pöördvõrdeline nende igaühe lainepikkuse neljanda astmega. Kui nüüd segatakse kõik värvilised hajutatud kiired selles vahekorras, siis on hajutatud kiirte segu värvus sinine
Kirjandus: S.V. Zvereva. Päikesevalguse maailmas. L., Gidrometeoizdat, 1988
Nägemis- ja mõistmisrõõm
on looduse kauneim kingitus.
Albert Einstein
Taevasinise müsteerium
Miks taevas on sinine?...
Pole inimest, kes poleks sellele vähemalt korra elus mõelnud. Juba keskaegsed mõtlejad püüdsid seletada taevavärvi päritolu. Mõned neist soovitasid seda Sinine värv- See õige värvõhk või mõni selle koostises olev gaas. Teised arvasid, et taeva tegelik värv on must – selline, nagu ta öösel välja näeb. Päevasel ajal kombineeritakse taeva must värv päikesekiirte valge värviga ja tulemuseks on... sinine.
Võib-olla ei kohta te nüüd inimest, kes sinist värvi saada, segaks musta ja valget. Ja oli aeg, mil värvide segamise seadused olid veel ebaselged. Need paigaldas Newton vaid kolmsada aastat tagasi.
Newton hakkas mõistatuse vastu huvi tundma taevasinine. Ta alustas sellega, et lükkas tagasi kõik varasemad teooriad.
Esiteks väitis ta, et valge ja musta segu ei anna kunagi sinist. Teiseks ei ole sinine õhu tegelik värv. Kui see nii oleks, siis ei paistaks Päike ja Kuu päikeseloojangul punased, nagu nad tegelikult on, vaid sinised. Sellised näeksid välja kaugete lumiste mägede tipud.
Kujutage ette, et õhk on värviline. Isegi kui see on väga nõrk. Siis toimiks selle paks kiht nagu maalitud klaas. Ja kui vaadata läbi värvitud klaasi, siis tunduvad kõik objektid selle klaasiga sama värvi. Miks tunduvad kauged lumised tipud meile roosad ja üldse mitte sinised?
Vaidluses oma eelkäijatega oli tõde Newtoni poolel. Ta tõestas, et õhk pole värviline.
Kuid taevase taevasinise mõistatust ta siiski ei lahendanud. Teda ajas segadusse vikerkaar, üks ilusamaid, poeetilisemaid loodusnähtusi. Miks see järsku ilmub ja kaob sama ootamatult? Newton ei saanud rahulduda valitseva ebausuga: vikerkaar on märk ülalt, see ennustab head ilma. Ta püüdis leida iga nähtuse materiaalset põhjust. Ta leidis ka vikerkaare põhjuse.
Vikerkaar on vihmapiiskade valguse murdumise tulemus. Saanud sellest aru, suutis Newton välja arvutada vikerkaare kuju ja selgitada vikerkaare värvide järjestust. Tema teooria ei suutnud seletada ainult kahekordse vikerkaare ilmumist, vaid seda tehti alles kolm sajandit hiljem väga keerulise teooria abil.
Vikerkaareteooria edu hüpnotiseeris Newtoni. Ta otsustas ekslikult, et taeva sinise värvi ja vikerkaare põhjuseks on sama põhjus. Vikerkaar puhkeb tõesti siis, kui Päikesekiired murravad läbi vihmapiiskade sülemi. Kuid taeva sinisus on nähtav mitte ainult vihmas! Vastupidi, just selge ilmaga, kui vihma pole õrnagi, on taevas eriti sinine. Kuidas suur teadlane seda ei märganud? Newton arvas, et pisikesed veemullid, mis tema teooria järgi moodustasid vaid vikerkaare sinise osa, hõljuvad õhus iga ilmaga. Kuid see oli pettekujutelm.
Esimene lahendus
Möödus peaaegu 200 aastat ja selle probleemiga tegeles teine inglise teadlane - Rayleigh, kes ei kartnud, et ülesanne oli isegi suurele Newtonile üle jõu.
Rayleigh õppis optikat. Ja inimesed, kes pühendavad oma elu valguse uurimisele, veedavad palju aega pimedas. Kõrvaline valgus segab kõige peenemaid katseid, mistõttu on optikalabori aknad peaaegu alati kaetud mustade läbitungimatute kardinatega.
Rayleigh viibis tundideks oma sünges laboris üksinda koos instrumentidest väljuvate valguskiirtega. Kiirte teel keerlesid nad nagu elavad tolmukübemed. Need olid eredalt valgustatud ja paistsid seetõttu tumedal taustal silma. Teadlane võis olla pikka aega mõtlikult jälginud nende sujuvaid liigutusi, nii nagu inimene jälgib sädemete mängu kaminas.
Kas mitte need valguskiirtes tantsivad tolmukübemed ei pakkunud Rayleighile uut ideed taeva värvi päritolu kohta?
Juba iidsetel aegadel sai teatavaks, et valgus liigub sirgjooneliselt. Selle olulise avastuse võis teha ürginimene, jälgides, kuidas onni pragudest läbi murdes päikesekiired seintele ja põrandale langesid.
Kuid vaevalt ei häirinud teda mõte, miks ta näeb valguskiired, vaadates neid kõrvalt. Ja siin on, mille üle mõelda. Päikesevalgus kiirgub ju praost põrandale. Vaatleja silm asub küljel ja sellest hoolimata näeb seda valgust.
Samuti näeme valgust taevasse suunatud prožektorist. See tähendab, et osa valgusest kaldub kuidagi otseteelt kõrvale ja suunatakse meie silma.
Mis paneb teda eksima? Selgub, et need on just need tolmukübemed, mis täidavad õhku. Meie silma satuvad tolmukübemega hajutatud kiired ja kiired, mis takistustega kokku puutudes pööravad teelt välja ja levivad laialivalguvast tolmukübemest meie silma.
"Kas need tolmulaigud värvivad taeva siniseks?" – mõtles Rayleigh ühel päeval. Ta tegi matemaatika ja oletus muutus kindluseks. Ta leidis seletuse taeva sinisele värvile, punastele koidikutele ja sinisele udule! No muidugi, pisikesed tolmuterad, mille suurus on väiksem kui valguse lainepikkus, hajutavad päikesevalgust ja mida lühem on selle lainepikkus, seda tugevamalt, teatas Rayleigh 1871. aastal. Ja kuna nähtava päikesespektri violetsed ja sinised kiired on kõige lühema lainepikkusega, hajuvad nad kõige tugevamalt, andes taevale sinise värvi.
Päike ja lumised tipud järgisid seda Rayleighi arvutust. Nad isegi kinnitasid teadlase teooriat. Päikesetõusul ja päikeseloojangul, kui päikesevalgus läbib suurima paksuse õhu, hajuvad Rayleighi teooria kohaselt violetsed ja sinised kiired kõige tugevamalt. Samal ajal kalduvad nad sirgelt teelt kõrvale ega jää vaatlejale silma. Vaatleja näeb peamiselt punaseid kiiri, mis hajuvad palju nõrgemalt. Seetõttu paistab päike meile päikesetõusu ja -loojangu ajal punasena. Samal põhjusel tunduvad ka kaugete lumiste mägede tipud roosad.
Vaatan selge taevas, näeme sini-siniseid kiiri hajumise tõttu kõrvale kaldumas sirge tee ja sattuda meie silmadesse. Ja udu, mida me mõnikord silmapiiri lähedal näeme, tundub meile samuti sinine.
Tüütu pisiasi
Kas pole mitte ilus seletus? Rayleigh ise oli sellest nii vaimustuses, teadlased olid teooria harmooniast ja Rayleighi võidust Newtoni üle nii hämmastunud, et ükski neist ei märganud üht lihtsat asja. See pisiasi oleks aga pidanud nende hinnangut täielikult muutma.
Kes eitab, et linnast kaugel, kus õhus on palju vähem tolmu, on taeva sinine värv eriti selge ja särav? Rayleighil endal oli seda raske eitada. Seega... valgust ei hajuta mitte tolmuosakesed? Siis mida?
Ta vaatas kõik oma arvutused uuesti üle ja veendus, et tema võrrandid olid õiged, kuid see tähendas, et hajuvad osakesed ei olnud tõepoolest tolmuterad. Lisaks on õhus olevad tolmuterad palju pikemad kui valguse lainepikkus ja arvutused veensid Rayleigh't, et suur kobar Taeva sinisus ei suurenda neid, vaid vastupidi, nõrgendab neid. Valguse hajumine suurte osakeste poolt sõltub nõrgalt lainepikkusest ega põhjusta seetõttu selle värvuse muutust.
Valguse hajumisel suurtele osakestele jääb nii hajuv kui ka läbiv valgus valgeks, mistõttu suurte osakeste ilmumine õhku annab taevale valkja värvuse ja akumuleerumine. suur kogus Suured tilgad põhjustavad pilvede ja udu valget värvi. Seda on lihtne kontrollida tavalise sigareti pealt. Sellest huulikust väljuv suits näib alati valkjas ja selle põlevast otsast tõusev suits on sinakat värvi.
Väikseimad suitsuosakesed, mis sigareti põlevast otsast tõusevad, on väiksemad kui valguse lainepikkus ja hajutavad Rayleigh’ teooria kohaselt valdavalt violetset ja sinist värvi. Kuid läbides tubaka paksuses kitsaid kanaleid, kleepuvad suitsuosakesed kokku (koaguleeruvad), ühinedes suuremateks tükkideks. Paljud neist muutuvad suuremaks kui valguse lainepikkused ja hajutavad kõik valguse lainepikkused ligikaudu võrdselt. Seetõttu tundub huulikust tulev suits valkjas.
Jah, tolmukübemetel põhinevat teooriat oli mõttetu vaielda ja kaitsta.
Nii et see on mõistatus sinine värv taevas ilmus taas teadlaste ette. Kuid Rayleigh ei andnud alla. Kui taeva sinine värv on seda puhtam ja heledam, mida puhtam on atmosfäär, arutles ta, siis taeva värvi ei saa põhjustada miski muu kui õhu molekulid ise. Õhumolekulid, kirjutas ta oma uutes artiklites, on need pisikesed osakesed mis hajutavad päikesevalgust!
Seekord oli Rayleigh väga ettevaatlik. Enne oma uuest ideest teatamist otsustas ta seda testida, teooriat kuidagi kogemusega võrrelda.
Võimalus avanes 1906. aastal. Rayleigh'd aitas Ameerika astrofüüsik Abbott, kes uuris taeva sinist kuma Mount Wilsoni observatooriumis. Töödeldes Rayleighi hajumise teoorial põhinevaid taeva heleduse mõõtmise tulemusi, arvutas Abbott välja igas kuupsentimeetris õhus sisalduvate molekulide arvu. See osutus tohutuks numbriks! Piisab, kui öelda, et kui need molekulid jaotataks kõigile seal elavatele inimestele Maa, siis saavad kõik neist molekulidest rohkem kui 10 miljardit. Lühidalt öeldes avastas Abbott, et iga kuupsentimeetris õhus normaalsel atmosfääritemperatuuril ja -rõhul on 27 miljardit korda miljard molekuli.
Molekulide arvu gaasi kuupsentimeetris saab määrata erineval viisil täiesti erinevate ja sõltumatute nähtuste põhjal. Kõik need viivad täpselt samaväärsete tulemusteni ja annavad numbri, mida nimetatakse Loschmidti numbriks.
See arv on teadlastele hästi teada ja rohkem kui üks kord on see olnud mõõdupuuks ja kontrolliks gaasides esinevate nähtuste selgitamisel.
Ja nii langes Abbotti taeva sära mõõtmisel saadud arv Loschmidti arvuga väga täpselt kokku. Kuid oma arvutustes kasutas ta Rayleighi hajumise teooriat. Seega tõestas see selgelt, et teooria oli õige, valguse molekulaarne hajumine on tõesti olemas.
Tundus, et Rayleigh’ teooriat kinnitas usaldusväärselt kogemus; kõik teadlased pidasid seda veatuks.
See sai üldtunnustatud ja lisati kõikidesse optikaõpikutesse. Võis kergelt hingata: lõpuks oli leitud seletus nähtusele, mis oli nii tuttav ja samas salapärane.
Seda üllatavam on, et 1907. a lehekülgedel kuulus teadusajakiri taas tõstatati küsimus: miks on taevas sinine?!.
Vaidlus
Kes julges üldtunnustatud Rayleigh' teoorias kahtluse alla seada?
Kummalisel kombel oli see üks Rayleighi tulihingelisemaid austajaid ja austajaid. Võib-olla ei hinnanud ja mõistnud keegi Rayleigh'd nii palju, ei teadnud nii hästi tema teoseid ega olnud tema teadustööst nii huvitatud kui noor vene füüsik Leonid Mandelstam.
"Leonid Isaakovitši mõistuse iseloom," meenutas hiljem teine nõukogude teadlane, akadeemik N.D. Papaleksi – oli Rayleigh’ga palju ühist. Ja pole juhus, et nende teadusliku loovuse teed kulgesid sageli paralleelselt ja ristusid korduvalt.
Taevavärvi päritolu küsimuses ristisid nad ka seekord. Enne seda huvitas Mandelstam peamiselt raadiotehnika. Meie sajandi alguseks oli see absoluutselt uus piirkond teadus ja vähesed inimesed mõistsid seda. Pärast A.S. avastamist. Popov (1895. aastal) oli möödunud vaid paar aastat ja tööl polnud lõppu. Lühikese aja jooksul viis Mandelstam selles valdkonnas läbi palju tõsist uurimistööd elektromagnetilised vibratsioonid seoses raadiotehnika seadmetega. 1902. aastal kaitses ta väitekirja ja kahekümne kolmeaastaselt sai Strasbourgi ülikoolist loodusfilosoofia doktori kraadi.
Raadiolainete ergastamise küsimustega tegeledes uuris Mandelstam loomulikult Rayleighi töid, kes oli uuringus tunnustatud autoriteet. võnkeprotsessid. Ja noor arst sai paratamatult tuttavaks taeva värvimise probleemiga.
Kuid olles tutvunud taeva värvi küsimusega, ei näidanud Mandelstam mitte ainult Rayleighi molekulaarse valguse hajumise üldtunnustatud teooria ekslikkust või, nagu ta ise ütles, "ebaadekvaatsust", vaid ei paljastanud ainult saladust. taeva sinise värvi kohta, vaid pani ka aluse uurimistööle, mis viis üheni tähtsamad avastused XX sajandi füüsika.
Kõik sai alguse tagaselja vaidlusest ühe juhtiva füüsiku, isaga kvantteooria, M. Planck. Kui Mandelstam tutvus Rayleigh’ teooriaga, võlus see teda oma tagasihoidlikkuse ja sisemiste paradoksidega, mida noore füüsiku üllatuseks vana, suurte kogemustega Rayleigh ei märganud. Rayleighi teooria ebapiisavus tuli eriti selgelt esile, kui analüüsiti teist teooriat, mille Planck oli selle põhjal üles ehitanud, et selgitada valguse nõrgenemist optiliselt homogeense läbipaistva keskkonna läbimisel.
Selles teoorias võeti aluseks, et aine molekulid, mida valgus läbib, on sekundaarsete lainete allikad. Planck väitis, et nende sekundaarsete lainete loomiseks kulutatakse osa mööduva laine energiast, mis sumbub. Näeme, et see teooria põhineb Rayleighi molekulaarse hajumise teoorial ja tugineb selle autoriteedile.
Lihtsaim viis asja olemusest aru saada on veepinnal laineid vaadates. Kui laine puutub kokku seisvate või ujuvate objektidega (vaiad, palgid, paadid jne), siis väikesed lained hajuvad nendelt objektidelt igas suunas. See pole midagi muud kui hajutamine. Osa langeva laine energiast kulub põnevatele sekundaarlainetele, mis on üsna sarnased optika hajutatud valgusega. Sellisel juhul on esialgne laine nõrgenenud - see kaob.
Ujuvad objektid võivad olla palju väiksemad kui läbi vee liikuv lainepikkus. Isegi väikesed terad põhjustavad sekundaarseid laineid. Muidugi, kui osakeste suurus väheneb, siis nende moodustunud sekundaarlained nõrgenevad, kuid need neelavad siiski põhilaine energiat.
Umbes nii kujutas Planck ette valguslaine nõrgenemise protsessi, kui see läbi gaasi läbib, kuid terade rolli tema teoorias mängisid gaasimolekulid.
Mandelstam hakkas selle Plancki töö vastu huvi tundma.
Mandelstami mõttekäiku saab selgitada ka veepinna lainete näitel. Peate seda lihtsalt hoolikamalt vaatama. Niisiis on isegi väikesed veepinnal hõljuvad terad sekundaarsete lainete allikad. Aga mis saab siis, kui need terad valatakse nii paksult, et need katavad kogu veepinna? Siis selgub, et üksikud arvukate terakeste tekitatud sekundaarlained summeeruvad nii, et kustutavad täielikult need lainete osad, mis kulgevad külgedele ja tahapoole ning hajumine peatub. Järele jääb vaid laine, mis jookseb edasi. Ta jookseb edasi ilma üldse nõrgenemata. Kogu terade massi olemasolu ainsaks tulemuseks on primaarlaine levimiskiiruse kerge vähenemine. Eriti oluline on, et see kõik ei sõltuks sellest, kas terad on liikumatud või liiguvad mööda veepinda. Terade agregaat mõjub lihtsalt veepinnale koormana, muutes selle ülemise kihi tihedust.
Mandelstam tegi matemaatilise arvutuse juhuks, kui molekulide arv õhus on nii suur, et isegi nii väike pindala nagu valguse lainepikkus sisaldab väga suurt hulka molekule. Selgus, et antud juhul summeeruvad üksikute kaootiliselt liikuvate molekulide poolt ergastatud sekundaarsed valguslained samamoodi nagu näites teradega lained. See tähendab, et sel juhul levib valguslaine ilma hajumise ja sumbumiseta, kuid veidi väiksema kiirusega. See lükkas ümber Rayleigh’ teooria, kes uskus, et hajuvate osakeste liikumine tagab igal juhul lainete hajumise, ning lükkas seetõttu ümber sellel põhineva Plancki teooria.
Nii avastati hajumise teooria aluse alt liiv. Kõik majesteetlik hoone raputas ja ähvardas kokku kukkuda.
Kokkusattumus
Aga kuidas on lood Loschmidti arvu määramisega taeva sinise sära mõõtmise põhjal? Lõppude lõpuks kinnitas kogemus Rayleighi hajumise teooriat!
"Seda kokkusattumust tuleks pidada juhuslikuks," kirjutas Mandelstam 1907. aastal oma töös "Optically Homogenous and Turbid Media".
Mandelstam näitas, et molekulide juhuslik liikumine ei saa muuta gaasi homogeenseks. Vastupidi, reaalses gaasis on alati kaootiliste protsesside tagajärjel tekkinud pisikesi haruldusi ja tihendusi. termiline liikumine. Just need viivad valguse hajumiseni, kuna rikuvad õhu optilist homogeensust. Samas töös kirjutas Mandelstam:
"Kui keskkond on optiliselt ebahomogeenne, siis üldiselt hajub langev valgus ka külgedele."
Kuna aga kaootilise liikumise tagajärjel tekkivate ebahomogeensuste suurused on väiksemad kui valguslainete pikkus, siis hajuvad valdavalt spektri violetsele ja sinisele osale vastavad lained. Ja see toob kaasa eelkõige taeva sinise värvi.
Nii sai taevasinise taeva mõistatus lõpuks lahendatud. Teoreetiline osa töötas välja Rayleigh. Füüsiline olemus difuusorid paigaldas Mandelstam.
Mandelstami suur eelis seisneb selles, et ta tõestas, et eeldus gaasi täiuslikust homogeensusest on vastuolus selles valguse hajumise faktiga. Ta mõistis, et taeva sinine värv tõestas, et gaaside homogeensus on vaid näiline. Täpsemalt, gaasid tunduvad homogeensed ainult siis, kui neid uuritakse töötlemata instrumentidega, nagu baromeeter, kaalud või muud vahendid, mida mõjutavad korraga paljud miljardid molekulid. Kuid valguskiir tajub võrreldamatult väiksemaid molekulide koguseid, mõõdetuna vaid kümnetes tuhandetes. Ja sellest piisab, et teha kindlaks, et gaasi tihedus on pidevalt allutatud väikestele kohalikele muutustele. Seetõttu on meedium, mis on meie "jämedalt" vaadatuna homogeenne, tegelikkuses heterogeenne. "Valguse vaatenurgast" tundub see hägune ja hajutab seetõttu valgust.
Juhuslikke lokaalseid muutusi aine omadustes, mis tulenevad molekulide termilisest liikumisest, nimetatakse nüüd fluktuatsioonideks. Olles selgitanud molekulaarse valguse hajumise fluktuatsiooni päritolu, sillutas Mandelstam teed uuele aine uurimise meetodile - fluktuatsiooni- ehk statistilisele meetodile, mille Smoluchowski, Lorentz, Einstein ja ise hiljem arendasid uueks suureks füüsikaosakonnaks - statistiline füüsika.
Taevas peaks särama!
Nii selgus taeva sinise värvi saladus. Kuid valguse hajumise uurimine ei piirdunud sellega. Juhtides tähelepanu peaaegu märkamatutele õhutiheduse muutustele ja seletades taeva värvi kõikuva valguse hajumisega, avastas oma terava teadlasetundega Mandelstam selles protsessis uue, veelgi peenema tunnuse.
Õhu ebahomogeensused on tingitud ju selle tiheduse juhuslikest kõikumistest. Nende juhuslike ebahomogeensuste suurus ja tükkide tihedus muutuvad aja jooksul. Seetõttu arutles teadlane, et ka intensiivsus – hajutatud valguse tugevus – peaks aja jooksul muutuma! Lõppude lõpuks, mida tihedamad on molekulide tükid, seda intensiivsem on neile hajuv valgus. Ja kuna need tükid tekivad ja kaovad kaootiliselt, peaks taevas lihtsalt välkuma! Selle sära tugevus ja värv peaksid kogu aeg muutuma (kuid väga nõrgalt)! Aga kas keegi on sellist virvendust märganud? Muidugi mitte.
See efekt on nii peen, et te ei saa seda palja silmaga märgata.
Sellist muutust taeva säras pole ka keegi teadlastest täheldanud. Mandelstamil endal polnud võimalust oma teooria järeldusi kontrollida. Keeruliste katsete korraldamist takistasid esialgu kehvad tingimused Tsaari-Venemaa ja seejärel revolutsiooni esimeste aastate raskused, välissekkumine ja kodusõda.
1925. aastal sai Mandelstam Moskva ülikooli kateedri juhatajaks. Siin kohtus ta silmapaistva teadlase ja vilunud eksperimentaatori Grigori Samuilovitš Landsbergiga. Ja nii jätkasid nad sügavast sõprusest ja ühistest teadushuvidest seotuna rünnakut hajutatud valguse nõrkades kiirtes peituvate saladuste vastu.
Ülikooli optikalaboratooriumid olid neil aastatel veel väga instrumendivaesed. Ülikoolis polnud ainsatki instrumenti, mis oleks võimeline tuvastama taeva virvendust või neid väikeseid erinevusi langeva ja hajutatud valguse sagedustes, mis teooria kohaselt olid selle virvenduse tagajärg.
See aga teadlasi ei peatanud. Nad loobusid mõttest simuleerida taevast laboritingimustes. See muudaks juba niigi peene kogemuse keeruliseks. Nad otsustasid mitte uurida valget hajumist - kompleksne valgus, vaid ühe, rangelt määratletud sagedusega kiirte hajumine. Kui nad teavad täpselt langeva valguse sagedust, on palju lihtsam otsida selle lähedal olevaid sagedusi, mis peaksid hajumise käigus tekkima. Lisaks viitas teooria sellele, et vaatlusi on lihtsam teha tahked ained, kuna neis asuvad molekulid palju lähemal kui gaasides ja mida tihedam on aine, seda suurem on hajumine.
Algas hoolas otsimine sobivad materjalid. Lõpuks langes valik kvartskristallidele. Lihtsalt sellepärast, et suured läbipaistvad kvartskristallid on soodsamad kui ükski teine.
See kestis kaks aastat ettevalmistavad katsed, valiti välja kõige puhtamad kristallide proovid, täiustati tehnikat, tuvastati märgid, mille järgi oli võimalik vaieldamatult eristada hajumist kvartsimolekulidel juhuslikel inklusioonidel hajumisest, kristallide ebahomogeensusest ja lisanditest.
Mõistlikkus ja töö
Kuna spektraalanalüüsi jaoks puudusid võimsad seadmed, valisid teadlased geniaalse lahenduse, mis pidi võimaldama olemasolevaid instrumente kasutada.
Selle töö peamiseks raskuseks oli see, et molekulaarsest hajumisest põhjustatud nõrga valguse peale kattus palju tugevam valgus, mis oli hajutatud katseteks saadud kristalliproovide väikeste lisandite ja muude defektide tõttu. Teadlased otsustasid ära kasutada tõsiasja, et hajutatud valgust moodustasid kristallide defektid ja peegeldused erinevad osad sätted vastavad täpselt langeva valguse sagedusele. Neid huvitas ainult Mandelstami teooria kohaselt muudetud sagedusega valgus, mistõttu oli ülesandeks tõsta esile molekulaarsest hajumisest põhjustatud muutunud sagedusega valgus selle palju eredama valguse taustal.
Tagamaks, et hajutatud valguse suurus oleks tuvastatav, otsustasid teadlased valgustada kvartsi kõige võimsama neile saadaoleva valgustusseadmega: elavhõbedalambiga.
Seega peab kristallis hajuv valgus koosnema kahest osast: nõrgast muudetud sagedusega valgusest, mis on tingitud molekulaarsest hajumisest (selle osa uurimine oli teadlaste eesmärk), ja palju tugevamast muutumatu sagedusega valgusest, mis on põhjustatud kõrvalistest põhjustest (see osa oli kahjulik, muutis see uurimistöö keeruliseks).
Meetodi idee oli atraktiivne oma lihtsuse tõttu: on vaja neelduda püsiva sagedusega valgust ja edastada spektraparaati ainult muudetud sagedusega valgust. Kuid sageduste erinevused olid vaid paar tuhandikku protsenti. Üheski maailma laboris ei olnud filtrit, mis oleks võimeline eraldama nii lähedasi sagedusi. Siiski leiti lahendus.
Hajutatud valgus juhiti läbi elavhõbedaauru sisaldava anuma. Selle tulemusena oli kogu "kahjulik" tuli anumasse "kinni jäänud" ja "kasulik" tuli läbis ilma märgatava sumbumiseta. Katsetajad kasutasid ära üht juba teadaolevat asjaolu. Aine aatom, nagu väidab kvantfüüsika, on võimeline kiirgama valguslaineid ainult teatud sagedustel. Samas on see aatom võimeline ka valgust neelama. Pealegi ainult nende sagedustega valguslaineid, mida ta ise suudab kiirata.
Elavhõbedalambis kiirgab valgust elavhõbedaaur, mis mõjul helendab elektrilahendus, mis esineb lambi sees. Kui see valgus lastakse läbi anuma, mis sisaldab ka elavhõbedaauru, neeldub see peaaegu täielikult. Juhtub see, mida teooria ennustab: anumas olevad elavhõbedaaatomid neelavad valgust, mida kiirgavad lambis olevad elavhõbedaaatomid.
Muudest allikatest, näiteks neoonlambist, tulev valgus läbib elavhõbedaauru kahjustamata. Elavhõbeda aatomid ei pööra sellele isegi tähelepanu. Isegi see osa maailmast ei imendu elavhõbeda lamp, mis hajus kvartsis lainepikkuse muutumisega.
Just seda mugavat asjaolu kasutasid Mandelstam ja Landsberg ära.
Hämmastav avastus
1927. aastal algasid otsustavad katsed. Teadlased valgustasid kvartskristalli elavhõbedalambi valgusega ja töötlesid tulemusi. Ja... nad olid üllatunud.
Katse tulemused olid ootamatud ja ebatavalised. See, mida teadlased avastasid, polnud sugugi see, mida nad ootasid, mitte see, mida teooria ennustas. Nad avastasid täiesti uue nähtuse. Aga milline? Ja kas see pole viga? Hajutatud valgus ei paljastanud oodatud sagedusi, vaid palju kõrgemaid ja madalamaid sagedusi. Hajutatud valguse spektris ilmnes terve kombinatsioon sagedusi, mida kvartsile langevas valguses ei esinenud. Nende välimust oli lihtsalt võimatu seletada kvartsi optiliste ebahomogeensusega.
Algas põhjalik kontroll. Katsed viidi läbi veatult. Need olid välja mõeldud nii vaimukad, täiuslikud ja leidlikud, et neid ei saanud jätta imetlemata.
"Leonid Isaakovitš lahendas mõnikord väga raskeid tehnilisi probleeme nii kaunilt ja mõnikord lihtsalt suurepäraselt, et igaüks meist esitas tahtmatult küsimuse: "Miks see mulle varem ei tulnud?" – ütleb üks töötajatest.
Mitmekesine kontrollkatsed kinnitas järjekindlalt, et viga pole. Hajutatud valguse spektri fotodel ilmusid püsivalt nõrgad ja siiski üsna ilmsed jooned, mis viitavad "lisa" sageduste olemasolule hajutatud valguses.
Paljud kuud on teadlased sellele nähtusele seletust otsinud. Kust tekkisid hajutatud valguses “tulnukad” sagedused?!
Ja saabus päev, mil Mandelstamit tabas hämmastav oletus. See oli hämmastav avastus, sama, mida praegu peetakse üheks 20. sajandi tähtsaimaks avastuseks.
Kuid nii Mandelstam kui ka Landsberg jõudsid üksmeelsele otsusele, et selle avastuse saab avaldada alles pärast põhjalikku kontrolli, pärast põhjalikku tungimist nähtuse sügavustesse. Viimased katsed on alanud.
Päikese abiga
16. veebruaril avaldasid India teadlased C.N. Raman ja K.S. Krishnan saatis sellele ajakirjale Calcuttast telegrammi koos Lühike kirjeldus tema avastusest.
Neil aastatel kogunes ajakirjale Nature kirju kogu maailmast mitmesuguste avastuste kohta. Kuid mitte iga sõnum ei ole määratud teadlaste seas elevust tekitama. Kui India teadlaste kirjaga seotud probleem välja tuli, olid füüsikud väga elevil. Ainuüksi sedeli pealkiri on " Uus tüüp sekundaarne kiirgus” – äratas huvi. Optika on ju üks vanimaid teadusi, 20. sajandil polnud selles sageli võimalik avastada midagi tundmatut.
Võib ette kujutada, millise huviga ootasid füüsikud üle maailma uusi kirju Calcuttast.
Nende huvi ajendas suurel määral avastuse ühe autori Ramani isiksus. See on uudishimuliku saatuse ja erakordse elulooga mees, mis on väga sarnane Einsteini omaga. Einstein oli nooruses lihtne gümnaasiumiõpetaja ja seejärel patendiameti töötaja. Just sel perioodil valmis ta oma olulisematest teostest. Särav füüsik Raman oli ka pärast ülikooli lõpetamist sunnitud kümme aastat finantsosakonnas teenima ja alles pärast seda kutsuti Calcutta ülikooli osakonda. Peagi sai Ramanist India füüsikute koolkonna tunnustatud juht.
Vahetult enne kirjeldatud sündmusi hakkasid Raman ja Krishnan huvi tundma kurioosse ülesande vastu. Siis polnud 1923. aasta avastusest tingitud kired veel vaibunud Ameerika füüsik Compton, kes uurides röntgenkiirte läbimist ainest, avastas, et mõned neist kiirtest, hajudes algsest suunast eemale, suurendavad oma lainepikkust. Optika keelde tõlgituna võime öelda, et aine molekulidega kokkupõrkel röntgenikiirgus muutis nende "värvi".
Seda nähtust oli seadustega lihtne seletada kvantfüüsika. Seetõttu oli Comptoni avastus üks noore kvantteooria õigsuse otsustavaid tõendeid.
Otsustasime proovida midagi sarnast, kuid optikas. avastasid India teadlased. Nad tahtsid lasta valgust läbi aine ja näha, kuidas selle kiired hajuvad aine molekulidele ja kas nende lainepikkus muutub.
Nagu näete, tahtmata või tahtmata, on India teadlased seadnud endale sama ülesande nagu nõukogude teadlased. Kuid nende eesmärgid olid erinevad. Calcuttas otsisid nad Comptoni efekti optilist analoogiat. Moskvas - eksperimentaalne kinnitus Mandelstami ennustusele sageduse muutumise kohta valguse hajumisel ebahomogeensuse kõikumisel.
Raman ja Krishnan kavandasid keeruka eksperimendi, kuna oodatud mõju oli äärmiselt väike. Katse jaoks oli vaja väga eredat valgusallikat. Ja siis otsustasid nad kasutada päikest, kogudes selle kiiri teleskoobi abil.
Selle objektiivi läbimõõt oli kaheksateist sentimeetrit. Teadlased suunasid kogutud valguse läbi prisma anumatele, mis sisaldasid vedelikke ja gaase, mis puhastati põhjalikult tolmust ja muudest saasteainetest.
Kuid hajutatud valguse eeldatava väikese lainepikkuse tuvastamiseks valge abil päikesevalgus, mis sisaldas praktiliselt kõiki võimalikke lainepikkusi, oli lootusetu. Seetõttu otsustasid teadlased kasutada valgusfiltreid. Nad asetasid objektiivi ette sinakasvioletse filtri ja jälgisid hajutatud valgust läbi kollakasrohelise filtri. Nad otsustasid õigesti, et see, mis esimene filter läbi laseb, jääb teise kinni. Kollakasroheline filter neelab ju esimese filtri poolt edastatud sinakasvioletsed kiired. Ja mõlemad, asetatuna üksteise taha, peaksid neelama kogu langeva valguse. Kui mõni kiir langeb vaatleja silma, siis võib kindlalt väita, et need ei olnud langeva valguse käes, vaid sündisid uuritavas aines.
Kolumbus
Tõepoolest, hajutatud valguses tuvastasid Raman ja Krishnan kiirid, mis läbisid teist filtrit. Nad salvestasid lisasagedusi. See võib põhimõtteliselt olla optiline Comptoni efekt. See tähendab, et anumates paikneva aine molekulidele hajudes võib sinakasvioletne valgus muuta oma värvi ja muutuda kollakasroheliseks. Kuid seda oli vaja veel tõestada. Kollakasrohelise valguse ilmumisel võivad olla muud põhjused. Näiteks võib see ilmneda luminestsentsi tagajärjel – nõrk kuma, mis sageli ilmneb vedelikes ja tahketes ainetes valguse, kuumuse ja muude põhjuste mõjul. Ilmselgelt oli üks asi – see valgus sündis uuesti, seda ei sisaldanud langev valgus.
Teadlased kordasid oma katset kuue erineva vedeliku ja kahte tüüpi aurudega. Nad olid veendunud, et luminestsents ega muud põhjused ei mängi siin rolli.
Asjaolu, et nähtava valguse lainepikkus suureneb, kui see hajub aines, tundus Ramanile ja Krishnanile kindlaks tehtud. Näis, et nende otsinguid kroonis edu. Nad avastasid Comptoni efekti optilise analoogi.
Aga selleks, et katsed saaksid viimistletud vormi ja järeldused piisavalt veenvad, oli vaja üks osa tööst veel ära teha. Sellest ei piisanud lainepikkuse muutuse tuvastamiseks. Oli vaja mõõta selle muutuse suurust. Esimest sammu aitas teha valgusfilter. Ta oli võimetu teist korda tegema. Siin vajasid teadlased spektroskoopi – seadet, mis võimaldab mõõta uuritava valguse lainepikkust.
Ja teadlased alustasid teist osa, mis pole vähem keeruline ja vaevarikas. Kuid ta rahuldas ka nende ootused. Tulemused kinnitasid taas töö esimese osa järeldusi. Lainepikkus osutus aga ootamatult suureks. Oodatust palju rohkem. See teadlasi ei häirinud.
Kuidas saab siin Kolumbust mitte mäletada? Ta püüdis leida meretee Indiasse ja maad näinud, ei kahelnud ta oma eesmärgi saavutamises. Kas tal oli põhjust kahelda oma enesekindluses punaseid elanikke ja Uue Maailma harjumatut olemust nähes?
Kas pole tõsi, et Raman ja Krishnan, püüdes avastada Comptoni efekti nähtavas valguses, arvasid, et leidsid selle, uurides nende vedelikke ja gaase läbivat valgust?! Kas nad kahtlesid, kui mõõtmised näitasid hajutatud kiirte lainepikkuse ootamatult suuremat muutust? Millise järelduse nad oma avastusest tegid?
India teadlaste sõnul leidsid nad seda, mida otsisid. 23. märtsil 1928 lendas Londonisse telegramm artikliga “Comptoni efekti optiline analoogia”. Teadlased kirjutasid: "Seega on Comptoni efekti optiline analoogia ilmne, välja arvatud see, et meil on tegemist palju suurema lainepikkuse muutusega..." Märkus: "palju suurem..."
Aatomite tants
Ramani ja Krishnani tööd pälvisid teadlased aplausiga. Kõik imetlesid õigustatult nende eksperimentaalset kunsti. Selle avastuse eest pälvis Raman 1930. aastal Nobeli preemia.
India teadlaste kirjale oli lisatud foto spektrist, millel asetsesid langeva valguse sagedust ja aine molekulidele hajutatud valgust kujutavad jooned. Ramani ja Krishnani sõnul illustreeris see foto nende avastust selgemalt kui kunagi varem.
Kui Mandelstam ja Landsberg seda fotot vaatasid, nägid nad saadud foto peaaegu täpset koopiat! Kuid pärast tema selgitusega tutvumist mõistsid nad kohe, et Raman ja Krishnan eksisid.
Ei, India teadlased ei avastanud Comptoni efekti, vaid hoopis teistsugust nähtust, sedasama, mida Nõukogude teadlased olid juba aastaid uurinud...
Samal ajal kui India teadlaste avastuse tekitatud elevus aina kasvas, lõpetasid Mandelstam ja Landsberg kontrollkatseid ja tegid kokkuvõtteid lõplikest otsustavatest tulemustest.
Ja nii saatsid nad 6. mail 1928 artikli trükki. Artiklile oli lisatud foto spektrist.
Uurijad andsid lühidalt ülevaate probleemi ajaloost üksikasjalik tõlgendus nähtus, mille nad avastasid.
Mis oli see nähtus, mis põhjustas paljudel teadlastel kannatusi ja ajusid?
Mandelstami sügav intuitsioon ja selge analüütiline mõistus ütlesid teadlasele kohe, et hajutatud valguse sageduse tuvastatud muutusi ei saa põhjustada need molekulidevahelised jõud, mis võrdsustavad õhutiheduse juhuslikke kordusi. Teadlasele sai selgeks, et põhjus peitub kahtlemata aine molekulide enda sees, et nähtust põhjustavad molekuli moodustavate aatomite molekulisisesed vibratsioonid.
Sellised võnked esinevad palju suurema sagedusega kui need, mis kaasnevad juhuslike ebahomogeensuste tekke ja resorptsiooniga keskkonnas. Just need aatomite vibratsioonid molekulides mõjutavad hajutatud valgust. Tundub, et aatomid märgivad seda, jätavad sellele oma jäljed ja krüpteerivad selle täiendavate sagedustega.
See oli ilus oletus, inimmõtte julge pealetung väikese looduskindluse – molekuli – kordoni taha. Ja see luure tõi väärtuslikku teavet selle sisemise struktuuri kohta.
Käsikäes
Niisiis, püüdes tuvastada molekulidevaheliste jõudude põhjustatud hajutatud valguse sageduse väikest muutust, avastati suurem sageduse muutus, mille põhjustasid molekulisisesed jõud.
Seega piisas uue nähtuse, mida nimetati "valguse Ramani hajumiseks", selgitamiseks Mandelstami loodud molekulaarse hajumise teooria täiendamisest andmetega molekulide sees olevate aatomite vibratsiooni mõju kohta. Uus nähtus avastati Mandelstami idee väljatöötamise tulemusena, mille ta sõnastas juba 1918. aastal.
Jah, mitte ilma põhjuseta, nagu ütles akadeemik S.I. Vavilov: “Loodus kinkis Leonid Isaakovitšile täiesti ebatavalise, läbinägeliku, peene mõistuse, mis märkas ja mõistis kohe peamist, millest enamus ükskõikselt mööda läks. Nii mõisteti valguse hajumise kõikumise olemust ja nii tekkis idee spektri muutumisest valguse hajumise ajal, mis sai aluseks Ramani hajumise avastamisele.
Seejärel saadi sellest avastusest tohutult kasu ja see sai väärtuslikku praktilist rakendust.
Avastamise hetkel tundus see vaid kõige väärtuslikum panus teadusesse.
Aga Raman ja Krishnan? Kuidas suhtusid nad nõukogude teadlaste ja ka enda teadlaste avastusse? Kas nad said aru, mida nad avastasid?
Vastus neile küsimustele sisaldub järgmises Ramani ja Krishnani kirjas, mille nad saatsid ajakirjandusele 9 päeva pärast nõukogude teadlaste artikli avaldamist. Jah, nad mõistsid, et nähtus, mida nad täheldasid, ei olnud Comptoni efekt. See on Ramani valguse hajumine.
Pärast Ramani ja Krishnani kirjade ning Mandelstami ja Landsbergi artiklite avaldamist sai teadlastele üle maailma selgeks, et sama nähtust tehti ja uuriti iseseisvalt ja peaaegu samaaegselt Moskvas ja Kalkuttas. Kuid Moskva füüsikud uurisid seda kvartskristallides ja India füüsikud vedelikes ja gaasides.
Ja see paralleelsus ei olnud muidugi juhuslik. Ta räägib probleemi asjakohasusest ja selle suurest teaduslikust tähtsusest. Pole üllatav, et Mandelstami ja Ramani 1928. aasta aprilli lõpus tehtud järeldustele lähedased tulemused said sõltumatult ka prantsuse teadlased Rocard ja Kaban. Mõne aja pärast meenus teadlastele, et 1923. aastal ennustas Tšehhi füüsik Smekal teoreetiliselt sama nähtust. Pärast Smekali tööd ilmusid Kramersi, Heisenbergi ja Schrödingeri teoreetilised uurimused.
Ilmselt võib ainult teadusliku teabe puudumine seletada tõsiasja, et paljude riikide teadlased töötasid sama probleemi lahendamise kallal, ise seda teadmata.
Kolmkümmend seitse aastat hiljem
Ramani uuringud pole mitte ainult avastanud uus peatükk valguse teaduses. Samal ajal nad andsid võimas relv tehnoloogia. Tööstusel on suurepärane viis aine omaduste uurimiseks.
Ramani valguse hajumise sagedused on ju jäljed, mis asetsevad valguse peale valgust hajutava keskkonna molekulide poolt. Ja need jäljendid ei ole erinevates ainetes ühesugused. See andis akadeemik Mandelstamile õiguse nimetada Ramani valguse hajumist "molekulide keeleks". Neile, kes oskavad lugeda molekulide jälgi valguskiirtel ja määrata hajutatud valguse koostist, räägivad molekulid seda keelt kasutades oma struktuuri saladustest.
Ramani spektrifoto negatiivil pole muud kui erineva mustusega jooned. Kuid selle foto põhjal arvutab spetsialist välja molekulisiseste vibratsioonide sagedused, mis ilmnesid hajutatud valguses pärast aine läbimist. Pilt räägib paljudest senitundmatutest külgedest siseelu molekulid: nende ehitusest, jõududest, mis seovad aatomeid molekulideks, aatomite suhtelisest liikumisest. Ramani spektrogramme dešifreerima õppides õppisid füüsikud mõistma omapärast “valguskeelt”, millega molekulid endast räägivad. Seega võimaldas uus avastus tungida sügavamale molekulide sisemisse struktuuri.
Tänapäeval kasutavad füüsikud Ramani hajumist vedelike, kristallide ja klaasainete struktuuri uurimiseks. Keemikud kasutavad seda meetodit erinevate ühendite struktuuri määramiseks.
Labori töötajad töötasid välja meetodid ainete uurimiseks, kasutades valguse Ramani hajumise nähtust. Füüsikaline Instituut nime saanud P.N. Lebedevi NSV Liidu Teaduste Akadeemia, mida juhtis akadeemik Landsberg.
Need meetodid võimaldavad tehase laboris kiiresti ja täpselt teha lennubensiini, krakkimisproduktide, naftasaaduste ja paljude muude keeruliste orgaaniliste vedelike kvantitatiivseid ja kvalitatiivseid analüüse. Selleks piisab uuritava aine valgustamisest ja spektrograafi abil selle hajutava valguse koostise määramiseks. Tundub väga lihtne. Kuid enne, kui see meetod tõeliselt mugavaks ja kiireks osutus, pidid teadlased täpse ja tundliku varustuse loomiseks palju tööd tegema. Ja sellepärast.
Uuritavasse ainesse sisenevast valgusenergia koguhulgast moodustab hajutatud valguse osa vaid tähtsusetu osa – ligikaudu kümnemiljardiku. Ja Ramani hajumine moodustab harva isegi kaks või kolm protsenti sellest väärtusest. Ilmselt seetõttu jäi Ramani hajumine ise pikka aega märkamatuks. Pole üllatav, et esimeste Ramani fotode saamine nõudis kümneid tunde kestvaid säritusi.
Meie riigis loodud kaasaegsed seadmed võimaldavad saada puhaste ainete kombinatsioonspektri mõne minuti, mõnikord isegi sekundiga! Isegi keeruliste segude analüüsiks, milles üksikuid aineid esineb mitme protsendi ulatuses, piisab tavaliselt mitte pikemast kokkupuuteajast kui tund.
Kolmkümmend seitse aastat on möödunud ajast, mil Mandelstam ja Landsberg, Raman ja Krishnan avastasid, dešifreerisid ja mõistsid fotoplaatidele salvestatud molekulide keele. Sellest ajast peale on maailmas kõvasti tööd tehtud molekulide keele “sõnastiku” koostamiseks, mida optikud nimetavad Ramani sageduste kataloogiks. Sellise kataloogi koostamisel hõlbustatakse oluliselt spektrogrammide tõlgendamist ja Ramani hajumine muutub veelgi täielikumalt teaduse ja tööstuse teenistuseks.
Töö tekst postitatakse ilma piltide ja valemiteta.
Täisversioon töö on PDF-vormingus saadaval vahekaardil "Tööfailid".
Tänaval mängides märkasin kord taevast, see oli erakordne: põhjatu, lõputu ja sinine, sinine! Ja ainult pilved katsid seda sinist värvi kergelt. Mõtlesin, miks on taevas sinine? Kohe meenus rebane Alice'i laul Pinocchiost rääkivast muinasjutust “Milline sinine taevas...!” ja geograafiatund, kus teemat “Ilm” õppides kirjeldasime taeva olekut ja ütlesime ka, et see on sinine. Nii et lõppude lõpuks, miks on taevas sinine? Koju jõudes esitasin selle küsimuse oma emale. Ta ütles mulle, et kui inimesed nutavad, paluvad nad taevast abi. Taevas võtab neilt pisarad, nii et see muutub siniseks nagu järv. Kuid mu ema lugu ei rahuldanud mu küsimust. Otsustasin klassikaaslastelt ja õpetajatelt küsida, kas nad teavad, miks taevas on sinine? Küsitluses osales 24 õpilast ja 17 õpetajat. Pärast küsimustike töötlemist saime järgmised tulemused:
Koolis geograafiatunnis esitasin selle küsimuse õpetajale. Ta vastas mulle, et taeva värvi saab füüsika seisukohast kergesti seletada. Seda nähtust nimetatakse dispersiooniks. Wikipediast sain teada, et dispersioon on valguse spektriks lagundamise protsess. Geograafiaõpetaja Larisa Borisovna soovitas mul seda nähtust katseliselt jälgida. Ja me läksime füüsika tuppa. Füüsikaõpetaja Vassili Aleksandrovitš oli meelsasti nõus meid selles aitama. Spetsiaalse varustuse abil sain jälgida, kuidas dispersiooniprotsess looduses toimub.
Et leida vastus küsimusele, miks taevas on sinine, otsustasime läbi viia uuringu. Nii tekkis idee kirjutada projekt. Koos juhendajaga määrasime kindlaks uurimistöö teema, eesmärgi ja eesmärgid, püstitasime hüpoteesi, määrasime uurimismeetodid ja mehhanismid oma idee elluviimiseks.
Hüpotees: Valguse saadab Maale Päike ja enamasti tundub see meile otsa vaadates pimestavalt valge. Kas see tähendab, et taevas peaks olema valge? Aga tegelikult on taevas sinine. Uuringu käigus leiame nendele vastuoludele seletusi.
Sihtmärk: leidke vastus küsimusele, miks taevas on sinine, ja saate teada, millest sõltub selle värv.
Ülesanded: 1. Tutvuge teemakohase teoreetilise materjaliga
2. Uurige eksperimentaalselt valguse hajumise nähtust
3. Jälgi taeva värvi erinevatel kellaaegadel ja erinevatel ilmastikutingimustel
Õppeobjekt: taevas
Üksus: taeva valgus ja värv
Uurimismeetodid: analüüs, katse, vaatlus
Töö etapid:
1. Teoreetiline
2. Praktiline
3. Lõpp: järeldused uurimisteemal
Töö praktiline tähendus: Uurimismaterjale saab kasutada geograafia ja füüsika tundides õppemoodulina.
2. Põhiosa.
2.1. Teoreetilised aspektid Probleemid. Sinitaeva fenomen füüsika vaatenurgast
Miks on taevas sinine – nii lihtsale küsimusele on väga raske vastust leida. Esiteks määratleme mõiste. Taevas on ruum Maa või mõne muu astronoomilise objekti pinna kohal. Üldiselt nimetatakse taevast tavaliselt panoraamiks, mis avaneb Maa (või muu astronoomilise objekti) pinnalt kosmose poole vaadates.
Paljud teadlased on vastust otsides pead murdnud. Kaminas tuld vaadates kirjutas Leonardo da Vinci: "Pimeduse kohal valgus muutub siniseks." Kuid tänapäeval on teada, et valge ja musta sulandumisel saadakse hall.
Riis. 1. Leonardo da Vinci hüpotees
Isaac Newton selgitas peaaegu taeva värvi, kuid selleks pidi ta eeldama, et atmosfääris sisalduvatel veetilkadel on õhukesed seinad nagu seebimullid. Kuid selgus, et need tilgad on kerad, mis tähendab, et neil pole seina paksust. Ja nii Newtoni mull lõhkes!
Riis. 2. Newtoni hüpotees
Parim lahendus probleemile pakuti välja umbes 100 aastat tagasi Inglise füüsik Lord John Rayleigh. Aga alustame algusest. Päike kiirgab pimestavat valget valgust, mis tähendab, et taeva värv peaks olema sama, kuid see on siiski sinine. Mis juhtub valge valgusega atmosfääris? Atmosfääri läbides, justkui läbi prisma, laguneb see seitsmeks värviks. Tõenäoliselt teate neid ridu: iga jahimees tahab teada, kus faasan istub. Nendes lausetes on peidus sügav tähendus. Need esindavad meile nähtava valguse spektri põhivärve.
Riis. 3. Valge valguse spekter.
Selle spektri parim looduslik demonstratsioon on loomulikult vikerkaar.
Riis. 4 Nähtava valguse spekter
Nähtav valgus on elektromagnetiline kiirgus, mille lained on erineva pikkusega. Jah ja ei nähtav valgus, meie silmad ei taju seda. Need on ultraviolett- ja infrapunakiirgused. Me ei näe seda, kuna selle pikkus on kas liiga pikk või liiga lühike. Valguse nägemine tähendab selle värvi tajumist, kuid see, millist värvi me näeme, sõltub lainepikkusest. Pikimad nähtavad lained on punased ja lühimad violetsed.
Lainepikkusest oleneb ka valguse võime hajuda ehk keskkonnas levida. Punased valguslained hajutavad kõige hullemini, kuid sinised ja violetsed värvid kõrge võimekus hajutamiseks.
Riis. 5. Valguse hajumise võime
Ja lõpuks oleme lähedal vastusele oma küsimusele, miks on taevas sinine? Nagu eespool mainitud, on valge segu kõigest võimalikud värvid. Kui see põrkab kokku gaasimolekuliga, hajuvad kõik valge valguse seitsmest värvikomponendist. Samas hajub pikemate lainetega valgus halvemini kui lühikeste lainetega valgus. Seetõttu jääb õhku 8 korda rohkem sinist spektrit kui punast. Kuigi lühim laine on lilla, tundub taevas lillade ja roheliste lainete segunemise tõttu endiselt sinine. Lisaks tajuvad meie silmad sinist paremini kui violetset, arvestades mõlema sama heledust. Just need faktid määravad taeva värviskeemi: atmosfäär on sõna otseses mõttes täidetud sini-sinise värvi kiirtega.
Taevas pole aga alati sinine. Päeval näeme taevast sinise, tsüaani, halli, õhtul punasena (lisa 1). Miks on päikeseloojang punane? Päikeseloojangu ajal läheneb Päike horisondile ja päikesekiir on suunatud Maa pinna poole mitte vertikaalselt, nagu päeval, vaid nurga all. Seetõttu on selle tee läbi atmosfääri palju Lisaks et see toimub päeval, kui Päike on kõrgel. Tänu sellele neeldub sini-sinine spekter atmosfääris enne Maale jõudmist ning Maa pinnale jõuavad punase spektri pikemad valguslained, mis värvivad taeva punasteks ja kollasteks toonideks. Taeva värvimuutus on selgelt seotud Maa pöörlemisega ümber oma telje ja seega ka valguse Maale langemise nurgaga.
2.2. Praktilised aspektid. Eksperimentaalne viis probleemi lahendamiseks
Füüsikatunnis tutvusin spektrograafi seadmega. Füüsikaõpetaja Vassili Aleksandrovitš rääkis mulle selle seadme tööpõhimõttest, mille järel viisin iseseisvalt läbi eksperimendi nimega dispersioon. Prismat läbiv valge valguskiir murdub ja me näeme ekraanil vikerkaart. (Lisa 2). See kogemus aitas mul mõista, kuidas see hämmastav looduse looming taevasse ilmub. Spektrograafi abil saavad teadlased tänapäeval teavet erinevate ainete koostise ja omaduste kohta.
Foto 1. Dispersioonikogemuse demonstreerimine aastal
füüsika tuba
Tahtsin koju vikerkaare hankida. Minu geograafiaõpetaja Larisa Borisovna rääkis mulle, kuidas seda teha. Spektrograafi analoogiks oli klaasist anum veega, peegel, taskulamp ja valge paberileht. Asetage peegel veenõusse ja asetage anuma taha valge paberileht. Taskulambi valguse suuname peeglile nii, et peegeldunud valgus langeks paberile. Taas on paberile ilmunud vikerkaar! (Lisa 3). Parem on katse läbi viia pimedas ruumis.
Oleme juba eespool öelnud, et valge valgus sisaldab sisuliselt juba kõiki vikerkaare värve. Saate selles veenduda ja koguda kõik värvid valgeks, tehes vikerkaareplaadi (Lisa 4). Kui keerutate seda liiga palju, siis värvid ühinevad ja plaat muutub valgeks.
Vaatamata sellele teaduslik seletus Vikerkaare tekkimine, see nähtus jääb atmosfääri üheks salapäraseks optiliseks prilliks. Vaata ja naudi!
3. Järeldus
Otsides vastust küsimusele, mida vanemad nii sageli küsivad laste küsimus"Miks taevas on sinine?" Sain teada palju huvitavat ja õpetlikku. Meie tänase hüpoteesi vastuoludel on teaduslik seletus:
Kogu saladus peitub meie atmosfääri taevavärvis – sees õhuümbris planeet Maa.
Atmosfääri läbiv valge päikesekiir laguneb seitsmevärvilisteks kiirteks.
Punased ja oranžid kiired on kõige pikemad ja sinised kiired on kõige lühemad.
Sinised kiired jõuavad Maale vähem kui teised ja tänu nendele kiirtele on taevas sinine värv
Taevas ei ole alati sinine ja see on tingitud aksiaalne liikumine Maa.
Eksperimentaalselt suutsime visualiseerida ja mõista, kuidas hajumine looduses toimub. Peal klassi tund Koolis rääkisin klassikaaslastele, miks taevas on sinine. Huvitav oli ka teada, kus meie juures võib täheldada hajumise nähtust Igapäevane elu. Olen leidnud sellele ainulaadsele nähtusele mitmeid praktilisi kasutusviise. (Lisa 5). Tulevikus tahaksin taeva uurimist jätkata. Kui palju saladusi see veel sisaldab? Milliseid muid nähtusi atmosfääris esineb ja milline on nende olemus? Kuidas need mõjutavad inimesi ja kogu elu Maal? Võib-olla on need minu edasise uurimistöö teemad.
Bibliograafia
1. Vikipeedia – vaba entsüklopeedia
2. L.A. Malikova. Elektrooniline käsiraamat füüsikas "Geomeetriline optika"
3. Peryshkin A.V. Füüsika. 9. klass. Õpik. M.: Bustard, 2014, lk 202-209
4. htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru
5. Isiklik fotoarhiiv “Taevas Golyshmanovo kohal”
Lisa 1.
"Taevas Golyshmanovo kohal"(isiklik fotoarhiiv)
2. lisa.
Valguse hajumine spektrograafi abil
3. lisa.
Kerge hajutamine kodus
"vikerkaar"
4. lisa.
Vikerkaare topp
Ülemine puhkeasendis Ülemine pöörlemise ajal
5. lisa.
Muutused inimese elus
Teemanttuled lennuki pardal
Auto esituled
Peegeldavad märgid
HÜPOTEES: Tööplaan: Uurige, mis on valgus; Uurida läbipaistva keskkonna värvimuutust sõltuvalt valguskiirte langemisnurgast; Andke vaadeldavale nähtusele teaduslik seletus.Taeva värvuse muutused on seotud Maa atmosfääri sisenevate valguskiirte nurga all.
Teoreetiline osa Kõik on näinud, kuidas kristalli servad ja väikesed kastepiisad säravad kõigis vikerkaarevärvides. Mis toimub? Lõppude lõpuks langevad valge päikesekiired läbipaistvatele värvitutele kehadele. Need nähtused on inimestele teada olnud pikka aega. Pikka aega Usuti, et valge valgus on kõige lihtsam ja loodud värvid on teatud kehade eriomadused.
1865 James Maxwell. Loonud elektromagnetlainete teooria. Valgus on elektromagnetlaine. Heinrich Hertz avastas meetodi elektromagnetlainete loomiseks ja levitamiseks.
Valgus on elektromagnetlaine, mis on erineva pikkusega lainete kogum. Meie nägemisega tajume väikest EMW pikkuste intervalli valgusena. Need lained koos annavad meile valget valgust. Ja kui valime sellest intervallist mingi osa lainetest, siis tajume neid valgusena, millel on mingisugune värv. Kokku on seitse põhivärvi.
Katse käik: Täida anum (akvaarium) veega; Lisa veele veidi piima (need on tolmuosakesed) Suunake taskulambi valgus vee peale; Sellist värvi on keskpäeval taevas. Muudame valguse langemisnurka veele 0-lt 90-le. Jälgige värvimuutust.
Järeldus: Taeva värvimuutus sõltub sellest, millise nurga all valguskiired Maa atmosfääri sisenevad. Taeva värvus muutub päeva jooksul sinisest punaseks. Ja kui valgus atmosfääri ei sisene, siis see kohtÖö langeb maa peale. Öösel kl soodne ilm valgus tuleb meile kauged tähed ja kuu paistab peegeldunud valgusega.
Valla eelarveline õppeasutus
"Kislovskaja keskkool" Tomski rajoon
Uurimine
Teema: "Miks on päikeseloojang punane..."
(kerge dispersioon)
Töö lõpetatud: ,
5A klassi õpilane
Juhendaja;
keemia õpetaja
1. Sissejuhatus ……………………………………………………………… 3
2. Põhiosa…………………………………………………………4
3. Mis on valgus………………………………………………………….. 4
Õppeaine- päikeseloojang ja taevas.
Uuringu hüpoteesid:
Päikesel on kiired, mis värvivad taevast erinevates värvides;
Punast värvi saab laboritingimustes.
Minu teema asjakohasus seisneb selles, et see on kuulajatele huvitav ja kasulik, sest paljud inimesed vaatavad selget sinist taevast ja imetlevad seda ning vähesed teavad, miks see päeval on nii sinine ja päikeseloojangul punane ning mis seda annab. on tema värv.
2. Põhiosa
Esmapilgul tundub see küsimus lihtne, kuid tegelikult mõjutab see atmosfääri valguse murdumise sügavaid aspekte. Enne sellele küsimusele vastuse mõistmist peab teil olema ettekujutus sellest, mis on valgus..jpg" align="left" height="1 src=">
Mis on valgus?
Päikesevalgus on energia. Läätse fokusseeritud päikesekiirte soojus muutub tuleks. Valgus ja soojus peegelduvad valgetelt pindadelt ja neelavad mustad. Sellepärast valged riided külmem kui must.
Mis on valguse olemus? Esimene inimene, kes püüdis tõsiselt valgust uurida, oli Isaac Newton. Ta uskus, et valgus koosneb korpuskulaarsetest osakestest, mis lastakse välja nagu kuulid. Kuid mõningaid valguse omadusi ei saa selle teooriaga seletada.
Teine teadlane Huygens pakkus valguse olemusele välja teistsuguse seletuse. Ta töötas välja valguse "lainete" teooria. Ta uskus, et valgus moodustab impulsse ehk laineid samamoodi nagu tiiki visatud kivi tekitab laineid.
Milliseid seisukohti on tänapäeva teadlastel valguse päritolu kohta? Praegu arvatakse, et valguslainetel on omadused nii osakesed kui ka lained korraga. Mõlema teooria kinnitamiseks viiakse läbi katseid.
Valgus koosneb footonitest – kaalututest massita osakestest, mis liiguvad kiirusega umbes 300 000 km/s ja millel on laine omadused. Valguse lainesagedus määrab selle värvi. Lisaks, mida kõrgem on võnkesagedus, seda lühem on lainepikkus. Igal värvil on oma vibratsioonisagedus ja lainepikkus. Valge päikesevalgus koosneb paljudest värvidest, mida on näha, kui see murdub läbi klaasprisma.
1. Prisma lagundab valgust.
2. Valge valgus on keeruline.
Kui vaatate tähelepanelikult valguse läbipääsu kolmnurkne prisma, siis on näha, et valge valguse lagunemine algab kohe, kui valgus läheb õhust klaasi. Klaasi asemel võite kasutada muid valgust läbipaistvaid materjale.
Tähelepanuväärne on, et see eksperiment on kestnud sajandeid ja selle metoodikat kasutatakse laborites siiani ilma oluliste muudatusteta.
dispersio (lat.) – hajumine, dispersioon - hajumine
I. Newtoni dispersioonikatsed.
I. Newton oli esimene, kes uuris valguse hajumise nähtust ja teda peetakse üheks tema olulisemaks teaduslikud teened. Pole ime, et tema 1731. aastal püstitatud hauakivi on kaunistatud noormeeste kujudega, kes hoiavad käes tema embleeme suuremad avastused, ühel kujundil on prisma ja monumendi pealdises on sõnad: "Ta uuris valguskiirte erinevust ja samal ajal ilmnenud erinevaid omadusi, mida keegi varem ei osanud kahtlustada." Viimane väide pole päris täpne. Dispersioon oli teada juba varem, kuid seda täpsemalt ei uuritud. Teleskoopide täiustamisel märkas Newton, et objektiivi tekitatud kujutis oli servadest värviline. Uurides murdumise tõttu värvitud servi, tegi Newton oma avastused optika valdkonnas.
Nähtav spekter
Valge kiire lagundamisel prismas moodustub spekter, milles kiirgus erinevad pikkused all murduvad lained erinevad nurgad. Spektrisse kuuluvaid värve, st neid värve, mida saab tekitada ühe lainepikkusega (või väga kitsa vahemikuga) valguslainetega, nimetatakse spektrivärvideks. Primaarsed spektrivärvid (millel on õige nimi), samuti nende värvide emissioonikarakteristikud on esitatud tabelis:
Iga spektri “värvi” tuleb võrrelda kerge laine teatud pikkus
Spektri lihtsaima idee saab vikerkaart vaadates. Veepiiskades murdunud valge valgus moodustab vikerkaare, kuna see koosneb paljudest igat värvi kiirtest ja need murduvad erinevalt: punased on kõige nõrgemad, sinised ja violetsed on tugevaimad. Astronoomid uurivad Päikese, tähtede, planeetide ja komeetide spektreid, kuna spektritest saab palju õppida.
Lämmastik" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">lämmastik. Punane ja sinine valgus interakteeruvad hapnikuga erinevalt. Kuna sinise värvi lainepikkus vastab ligikaudu hapnikuaatomi suurusele ja seetõttu on sinine valgus hajub hapniku kaudu erinevad küljed, samas kui punane tuli rahulikult atmosfäärikihti läbib. Tegelikult hajub violetne valgus atmosfääris veelgi rohkem, kuid inimsilm on selle suhtes vähem tundlik kui sinise valguse suhtes. Tulemuseks on see, et inimsilm tabab igalt poolt hapnikuga hajutatud sinist valgust, mistõttu tundub taevas meile sinine.
Ilma atmosfäärita Maal paistaks Päike meile heleda valge tähena ja taevas oleks must.
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Ebatavalised nähtused
https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt=" Polaartuled" align="left" width="140" height="217 src="> Aurorad Alates iidsetest aegadest on inimesed imetlenud aurorade majesteetlikku pilti ja imestanud nende päritolu. Üks varasemaid aurora mainimisi leidub Aristoteleses. Tema 2300 aastat tagasi kirjutatud “Meteoroloogiast” võib lugeda: “Mõnikord on selgetel öödel taevas märgata palju nähtusi - lünki, lünki, veripunast värvi...
Tundub, et seal põleb tuli."
Miks selge valgusvihk öösel lainetab?
Milline õhuke leek levib taevalaotusesse?
Nagu välk ilma ähvardavate pilvedeta
Maapinnast seniidi poole püüdlemine?
Kuidas saab olla, et külmunud pall
Kas keset talve oli tulekahju?
Mis on aurora? Kuidas see moodustub?
Vastus. Aurora on luminestseeruv helk, mis tuleneb Päikeselt lendavate laetud osakeste (elektronid ja prootonid) koosmõjul aatomite ja molekulidega maa atmosfäär. Nende laetud osakeste ilmumine teatud atmosfääri piirkondadesse ja teatud kõrgustele on vastastikmõju tulemus päikese tuul Koos magnetväli Maa.
Aerosool" href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">tolmu ja niiskuse aerosool, mis on lagunemise peamine põhjus päikeseline värv(dispersioon). Seniidiasendis toimub päikesekiire langemine õhu aerosoolikomponentidele peaaegu täisnurga all, nende kiht vaatleja silmade ja päikese vahel on ebaoluline. Mida madalamale päike horisondile laskub, seda rohkem suureneb kihi paksus atmosfääriõhk ja selles sisalduva aerosooli suspensiooni kogus. Päikesekiired, muutke vaatleja suhtes hõljuvate osakeste langemisnurka ja seejärel täheldatakse päikesevalguse hajumist. Niisiis, nagu eespool mainitud, koosneb päikesevalgus seitsmest põhivärvist. Igal värvil, nagu elektromagnetlainel, on oma pikkus ja võime atmosfääris hajuda. Spektri põhivärvid on järjestatud skaalal punasest violetseni. Väikseim võime Punane värv on vastuvõtlik atmosfääri hajumisele (ja seega ka neeldumisele). Dispersiooninähtuse korral hajuvad kõik skaalal punasele järgnevad värvid aerosoolsuspensiooni komponentide poolt laiali ja neelduvad neisse. Vaatleja näeb ainult punast värvi. See tähendab, et mida paksem on atmosfääriõhu kiht, seda suurem on hõljuva aine tihedus, seda rohkem spektrikiiri hajub ja neeldub. Kuulus loodusnähtus: pärast Krakatoa vulkaani võimsat purset 1883. aastal, in erinevad kohad mitme aasta jooksul täheldati ebatavaliselt eredaid punaseid päikeseloojanguid. Seda seletatakse vulkaanilise tolmu võimsa eraldumisega atmosfääri purske ajal.
Ma arvan, et minu uurimistöö sellega ei lõpe. Mul on veel küsimusi. Ma tahan teada:
Mis juhtub, kui valguskiired läbivad erinevaid vedelikke ja lahuseid;
Kuidas valgus peegeldub ja neeldub.
Selle töö lõpetades veendusin, kui palju hämmastavaid ja kasulikke asju seal on praktiline tegevus võib hõlmata valguse murdumise nähtust. Just see võimaldas mul mõista, miks päikeseloojang on punane.
Kirjandus
1. , Füüsika. Keemia. 5-6 klassi Õpik. M.: Bustard, 2009, lk 106
2. Damaski terasest nähtused looduses. M.: Haridus, 1974, 143 lk.
3. "Kes teeb vikerkaare?" – Kvant 1988, nr 6, lk 46.
4. Newton I. Optika loengud. Tarasov looduses. – M.: Haridus, 1988
Interneti-ressursid:
1. http://potoomia. ru/ Miks on taevas sinine?
2. http://www. voprosy-kak-i-pochemu. ru Miks on taevas sinine?
3. http://kogemus. ru/kategooria/haridus/