Hvorfor himmelen er blå. Hvorfor er solen gul? Disse spørsmålene, så naturlige, har dukket opp foran mennesket siden antikken. Men for å få en korrekt forklaring på disse fenomenene, tok det innsatsen fra fremragende forskere fra middelalderen og senere, til slutten av 1800-tallet.
Hvilke hypoteser fantes? Hvilke hypoteser har ikke blitt fremsatt i annen tid for å forklare fargen på himmelen. 1. hypotese Ved å observere hvordan røyk mot bakgrunnen av en mørk peis får en blåaktig farge, skrev Leonardo da Vinci: ... lyshet over mørke blir blått, jo vakrere lys og mørke er utmerket " Goethe holdt seg til omtrent samme punkt view, som ikke bare var en verdensberømt poet, men også den største naturvitenskapsmannen i sin tid. Denne forklaringen på himmelens farge viste seg imidlertid å være uholdbar, siden det ble åpenbart senere, blandet svart og hvitt. kan bare gi gråtoner, og ikke den blå fargen på røyk fra en peis er forårsaket av en helt annen prosess.
Hvilke hypoteser fantes? Hypotese 2 Etter oppdagelsen av interferens, spesielt i tynne filmer, prøvde Newton å bruke interferens for å forklare fargen på himmelen. For å gjøre dette måtte han anta at vanndråper har form av tynnveggede bobler, som såpebobler. Men siden vanndråpene i atmosfæren faktisk er sfærer, brast også denne hypotesen snart.» såpeboble.
Hvilke hypoteser fantes? 3 hypotese Forskere på 1700-tallet. Marriott, Bouguer, Euler mente at den blå fargen på himmelen ble forklart av den iboende fargen til luftens bestanddeler. Denne forklaringen fikk til og med en viss bekreftelse senere, allerede på 1800-tallet, da det ble slått fast at flytende oksygen er blå i fargen, og flytende ozon er blå. O. B. Saussure kom nærmest den riktige forklaringen på himmelfargen. Han mente at hvis luften var helt ren, ville himmelen være svart, men luften inneholder urenheter som reflekterer overveiende blå farge (spesielt vanndamp og vanndråper).
Resultater av studien: Den første til å lage en slank, streng matematisk teori molekylær spredning av lys i atmosfæren, var engelsk vitenskapsmann Rayleigh. Han mente at lysspredning ikke skjer på urenheter, slik forgjengerne trodde, men på selve luftmolekylene. For å forklare fargen på himmelen presenterer vi bare én av konklusjonene til Rayleighs teori:
Resultatene av studien: fargen på blandingen av spredte stråler vil være blå. Lysstyrken, eller intensiteten, av det spredte lyset varierer i omvendt proporsjon med den fjerde potensen av bølgelengden til lyset som faller inn på spredningspartikkelen. Dermed er molekylær spredning ekstremt følsom for den minste endring i lysets bølgelengde. For eksempel er bølgelengden til fiolette stråler (0,4 μm) omtrent halvparten av bølgelengden til røde stråler (0,8 μm). Derfor vil fiolette stråler bli spredt 16 ganger mer enn røde, og når lik intensitet Det vil være 16 ganger flere innfallende stråler i spredt lys. Alle andre fargede stråler i det synlige spekteret (blå, cyan, grønn, gul, oransje) vil bli inkludert i det spredte lyset i mengder omvendt proporsjonal med fjerde potens av bølgelengden til hver av dem. Hvis nå alle fargede spredte stråler er blandet i dette forholdet, vil fargen på blandingen av spredte stråler være blå
Litteratur: S.V. Zvereva In the world of sunlight L., Gidrometeoizdat, 1988
Gleden ved å se og forstå
er naturens vakreste gave.
Albert Einstein
Mysteriet med den himmelblå
Hvorfor er himmelen blå?...
Det er ingen slik person som ikke har tenkt på dette minst en gang i livet. Middelalderske tenkere prøvde allerede å forklare opprinnelsen til himmelfargen. Noen av dem foreslo det Blå farge- Dette ekte farge luft eller en hvilken som helst av dens gasser. Andre mente at den virkelige fargen på himmelen var svart – slik den ser ut om natten. I løpet av dagen kombineres den svarte fargen på himmelen med den hvite fargen på solstrålene, og resultatet er ... blått.
Nå vil du kanskje ikke møte en person som, som ønsker å få blå maling, vil blande svart og hvitt. Og det var en tid da lovene for fargeblanding fortsatt var uklare. De ble installert for bare tre hundre år siden av Newton.
Newton ble interessert i mysteriet himmelblå. Han begynte med å avvise alle tidligere teorier.
For det første, hevdet han, produserer en blanding av hvitt og svart aldri blått. For det andre er blått ikke den sanne fargen på luft i det hele tatt. Hvis dette var slik, ville ikke solen og månen ved solnedgang virke røde, slik de egentlig er, men blå. Slik ville toppene av fjerne snødekte fjell se ut.
Tenk deg at luften er farget. Selv om den er veldig svak. Da ville et tykt lag av det virke som malt glass. Og hvis du ser gjennom malt glass, vil alle gjenstander se ut til å ha samme farge som dette glasset. Hvorfor ser fjerne snødekte topper rosa ut for oss, og ikke blå i det hele tatt?
I striden med sine forgjengere var sannheten på Newtons side. Han beviste at luften ikke er farget.
Men likevel løste han ikke gåten om det himmelske asurblått. Han ble forvirret av regnbuen, et av de vakreste, poetiske naturfenomenene. Hvorfor dukker den plutselig opp og forsvinner like uventet? Newton kunne ikke være fornøyd med den rådende overtroen: en regnbue er et tegn ovenfra, den varsler godt vær. Han søkte å finne den materielle årsaken til ethvert fenomen. Han fant også årsaken til regnbuen.
Regnbuer er et resultat av lysbrytning i regndråper. Etter å ha forstått dette, var Newton i stand til å beregne formen på regnbuebuen og forklare rekkefølgen av regnbuens farger. Teorien hans kunne ikke forklare bare utseendet til en dobbel regnbue, men dette ble gjort bare tre århundrer senere ved hjelp av en veldig kompleks teori.
Suksessen til regnbueteorien hypnotiserte Newton. Han bestemte feilaktig at den blå fargen på himmelen og regnbuen var forårsaket av samme grunn. En regnbue bryter virkelig ut når solens stråler bryter gjennom en sverm av regndråper. Men himmelens blåhet er synlig ikke bare i regnet! Tvert imot er det i klarvær, når det ikke en gang er snev av regn, at himmelen er spesielt blå. Hvordan la ikke den store vitenskapsmannen merke til dette? Newton mente at bittesmå vannbobler, som ifølge hans teori kun utgjorde den blå delen av regnbuen, fløt i luften uansett vær. Men dette var en vrangforestilling.
Første løsning
Nesten 200 år gikk, og en annen engelsk vitenskapsmann tok opp dette problemet - Rayleigh, som ikke var redd for at oppgaven var utenfor makten til selv den store Newton.
Rayleigh studerte optikk. Og mennesker som vier livet sitt til studiet av lys, tilbringer mye tid i mørket. Uvedkommende lys forstyrrer de fineste eksperimentene, så vinduene i det optiske laboratoriet er nesten alltid dekket med svarte, ugjennomtrengelige gardiner.
Rayleigh ble værende i timevis i det dystre laboratoriet sitt alene med lysstråler som slapp ut av instrumentene. I strålenes bane virvlet de som levende støvflekker. De var sterkt opplyst og skilte seg derfor ut mot den mørke bakgrunnen. Vitenskapsmannen kan ha brukt lang tid på å se på deres jevne bevegelser, akkurat som en person ser på gnistspillet i en peis.
Var det ikke disse støvflekkene som danset i lysstrålene som ga Rayleigh en ny idé om opprinnelsen til himmelfargen?
Selv i gamle tider ble det kjent at lys beveger seg i en rett linje. Denne viktige oppdagelsen kunne ha blitt gjort av det primitive mennesket, og observerte hvordan solstrålene falt på veggene og gulvet, da de brøt gjennom sprekker i hytta.
Men han var neppe plaget av tanken på hvorfor han ser lysstråler, ser på dem fra siden. Og her er det noe å tenke på. Tross alt stråler sollys fra sprekken til gulvet. Observatørens øye er plassert til siden og ser likevel dette lyset.
Vi ser også lys fra et søkelys rettet mot himmelen. Dette betyr at en del av lyset på en eller annen måte avvikes fra den direkte banen og ledes inn i øyet vårt.
Hva får ham på avveie? Det viser seg at dette er selve støvflekkene som fyller luften. Stråler som er spredt av en støvflekk og stråler kommer inn i øyet vårt, som ved å møte hindringer svinger av veien og sprer seg i en rett linje fra det spredende støvflekket til øyet vårt.
"Er det disse støvflekkene som farger himmelen blå?" – tenkte Rayleigh en dag. Han gjorde regnestykket og gjetningen ble til en visshet. Han fant en forklaring på den blå fargen på himmelen, røde daggry og blå dis! Vel, selvfølgelig, de minste støvkornene, hvis størrelse er mindre enn lysets bølgelengde, sprer sollys og jo kortere bølgelengden er, jo sterkere, kunngjorde Rayleigh i 1871. Og siden fiolette og blå stråler i det synlige solspekteret har kortest bølgelengde, spres de sterkest, og gir himmelen en blå farge.
Solen og snødekte topper fulgte denne beregningen til Rayleigh. De bekreftet til og med forskerens teori. Ved soloppgang og solnedgang, når sollys passerer gjennom den største tykkelsen av luft, spres fiolette og blå stråler, sier Rayleighs teori, sterkest. Samtidig avviker de fra den rette veien og fanger ikke øyet til observatøren. Observatøren ser hovedsakelig røde stråler, som er spredt mye svakere. Det er derfor solen ser rød ut for oss ved soloppgang og solnedgang. Av samme grunn ser toppene av fjerne snødekte fjell rosa ut.
Ser på klar himmel, ser vi blå-blå stråler som avviker på grunn av spredning fra rett vei og komme inn i øynene våre. Og disen som vi noen ganger ser nær horisonten virker også blå for oss.
Irriterende bagatell
Er ikke det en vakker forklaring? Rayleigh selv ble så revet med av det, forskerne ble så overrasket over harmonien i teorien og Rayleighs seier over Newton at ingen av dem la merke til en enkel ting. Denne bagatellen burde imidlertid ha endret deres vurdering fullstendig.
Hvem vil benekte at langt fra byen, hvor det er mye mindre støv i luften, er den blå fargen på himmelen spesielt klar og lys? Det var vanskelig for Rayleigh selv å benekte dette. Derfor... er det ikke støvpartikler som sprer lys? Hva så?
Han gjennomgikk alle beregningene sine på nytt og ble overbevist om at ligningene hans var riktige, men dette betydde at spredningspartiklene faktisk ikke var støvkorn. I tillegg er støvkornene som er tilstede i luften mye lengre enn lysets bølgelengde, og beregninger overbeviste Rayleigh om at stor klynge Blåheten på himmelen forsterker dem ikke, men tvert imot, svekker dem. Spredningen av lys av store partikler avhenger svakt av bølgelengden og forårsaker derfor ikke en endring i fargen.
Når lys spres på store partikler, forblir både det spredte og transmitterte lyset hvitt, derfor gir utseendet av store partikler i luften himmelen en hvitaktig farge, og akkumuleringen stor kvantitet Store dråper forårsaker den hvite fargen på skyer og tåke. Dette er enkelt å sjekke på en vanlig sigarett. Røyken som kommer ut av den fra munnstykket virker alltid hvitaktig, og røyken som stiger opp fra dens brennende ende er blåaktig i fargen.
De minste røykpartiklene som stiger opp fra den brennende enden av en sigarett er mindre enn lysets bølgelengde og sprer, ifølge Rayleighs teori, hovedsakelig fiolette og blå farger. Men når de passerer gjennom trange kanaler i tykkelsen av tobakk, kleber røykpartikler seg sammen (koagulerer), og forenes til større klumper. Mange av dem blir større enn lysets bølgelengder, og de sprer alle lysets bølgelengder omtrent likt. Dette er grunnen til at røyken som kommer fra munnstykket virker hvitaktig.
Ja, det var nytteløst å argumentere og forsvare en teori basert på støvflekker.
Så det er et mysterium blå farge himmelen dukket opp igjen foran forskerne. Men Rayleigh ga ikke opp. Hvis den blå fargen på himmelen er jo renere og lysere jo renere atmosfæren er, resonnerer han, så kan ikke fargen på himmelen være forårsaket av noe annet enn selve luftens molekyler. Luftmolekyler, skrev han i sine nye artikler, er disse små partikler som sprer solens lys!
Denne gangen var Rayleigh veldig forsiktig. Før han rapporterte sin nye idé, bestemte han seg for å teste den, for på en eller annen måte å sammenligne teorien med erfaring.
Muligheten bød seg i 1906. Rayleigh fikk hjelp av den amerikanske astrofysikeren Abbott, som studerte himmelens blå glød ved Mount Wilson-observatoriet. Ved å behandle resultatene av å måle himmelens lysstyrke basert på Rayleigh-spredningsteorien, beregnet Abbott antall molekyler i hver kubikkcentimeter luft. Det viste seg å være et enormt antall! Det er nok å si at hvis disse molekylene ble distribuert til alle menneskene som bodde Jord, da vil alle få mer enn 10 milliarder av disse molekylene. Kort fortalt oppdaget Abbott at hver kubikkcentimeter luft ved normal atmosfærisk temperatur og trykk inneholder 27 milliarder ganger en milliard molekyler.
Antall molekyler i en kubikkcentimeter gass kan bestemmes på forskjellige måter basert på helt forskjellige og uavhengige fenomener. De fører alle til tett samsvarende resultater og gir et tall som kalles Loschmidt-nummeret.
Dette tallet er velkjent for forskere, og mer enn én gang har det fungert som et mål og kontroll for å forklare fenomener som oppstår i gasser.
Og så tallet oppnådd av Abbott når han målte himmelens glød falt sammen med Loschmidts tall med stor nøyaktighet. Men i sine beregninger brukte han Rayleigh-spredningsteorien. Dermed beviste dette klart at teorien var riktig, molekylær spredning av lys eksisterer virkelig.
Det så ut til at Rayleighs teori ble pålitelig bekreftet av erfaring; alle forskere anså det som upåklagelig.
Det ble allment akseptert og ble inkludert i alle lærebøker om optikk. Man kunne puste lettet ut: Endelig var det funnet en forklaring på et fenomen som var så kjent og samtidig mystisk.
Det er desto mer overraskende at i 1907, på sidene til den berømte vitenskapelig tidsskrift Spørsmålet ble igjen reist: hvorfor er himmelen blå?!.
Tvist
Hvem våget å stille spørsmål ved den allment aksepterte Rayleigh-teorien?
Merkelig nok var dette en av Rayleighs mest ivrige beundrere og beundrere. Kanskje ingen satte så stor pris på og forsto Rayleigh, kjente verkene hans så godt og var ikke like interessert i hans vitenskapelige arbeid som den unge russiske fysikeren Leonid Mandelstam.
"Karakteren til Leonid Isaakovichs sinn," husket en annen sovjetisk vitenskapsmann, akademiker N.D. senere. Papaleksi - hadde mye til felles med Rayleigh. Og det er ingen tilfeldighet at veiene til deres vitenskapelige kreativitet ofte gikk parallelt og gjentatte ganger krysset.
De krysset seg også denne gangen på spørsmålet om opprinnelsen til himmelfargen. Før dette var Mandelstam hovedsakelig interessert i radioteknikk. For begynnelsen av vårt århundre var det absolutt nytt område vitenskap, og få mennesker forsto det. Etter oppdagelsen av A.S. Popov (i 1895) hadde bare gått noen få år, og det var ingen ende på slutten av arbeidet. I løpet av en kort periode utførte Mandelstam mye seriøs forskning på feltet elektromagnetiske vibrasjoner i forhold til radiotekniske enheter. I 1902 disputerte han og mottok som 23-åring doktorgraden i naturfilosofi fra universitetet i Strasbourg.
Mens han behandlet spørsmålene om eksitasjon av radiobølger, studerte Mandelstam naturligvis verkene til Rayleigh, som var en anerkjent autoritet i studien oscillerende prosesser. Og den unge legen ble uunngåelig kjent med problemet med å farge himmelen.
Men etter å ha blitt kjent med spørsmålet om fargen på himmelen, viste Mandelstam ikke bare feilslutningen, eller, som han selv sa, "mangeligheten" til den allment aksepterte teorien om molekylær lysspredning av Rayleigh, ikke bare avslørte hemmeligheten av himmelens blå farge, men la også grunnlaget for forskning som førte til en av de viktigste funnene fysikk i det XX århundre.
Det hele startet med en disputt in absentia med en av de ledende fysikerne, far kvanteteori, M. Planck. Da Mandelstam ble kjent med Rayleighs teori, fanget den ham med dens tilbakeholdenhet og indre paradokser, som den gamle, svært erfarne Rayleigh ikke la merke til, til den unge fysikerens overraskelse. Mangelen på Rayleighs teori ble spesielt tydelig avslørt når man analyserte en annen teori, bygget på dens grunnlag av Planck for å forklare demping av lys når den passerer gjennom et optisk homogent gjennomsiktig medium.
I denne teorien ble det lagt til grunn at selve molekylene i stoffet som lyset passerer er kilder til sekundære bølger. For å skape disse sekundære bølgene, hevdet Planck, brukes en del av energien til den passerende bølgen, som blir dempet. Vi ser at denne teorien er basert på Rayleigh-teorien om molekylær spredning og er avhengig av dens autoritet.
Den enkleste måten å forstå essensen av saken er ved å se på bølgene på overflaten av vannet. Hvis en bølge møter stasjonære eller flytende objekter (hauger, tømmerstokker, båter osv.), så sprer små bølger seg i alle retninger fra disse objektene. Dette er ikke annet enn spredning. En del av energien til den innfallende bølgen brukes på spennende sekundærbølger, som er ganske lik spredt lys i optikk. I dette tilfellet er den første bølgen svekket - den blekner.
Flytende gjenstander kan være mye mindre enn bølgelengden som beveger seg gjennom vannet. Selv små korn vil forårsake sekundære bølger. Selvfølgelig, når partikkelstørrelsen minker, svekkes sekundærbølgene de danner, men de vil fortsatt ta bort energien til hovedbølgen.
Det er omtrent slik Planck forestilte seg prosessen med å svekke en lysbølge når den passerer gjennom en gass, men rollen til korn i teorien hans ble spilt av gassmolekyler.
Mandelstam ble interessert i dette arbeidet til Planck.
Mandelstams tankegang kan også forklares ved å bruke eksemplet med bølger på vannoverflaten. Du må bare se mer nøye på det. Så selv små korn som flyter på overflaten av vannet er kilder til sekundære bølger. Men hva vil skje hvis disse kornene helles så tykt at de dekker hele vannets overflate? Da vil det vise seg at individuelle sekundærbølger forårsaket av tallrike korn vil legge seg sammen på en slik måte at de helt vil slukke de delene av bølgene som går til sidene og bakover, og spredningen vil stoppe. Alt som gjenstår er en bølge som løper fremover. Hun vil løpe fremover uten å svekkes i det hele tatt. Det eneste resultatet av tilstedeværelsen av hele massen av korn vil være en liten reduksjon i forplantningshastigheten til primærbølgen. Det er spesielt viktig at alt dette ikke er avhengig av om kornene er ubevegelige eller om de beveger seg langs vannoverflaten. Tilslaget av korn vil ganske enkelt fungere som en belastning på overflaten av vannet, og endre tettheten til det øvre laget.
Mandelstam gjorde en matematisk beregning for tilfellet når antallet molekyler i luften er så stort at selv et så lite område som lysets bølgelengde inneholder et veldig stort antall molekyler. Det viste seg at i dette tilfellet vil sekundære lysbølger eksitert av individuelle kaotisk bevegelige molekyler legge seg opp på samme måte som bølgene i eksemplet med korn. Dette betyr at i dette tilfellet forplanter lysbølgen seg uten spredning og demping, men med litt lavere hastighet. Dette tilbakeviste teorien til Rayleigh, som mente at bevegelsen av spredningspartikler i alle tilfeller sikrer spredning av bølger, og derfor tilbakeviste Plancks teori basert på den.
Dermed ble sand oppdaget under grunnlaget for spredningsteorien. Alle majestetisk bygning ristet og truet med å kollapse.
Tilfeldighet
Men hva med å bestemme Loschmidt-tallet fra målinger av himmelens blå glød? Tross alt bekreftet erfaring Rayleigh-teorien om spredning!
"Denne tilfeldigheten bør betraktes som tilfeldig," skrev Mandelstam i 1907 i sitt arbeid "On Optically Homogeneous and Turbid Media."
Mandelstam viste at tilfeldig bevegelse av molekyler ikke kan gjøre en gass homogen. Tvert imot, i ekte gass er det alltid små sjeldnere og komprimeringer dannet som et resultat av kaotisk termisk bevegelse. Det er de som fører til spredning av lys, da de forstyrrer luftens optiske homogenitet. I det samme arbeidet skrev Mandelstam:
"Hvis mediet er optisk inhomogent, vil generelt sett det innfallende lyset også bli spredt til sidene."
Men siden størrelsen på inhomogeniteter som oppstår som følge av kaotisk bevegelse er mindre enn lengden på lysbølger, vil bølgene som tilsvarer de fiolette og blå delene av spekteret være spredt hovedsakelig. Og dette fører spesielt til den blå fargen på himmelen.
Dermed ble gåten om det himmelske asurblå til slutt løst. Teoretisk del ble utviklet av Rayleigh. Fysisk natur diffusorer ble installert av Mandelstam.
Mandelstams store fortjeneste ligger i det faktum at han beviste at antagelsen om perfekt homogenitet til en gass er uforenlig med det faktum at lysspredning i den. Han innså at den blå fargen på himmelen beviste at homogeniteten til gasser bare var tilsynelatende. Mer presist virker gasser homogene bare når de undersøkes med råinstrumenter, som et barometer, vekter eller andre instrumenter som påvirkes av mange milliarder molekyler på en gang. Men lysstrålen registrerer uforlignelig mindre mengder molekyler, kun målt i titusenvis. Og dette er nok til å fastslå uten tvil at tettheten til gassen kontinuerlig er gjenstand for små lokale endringer. Derfor er et medium som er homogent fra vårt «grove» ståsted i realiteten heterogent. Fra "lysets synspunkt" virker det overskyet og sprer derfor lys.
Tilfeldige lokale endringer i egenskapene til et stoff, som følge av termisk bevegelse av molekyler, kalles nå fluktuasjoner. Etter å ha oppdaget fluktuasjonsopprinnelsen til molekylær lysspredning, banet Mandelstam vei for en ny metode for å studere materie - fluktuasjons- eller statistisk metode, som senere ble utviklet av Smoluchowski, Lorentz, Einstein og ham selv til en ny stor avdeling for fysikk - statistisk fysikk .
Himmelen skal glitre!
Så hemmeligheten bak den blå fargen på himmelen ble avslørt. Men studiet av lysspredning stoppet ikke der. Mandelstam trakk oppmerksomhet til nesten umerkelige endringer i lufttetthet og forklarte fargen på himmelen ved fluktuasjonsspredning av lys, og oppdaget med sin sterke sans for en vitenskapsmann et nytt, enda mer subtilt trekk ved denne prosessen.
Tross alt er luftinhomogeniteter forårsaket av tilfeldige svingninger i dens tetthet. Størrelsen på disse tilfeldige inhomogenitetene og tettheten til klumpene endres over tid. Derfor, resonnerte forskeren, bør intensiteten – styrken til det spredte lyset – også endre seg over tid! Tross alt, jo tettere klumper av molekyler er, jo mer intenst blir lyset spredt på dem. Og siden disse klumpene dukker opp og forsvinner kaotisk, burde himmelen, enkelt sagt, glitre! Styrken til gløden og fargen bør endres hele tiden (men veldig svakt)! Men har noen noen gang lagt merke til et slikt flimmer? Selvfølgelig ikke.
Denne effekten er så subtil at du ikke kan merke den med det blotte øye.
Ingen av forskerne har observert en slik endring i himmelens glød heller. Mandelstam selv hadde ikke mulighet til å verifisere konklusjonene i sin teori. Organiseringen av komplekse eksperimenter ble i utgangspunktet hemmet av dårlige forhold Tsar-Russland, og deretter vanskelighetene i de første årene av revolusjonen, utenlandsk intervensjon og borgerkrig.
I 1925 ble Mandelstam leder for avdelingen ved Moskva universitet. Her møtte han den fremragende vitenskapsmannen og dyktige eksperimenteren Grigory Samuilovich Landsberg. Og så, bundet av dypt vennskap og felles vitenskapelige interesser, fortsatte de sammen angrepet på hemmelighetene skjult i de svake strålene av spredt lys.
De optiske laboratoriene ved universitetet i disse årene var fortsatt svært fattige på instrumenter. Det var ikke et eneste instrument ved universitetet som var i stand til å oppdage flimring av himmelen eller de små forskjellene i frekvenser av hendelse og spredt lys som teorien forutså var resultatet av denne flimringen.
Dette stoppet imidlertid ikke forskerne. De forlot ideen om å simulere himmelen i laboratoriemiljø. Dette ville bare komplisere en allerede subtil opplevelse. De bestemte seg for ikke å studere hvitspredning - komplekst lys, men spredning av stråler av en, strengt definert frekvens. Hvis de vet nøyaktig frekvensen til det innfallende lyset, vil det være mye lettere å se etter de frekvensene i nærheten som bør oppstå under spredning. I tillegg antydet teorien at observasjoner var lettere å gjøre faste stoffer, siden molekylene i dem befinner seg mye nærmere hverandre enn i gasser, og jo tettere stoffet er, desto større er spredningen.
Et møysommelig søk begynte for de fleste passende materialer. Til slutt falt valget på kvartskrystaller. Rett og slett fordi store klare kvartskrystaller er rimeligere enn noen andre.
Det varte i to år forberedende eksperimenter, de reneste prøvene av krystaller ble valgt, teknikken ble forbedret, det ble etablert tegn som det var mulig å ubestridelig skille spredning på kvartsmolekyler fra spredning på tilfeldige inneslutninger, krystallinhomogeniteter og urenheter.
Vett og arbeid
I mangel av kraftig utstyr for spektralanalyse, valgte forskerne en genial løsning som skulle gjøre det mulig å bruke eksisterende instrumenter.
Hovedvanskeligheten i dette arbeidet var at det svake lyset forårsaket av molekylær spredning ble overlappet av mye sterkere lys spredt av små urenheter og andre defekter i krystallprøvene som ble oppnådd for eksperimentene. Forskerne bestemte seg for å utnytte det faktum at spredt lys dannet av krystalldefekter og refleksjoner fra ulike deler innstillingene samsvarer nøyaktig med frekvensen til det innfallende lyset. De var kun interessert i lys med en frekvens endret i samsvar med Mandelstams teori. Oppgaven var derfor å fremheve lyset til en endret frekvens forårsaket av molekylær spredning mot bakgrunnen av dette mye skarpere lyset.
For å sikre at det spredte lyset hadde en styrke som kunne oppdages, bestemte forskerne seg for å belyse kvartsen med den kraftigste belysningsanordningen som er tilgjengelig for dem: en kvikksølvlampe.
Så lyset som er spredt i krystallen må bestå av to deler: svakt lys med endret frekvens, på grunn av molekylær spredning (studiet av denne delen var målet for forskere), og mye sterkere lys med uendret frekvens, forårsaket av fremmede årsaker (dette del var skadelig, det gjorde forskning vanskelig).
Ideen om metoden var attraktiv på grunn av dens enkelhet: det er nødvendig å absorbere lys med konstant frekvens og bare sende lys med endret frekvens inn i spektralapparatet. Men frekvensforskjellene var bare noen få tusendeler av en prosent. Ingen laboratorium i verden hadde et filter som var i stand til å separere så nære frekvenser. En løsning ble imidlertid funnet.
Spredt lys ble ført gjennom et kar som inneholdt kvikksølvdamp. Som et resultat ble alt det "skadelige" lyset "fast" i fartøyet, og det "nyttige" lyset passerte uten merkbar demping. Eksperimentørene utnyttet en allerede kjent omstendighet. Et materieatom, som kvantefysikken hevder, er i stand til å sende ut lysbølger bare ved svært spesifikke frekvenser. Samtidig er dette atomet i stand til å absorbere lys. Dessuten er det bare lysbølger av de frekvensene som han selv kan sende ut.
I en kvikksølvlampe sendes lys ut av kvikksølvdamp, som lyser under påvirkning elektrisk utladning, som forekommer inne i lampen. Hvis dette lyset føres gjennom et kar som også inneholder kvikksølvdamp, vil det nesten bli fullstendig absorbert. Det teorien spår vil skje: kvikksølvatomene i karet vil absorbere lyset som sendes ut av kvikksølvatomene i lampen.
Lys fra andre kilder, for eksempel en neonlampe, vil passere gjennom kvikksølvdamp uskadd. Kvikksølvatomene vil ikke engang ta hensyn til det. Selv den delen av verden vil ikke bli absorbert kvikksølvlampe, som spredte seg i kvarts med en endring i bølgelengde.
Det var denne beleilige omstendigheten Mandelstam og Landsberg utnyttet.
Utrolig oppdagelse
I 1927 begynte avgjørende eksperimenter. Forskere belyste en kvartskrystall med lyset fra en kvikksølvlampe og behandlet resultatene. Og... de ble overrasket.
Resultatene av eksperimentet var uventede og uvanlige. Det forskerne oppdaget var ikke i det hele tatt det de forventet, ikke det som ble forutsagt av teorien. De oppdaget et helt nytt fenomen. Men hvilken? Og er ikke dette en feil? Det spredte lyset avslørte ikke de forventede frekvensene, men mye høyere og lavere frekvenser. En hel kombinasjon av frekvenser dukket opp i spekteret av spredt lys som ikke var tilstede i lyset som falt inn på kvartsen. Det var rett og slett umulig å forklare deres utseende med optiske inhomogeniteter i kvarts.
En grundig sjekk begynte. Eksperimentene ble utført feilfritt. De ble unnfanget så vittige, perfekte og oppfinnsomme at man ikke kunne annet enn å beundre dem.
"Leonid Isaakovich løste noen ganger veldig vanskelige tekniske problemer så vakkert og noen ganger briljant enkelt at hver av oss ufrivillig stilte spørsmålet: "Hvorfor har dette ikke skjedd meg før?" – sier en av de ansatte.
Variert kontrolleksperimenter konstant bekreftet at det ikke var noen feil. På fotografier av spekteret av spredt lys dukket det vedvarende opp svake og likevel ganske tydelige linjer, noe som indikerer tilstedeværelsen av "ekstra" frekvenser i det spredte lyset.
I mange måneder har forskere lett etter en forklaring på dette fenomenet. Hvor dukket "fremmede" frekvenser opp i det spredte lyset?!
Og dagen kom da Mandelstam ble truffet av en utrolig gjetning. Det var en fantastisk oppdagelse, den samme som nå regnes som en av de viktigste funnene på 1900-tallet.
Men både Mandelstam og Landsberg kom til en enstemmig avgjørelse om at denne oppdagelsen først kunne publiseres etter en solid sjekk, etter en uttømmende penetrasjon i dypet av fenomenet. De siste eksperimentene har begynt.
Ved hjelp av solen
16. februar ble de indiske forskerne C.N. Raman og K.S. Krishnan sendte et telegram fra Calcutta til dette magasinet med Kort beskrivelse av hans oppdagelse.
I disse årene strømmet brev fra hele verden til Nature magazine om en rekke funn. Men ikke alle meldinger er bestemt til å skape begeistring blant forskere. Da problemet med brevet fra indiske forskere kom ut, var fysikerne veldig spente. Tittelen på notatet alene er " Ny type sekundær stråling» – vekket interesse. Tross alt er optikk en av de eldste vitenskapene det var ikke ofte mulig å oppdage noe ukjent i den på 1900-tallet.
Man kan tenke seg med hvilken interesse fysikere over hele verden ventet på nye brev fra Calcutta.
Interessen deres ble i stor grad drevet av selve personligheten til en av forfatterne av oppdagelsen, Raman. Dette er en mann med en merkelig skjebne og en ekstraordinær biografi, veldig lik Einsteins. Einstein var i sin ungdom en enkel gymlærer, og deretter ansatt ved patentkontoret. Det var i denne perioden han fullførte de mest betydningsfulle verkene sine. Raman, en strålende fysiker, også etter å ha uteksaminert seg fra universitetet, ble tvunget til å tjene i finansavdelingen i ti år, og først etter det ble han invitert til avdelingen ved Calcutta University. Raman ble snart den anerkjente lederen for den indiske fysikerskolen.
Kort tid før de beskrevne hendelsene ble Raman og Krishnan interessert i en nysgjerrig oppgave. På den tiden hadde lidenskapene forårsaket av oppdagelsen i 1923 ennå ikke lagt seg Amerikansk fysiker Compton, som, mens han studerte passasjen av røntgenstråler gjennom materie, oppdaget at noen av disse strålene, som sprer seg bort fra den opprinnelige retningen, øker bølgelengden. Oversatt til optikkspråket kan vi si at røntgenstråler, som kolliderte med molekylene til et stoff, endret deres "farge".
Dette fenomenet ble lett forklart av lovene kvantefysikk. Derfor var Comptons oppdagelse et av de avgjørende bevisene på riktigheten av den unge kvanteteorien.
Vi bestemte oss for å prøve noe lignende, men i optikk. oppdaget av indiske forskere. De ønsket å føre lys gjennom et stoff og se hvordan dets stråler ville bli spredt på molekylene til stoffet og om deres bølgelengde ville endre seg.
Som du kan se, villig eller uvillig, har indiske forskere satt seg den samme oppgaven som sovjetiske forskere. Men målene deres var forskjellige. I Calcutta lette de etter en optisk analogi av Compton-effekten. I Moskva - eksperimentell bekreftelse av Mandelstams prediksjon av endringen i frekvens når lyset spres av fluktuerende inhomogeniteter.
Raman og Krishnan designet et komplekst eksperiment fordi den forventede effekten var ekstremt liten. Eksperimentet krevde en veldig sterk lyskilde. Og så bestemte de seg for å bruke solen og samle strålene ved hjelp av et teleskop.
Diameteren på linsen var atten centimeter. Forskerne ledet det innsamlede lyset gjennom et prisme på kar som inneholdt væsker og gasser som var grundig renset for støv og andre forurensninger.
Men for å oppdage den forventede lille bølgelengdeforlengelsen av spredt lys ved hjelp av hvitt sollys, som inneholder praktisk talt alle mulige bølgelengder, var håpløs. Derfor bestemte forskerne seg for å bruke lysfiltre. De plasserte et blåfiolett filter foran linsen og observerte det spredte lyset gjennom et gulgrønt filter. De bestemte seg med rette for at det det første filteret ville slippe gjennom ville sette seg fast i det andre. Tross alt absorberer det gulgrønne filteret de blåfiolette strålene som overføres av det første filteret. Og begge, plassert bak hverandre, skal absorbere alt innfallende lys. Hvis noen stråler faller inn i øyet til observatøren, vil det være mulig å si med sikkerhet at de ikke var i det innfallende lyset, men ble født i stoffet som studeres.
Columbus
Faktisk, i det spredte lyset, oppdaget Raman og Krishnan stråler som passerte gjennom det andre filteret. De spilte inn ekstra frekvenser. Dette kan i prinsippet være den optiske Compton-effekten. Det vil si at når det spres på molekylene til et stoff som befinner seg i karene, kan det blåfiolette lyset endre farge og bli gulgrønt. Men dette måtte fortsatt bevises. Det kan være andre årsaker til at det gulgrønne lyset vises. For eksempel kan det vises som et resultat av luminescens - en svak glød som ofte vises i væsker og faste stoffer under påvirkning av lys, varme og andre årsaker. Det var åpenbart en ting - dette lyset ble født på nytt, det var ikke inneholdt i det fallende lyset.
Forskerne gjentok eksperimentet med seks forskjellige væsker og to typer damp. De var overbevist om at verken luminescens eller andre årsaker spiller noen rolle her.
Det faktum at bølgelengden til synlig lys øker når det er spredt i materien, virket etablert for Raman og Krishnan. Det så ut til at søket deres ble kronet med suksess. De oppdaget en optisk analog av Compton-effekten.
Men for at forsøkene skulle få en ferdig form og konklusjonene være tilstrekkelig overbevisende, var det nødvendig å gjøre en del av arbeidet til. Det var ikke nok å oppdage en endring i bølgelengden. Det var nødvendig å måle omfanget av denne endringen. Det første trinnet ble hjulpet av et lysfilter. Han var maktesløs til å gjøre det andre. Her trengte forskerne et spektroskop - en enhet som lar dem måle bølgelengden til lyset som studeres.
Og forskerne begynte på den andre delen, ikke mindre kompleks og møysommelig. Men hun innfridde også forventningene deres. Resultatene bekreftet igjen konklusjonene fra den første delen av arbeidet. Bølgelengden viste seg imidlertid å være uventet stor. Mye mer enn forventet. Dette plaget ikke forskerne.
Hvordan kan man ikke huske Columbus her? Han søkte å finne sjøveien til India, og etter å ha sett landet, var han ikke i tvil om at han hadde nådd målet sitt. Hadde han grunn til å tvile på selvtilliten sin ved synet av de røde innbyggerne og den nye verdenens ukjente natur?
Er det ikke sant at Raman og Krishnan, i deres søken etter å oppdage Compton-effekten i synlig lys, trodde de hadde funnet den ved å undersøke lys som passerer gjennom væskene og gassene deres?! Tvilte de når målinger viste en uventet større endring i bølgelengden til de spredte strålene? Hvilken konklusjon trakk de av oppdagelsen?
Ifølge indiske forskere fant de det de lette etter. Den 23. mars 1928 fløy et telegram med en artikkel med tittelen "Optical analogy of the Compton effect" til London. Forskerne skrev: "Dermed er den optiske analogien til Compton-effekten åpenbar, bortsett fra at vi har å gjøre med en endring i bølgelengden som er mye større ..." Merk: "mye større ..."
Dans av atomer
Arbeidet til Raman og Krishnan ble møtt med applaus blant forskere. Alle beundret med rette deres eksperimentelle kunst. For denne oppdagelsen ble Raman tildelt Nobelprisen i 1930.
Vedlagt brevet fra de indiske forskerne var et fotografi av spekteret, der linjene som viser frekvensen av det innfallende lyset og lyset spredt på molekylene til stoffet tok deres plass. Dette fotografiet, ifølge Raman og Krishnan, illustrerte oppdagelsen deres tydeligere enn noen gang.
Da Mandelstam og Landsberg så på dette fotografiet, så de en nesten nøyaktig kopi av fotografiet de hadde fått! Men etter å ha blitt kjent med hennes forklaring, innså de umiddelbart at Raman og Krishnan tok feil.
Nei, det var ikke Compton-effekten som ble oppdaget av indiske forskere, men et helt annet fenomen, det samme som sovjetiske forskere hadde studert i mange år...
Mens spenningen forårsaket av oppdagelsen av indiske forskere vokste, fullførte Mandelstam og Landsberg kontrolleksperimenter og oppsummerte de endelige avgjørende resultatene.
Og så den 6. mai 1928 sendte de en artikkel på trykk. Et fotografi av spekteret ble lagt ved artikkelen.
Forskerne ga en kort oversikt over problemets historie detaljert tolkning fenomenet de oppdaget.
Så hva var dette fenomenet som fikk mange forskere til å lide og plage hjernen deres?
Mandelstams dype intuisjon og klare analytiske sinn fortalte forskeren umiddelbart at de oppdagede endringene i frekvensen av spredt lys ikke kunne være forårsaket av de intermolekylære kreftene som utligner tilfeldige repetisjoner av lufttetthet. Det ble klart for forskeren at årsaken utvilsomt ligger inne i selve molekylene til stoffet, at fenomenet er forårsaket av intramolekylære vibrasjoner av atomene som danner molekylet.
Slike oscillasjoner forekommer med en mye høyere frekvens enn de som følger med dannelsen og resorpsjonen av tilfeldige inhomogeniteter i mediet. Det er disse vibrasjonene av atomer i molekyler som påvirker det spredte lyset. Atomene ser ut til å merke det, etterlate sine spor på det og kryptere det med ekstra frekvenser.
Det var en vakker gjetning, en dristig invasjon av menneskelig tanke utover avsperringen til den lille festningen i naturen - molekylet. Og denne rekognoseringen brakte verdifull informasjon om dens interne struktur.
Hånd i hånd
Så mens man prøvde å oppdage en liten endring i frekvensen av spredt lys forårsaket av intermolekylære krefter, ble en større endring i frekvens oppdaget forårsaket av intramolekylære krefter.
For å forklare det nye fenomenet, som ble kalt "Raman-spredning av lys", var det nok å supplere teorien om molekylær spredning opprettet av Mandelstam med data om påvirkningen av vibrasjoner av atomer inne i molekyler. Det nye fenomenet ble oppdaget som et resultat av utviklingen av Mandelstams idé, formulert av ham tilbake i 1918.
Ja, ikke uten grunn, som akademiker S.I. sa. Vavilov, "Naturen begavet Leonid Isaakovich med et helt uvanlig, innsiktsfullt, subtilt sinn, som umiddelbart la merke til og forsto det viktigste som flertallet gikk forbi likegyldig. Dette er hvordan fluktuasjonsessensen til lysspredning ble forstått, og dette er hvordan ideen om en endring i spekteret under lysspredning dukket opp, som ble grunnlaget for oppdagelsen av Raman-spredning."
Deretter ble det hentet enorme fordeler fra denne oppdagelsen, og den fikk verdifull praktisk anvendelse.
I det øyeblikket det ble oppdaget, virket det bare som et svært verdifullt bidrag til vitenskapen.
Hva med Raman og Krishnan? Hvordan reagerte de på oppdagelsen av sovjetiske forskere, og på deres egne også? Forsto de hva de hadde oppdaget?
Svaret på disse spørsmålene finnes i følgende brev fra Raman og Krishnan, som de sendte til pressen 9 dager etter publiseringen av artikkelen av sovjetiske forskere. Ja, de innså at fenomenet de observerte ikke var Compton-effekten. Dette er Raman-spredning av lys.
Etter publiseringen av brevene til Raman og Krishnan og artiklene til Mandelstam og Landsberg, ble det klart for forskere over hele verden at det samme fenomenet ble uavhengig og nesten samtidig laget og studert i Moskva og Calcutta. Men Moskva-fysikere studerte det i kvartskrystaller, og indiske fysikere studerte det i væsker og gasser.
Og denne parallelliteten var selvfølgelig ikke tilfeldig. Hun forteller om relevansen av problemet og dets store vitenskapelige betydning. Det er ikke overraskende at resultater nær konklusjonene til Mandelstam og Raman i slutten av april 1928 også ble oppnådd uavhengig av de franske forskerne Rocard og Kaban. Etter en tid husket forskerne at tilbake i 1923 forutså den tsjekkiske fysikeren Smekal teoretisk det samme fenomenet. Etter arbeidet til Smekal dukket det opp teoretisk forskning av Kramers, Heisenberg og Schrödinger.
Tilsynelatende kan bare mangel på vitenskapelig informasjon forklare det faktum at forskere i mange land jobbet med å løse det samme problemet uten engang å vite det.
Trettisju år senere
Raman-studier har ikke bare oppdaget nytt kapittel i vitenskapen om lys. Samtidig ga de kraftig våpen teknologi. Industrien har en utmerket måte å studere egenskapene til materie.
Tross alt er frekvensene til Raman-spredning av lys avtrykk som er lagt over lyset av molekylene i mediet som sprer lyset. Og disse avtrykkene er ikke like i forskjellige stoffer. Det var dette som ga akademiker Mandelstam retten til å kalle Raman-spredning av lys for «molekylets språk». Til de som kan lese spor av molekyler på lysstråler og bestemme sammensetningen av spredt lys, vil molekyler, ved å bruke dette språket, fortelle om hemmelighetene til strukturen deres.
På negativet til et Raman-spekterfotografi er det ingenting annet enn linjer med varierende sorthet. Men fra dette fotografiet vil en spesialist beregne frekvensene til intramolekylære vibrasjoner som dukket opp i det spredte lyset etter at det passerte gjennom stoffet. Bildet vil fortelle deg om mange hittil ukjente aspekter indre liv molekyler: om deres struktur, om kreftene som binder atomer til molekyler, om atomenes relative bevegelser. Ved å lære å dechiffrere Raman-spektrogrammer, lærte fysikere å forstå det særegne "lette språket" som molekyler forteller om seg selv med. Så den nye oppdagelsen gjorde det mulig å trenge dypere inn i den indre strukturen til molekyler.
I dag bruker fysikere Raman-spredning for å studere strukturen til væsker, krystaller og glassaktige stoffer. Kjemikere bruker denne metoden for å bestemme strukturen til forskjellige forbindelser.
Metoder for å studere stoffer ved bruk av fenomenet Raman-spredning av lys ble utviklet av laboratoriepersonell Fysisk institutt oppkalt etter P.N. Lebedev Academy of Sciences of the USSR, som ble ledet av akademiker Landsberg.
Disse metodene gjør det mulig i et fabrikklaboratorium raskt og nøyaktig å utføre kvantitative og kvalitative analyser av flybensin, crackingprodukter, petroleumsprodukter og mange andre komplekse organiske væsker. For å gjøre dette er det nok å belyse stoffet som studeres og bruke en spektrograf for å bestemme sammensetningen av lyset spredt av det. Det virker veldig enkelt. Men før denne metoden viste seg å være virkelig praktisk og rask, måtte forskerne jobbe mye for å lage nøyaktig, sensitivt utstyr. Og det er derfor.
Av den totale mengden lysenergi som kommer inn i stoffet som studeres, er det bare en ubetydelig del - omtrent en ti milliarddel - som står for andelen spredt lys. Og Raman-spredning utgjør sjelden to eller tre prosent av denne verdien. Tilsynelatende er dette grunnen til at Raman-spredningen forble ubemerket i lang tid. Det er ikke overraskende at det å få de første Raman-fotografiene krevde eksponeringer som varte i titalls timer.
Moderne utstyr laget i vårt land gjør det mulig å oppnå et kombinasjonsspekter av rene stoffer i løpet av få minutter, og noen ganger til og med sekunder! Selv for analyse av komplekse blandinger, hvor individuelle stoffer er tilstede i mengder på flere prosent, er en eksponeringstid på ikke mer enn en time vanligvis tilstrekkelig.
Trettisju år har gått siden språket til molekyler registrert på fotografiske plater ble oppdaget, dechiffrert og forstått av Mandelstam og Landsberg, Raman og Krishnan. Siden den gang har det pågått hardt arbeid over hele verden for å lage en "ordbok" over molekylspråket, som optikere kaller en katalog over Raman-frekvenser. Når en slik katalog blir satt sammen, vil dekodingen av spektrogrammer bli betydelig lettere og Raman-spredning vil bli enda mer fullstendig til tjeneste for vitenskapen og industrien.
Teksten til verket er lagt ut uten bilder og formler.
Full versjon arbeid er tilgjengelig i "Arbeidsfiler"-fanen i PDF-format
Mens jeg lekte på gaten la jeg en gang merke til himmelen, den var ekstraordinær: bunnløs, endeløs og blå, blå! Og bare skyene dekket litt over denne blåfargen. Jeg lurte på hvorfor himmelen er blå? Jeg husket umiddelbart sangen til reven Alice fra eventyret om Pinocchio "For en blå himmel...!" og en geografileksjon, der vi, mens vi studerte emnet "Vær", beskrev himmelens tilstand, og sa også at den var blå. Så når alt kommer til alt, hvorfor er himmelen blå? Da jeg kom hjem, stilte jeg mamma dette spørsmålet. Hun fortalte meg at når folk gråter, ber de himmelen om hjelp. Himmelen tar bort tårene deres, så den blir blå som en innsjø. Men min mors historie tilfredsstilte ikke spørsmålet mitt. Jeg bestemte meg for å spørre klassekameratene og lærerne mine om de visste hvorfor himmelen var blå? 24 elever og 17 lærere deltok i undersøkelsen. Etter å ha behandlet spørreskjemaene fikk vi følgende resultater:
På skolen, under en geografitime, stilte jeg læreren dette spørsmålet. Hun svarte meg at fargen på himmelen lett kan forklares fra et fysikksynspunkt. Dette fenomenet kalles spredning. Fra Wikipedia lærte jeg at spredning er prosessen med å dekomponere lys til et spektrum. Geografilærer Larisa Borisovna foreslo at jeg skulle observere dette fenomenet eksperimentelt. Og vi dro til fysikkrommet. Vasily Aleksandrovich, en fysiklærer, gikk villig med på å hjelpe oss med dette. Ved hjelp av spesialutstyr kunne jeg spore hvordan spredningsprosessen skjer i naturen.
For å finne svaret på spørsmålet hvorfor himmelen er blå, bestemte vi oss for å gjennomføre en studie. Slik oppsto ideen om å skrive et prosjekt. Sammen med veilederen min bestemte vi tema, formål og mål for forskningen, la frem en hypotese, bestemte forskningsmetoder og mekanismer for å implementere ideen vår.
Hypotese: Lys sendes til jorden av solen og oftest når vi ser på det, ser det blendende hvitt ut for oss. Betyr det at himmelen skal være hvit? Men i virkeligheten er himmelen blå. I løpet av studien vil vi finne forklaringer på disse motsetningene.
Mål: finn svaret på spørsmålet hvorfor himmelen er blå og finn ut hva fargen avhenger av.
Oppgaver: 1. Gjør deg kjent med teoretisk stoff om temaet
2. Eksperimentelt studere fenomenet lysspredning
3. Observer fargen på himmelen til forskjellige tider av døgnet og under forskjellige værforhold
Studieobjekt: himmel
Punkt: lys og farge på himmelen
Forskningsmetoder: analyse, eksperiment, observasjon
Stadier av arbeidet:
1. Teoretisk
2. Praktisk
3. Endelig: konklusjoner om forskningstemaet
Arbeidets praktiske betydning: Forskningsmateriell kan brukes i geografi- og fysikktimer som undervisningsmodul.
2. Hoveddel.
2.1. Teoretiske aspekter Problemer. Fenomenet blå himmel fra fysikkens synspunkt
Hvorfor er himmelen blå - det er veldig vanskelig å finne svar på et så enkelt spørsmål. Først, la oss definere konseptet. Himmelen er rommet over jorden eller overflaten til et annet astronomisk objekt. Generelt kalles himmelen vanligvis panoramaet som åpner seg når man ser fra jordoverflaten (eller et annet astronomisk objekt) mot verdensrommet.
Mange forskere har plaget hjernen deres på jakt etter et svar. Leonardo da Vinci, som så peisen i peisen, skrev: «Lys over mørket blir blått.» Men i dag er det kjent at sammensmeltingen av hvitt og svart produserer grått.
Ris. 1. Leonardo da Vincis hypotese
Isaac Newton forklarte nesten fargen på himmelen, men for dette måtte han anta at vanndråpene i atmosfæren har tynne vegger som såpebobler. Men det viste seg at disse dråpene er kuler, noe som betyr at de ikke har noen veggtykkelse. Og så sprakk Newtons boble!
Ris. 2. Newtons hypotese
Den beste løsningen på problemet ble foreslått for rundt 100 år siden engelsk fysiker Lord John Rayleigh. Men la oss starte fra begynnelsen. Solen sender ut et blendende hvitt lys, noe som betyr at fargen på himmelen skal være den samme, men den er fortsatt blå. Hva skjer med hvitt lys i atmosfæren? Den, som passerer gjennom atmosfæren, som gjennom et prisme, brytes opp i syv farger. Du kjenner sikkert disse linjene: hver jeger vil vite hvor fasanen sitter. Det er en dyp mening skjult i disse setningene. De representerer for oss primærfargene i det synlige lysspekteret.
Ris. 3. Spektrum av hvitt lys.
Den beste naturlige demonstrasjonen av dette spekteret er selvfølgelig regnbuen.
Ris. 4 Synlig lysspektrum
Synlig lys er elektromagnetisk stråling, hvis bølger har forskjellige lengder. Ja og nei synlig lys, øynene våre oppfatter det ikke. Disse er ultrafiolette og infrarøde. Vi ser den ikke fordi lengden enten er for lang eller for kort. Å se lys betyr å oppfatte fargen, men hvilken farge vi ser avhenger av bølgelengden. De lengste synlige bølgene er røde, og de korteste er fiolette.
Lysets evne til å spre seg, det vil si å forplante seg i et medium, avhenger også av bølgelengden. Røde lysbølger sprer verst, men det har blå og fiolette farger høy evne til spredning.
Ris. 5. Lysspredningsevne
Og til slutt er vi nærme svaret på spørsmålet vårt, hvorfor er himmelen blå? Som nevnt ovenfor er hvit en blanding av alle mulige farger. Når det kolliderer med et gassmolekyl, blir hver av de syv fargekomponentene i hvitt lys spredt. Samtidig spres lys med lengre bølger dårligere enn lys med korte bølger. På grunn av dette forblir 8 ganger mer blått spektrum i luften enn rødt. Selv om den korteste bølgen er lilla, himmelen ser fortsatt blå ut på grunn av blandingen av lilla og grønne bølger. I tillegg oppfatter øynene våre blått bedre enn fiolett, gitt samme lysstyrke for begge. Det er disse fakta som bestemmer fargeskjemaet til himmelen: atmosfæren er bokstavelig talt fylt med stråler av blå-blå farge.
Himmelen er imidlertid ikke alltid blå. Om dagen ser vi himmelen som blå, cyan, grå, om kvelden - rød (vedlegg 1). Hvorfor er solnedgangen rød? Under solnedgang nærmer solen seg horisonten, og solstrålen rettes mot jordoverflaten ikke vertikalt, som om dagen, men i en vinkel. Derfor er veien den tar gjennom atmosfæren mye Dessuten at det foregår på dagtid når solen står høyt. På grunn av dette absorberes det blå-blå spekteret i atmosfæren før det når jorden, og de lengre lysbølgene i det røde spekteret når jordens overflate, og farger himmelen i røde og gule toner. Endringen i himmelens farge er tydelig relatert til jordens rotasjon rundt sin akse, og derfor lysets innfallsvinkel på jorden.
2.2. Praktiske aspekter. Eksperimentell måte å løse problemet på
I fysikktimen ble jeg kjent med spektrografapparatet. Vasily Aleksandrovich, en fysikklærer, fortalte meg driftsprinsippet til denne enheten, hvoretter jeg uavhengig utførte et eksperiment kalt dispersjon. En stråle med hvitt lys som går gjennom et prisme brytes og vi ser en regnbue på skjermen. (Vedlegg 2). Denne opplevelsen hjalp meg å forstå hvordan denne fantastiske skapelsen av naturen dukker opp på himmelen. Ved hjelp av en spektrograf kan forskere i dag få informasjon om sammensetningen og egenskapene til ulike stoffer.
Foto 1. Demonstrasjon av spredningserfaring i
fysikkrom
Jeg ønsket å få en regnbue hjemme. Geografilæreren min, Larisa Borisovna, fortalte meg hvordan jeg skulle gjøre dette. En analog av spektrografen var en glassbeholder med vann, et speil, en lommelykt og et hvitt papirark. Plasser et speil i en beholder med vann og legg et hvitt ark bak beholderen. Vi retter lyset fra en lommelykt mot speilet slik at det reflekterte lyset faller på papiret. En regnbue har dukket opp på et stykke papir igjen! (Vedlegg 3). Det er bedre å utføre eksperimentet i et mørkt rom.
Vi har allerede sagt ovenfor at hvitt lys i hovedsak allerede inneholder alle regnbuens farger. Du kan sørge for dette og samle alle fargene tilbake til hvitt ved å lage en regnbuetopp (Vedlegg 4). Hvis du snurrer den for hardt, vil fargene smelte sammen og platen blir hvit.
På tross av vitenskapelig forklaring Dannelsen av en regnbue, dette fenomenet forblir en av de mystiske optiske brillene i atmosfæren. Se og nyt!
3. Konklusjon
På jakt etter et svar på et spørsmål så ofte stilt av foreldre barns spørsmål"Hvorfor er himmelen blå?" Jeg lærte mye interessant og lærerikt. Motsetningene i vår hypotese i dag har en vitenskapelig forklaring:
Hele hemmeligheten ligger i fargen på himmelen i atmosfæren vår - i luftkonvolutt planeten jorden.
En hvit solstråle, som passerer gjennom atmosfæren, brytes opp i stråler med syv farger.
Røde og oransje stråler er de lengste, og blå stråler er kortest.
Blå stråler når jorden mindre enn andre, og takket være disse strålene er himmelen gjennomsyret av blå farge
Himmelen er ikke alltid blå og dette er pga aksial bevegelse Jord.
Eksperimentelt klarte vi å visualisere og forstå hvordan spredning skjer i naturen. På klassetime På skolen fortalte jeg klassekameratene mine hvorfor himmelen er blå. Det var også interessant å vite hvor man kan observere spredningsfenomenet i vår Hverdagen. Jeg har funnet flere praktiske bruksområder for dette unike fenomenet. (Vedlegg 5). I fremtiden vil jeg gjerne fortsette å studere himmelen. Hvor mange flere mysterier inneholder den? Hvilke andre fenomener oppstår i atmosfæren og hva er deres natur? Hvordan påvirker de mennesker og alt liv på jorden? Kanskje dette vil være temaene for min fremtidige forskning.
Bibliografi
1. Wikipedia - det frie leksikonet
2. L.A. Malikova. Elektronisk manual i fysikk "Geometrisk optikk"
3. Peryshkin A.V. Fysikk. 9. klasse. Lærebok. M.: Bustard, 2014, s.202-209
4. htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru
5. Personlig bildearkiv "Sky over Golyshmanovo"
Vedlegg 1.
"Himmelen over Golyshmanovo"(personlig bildearkiv)
Vedlegg 2.
Spredning av lys ved hjelp av en spektrograf
Vedlegg 3.
Lysspredning hjemme
"regnbue"
Vedlegg 4.
Regnbuetopp
Topp i hvile Topp i rotasjon
Vedlegg 5.
Variasjon i menneskelivet
Diamond Lights om bord på et fly
Billykter
Reflekterende tegn
HYPOTESE: Arbeidsplan: Studer hva lys er; Undersøk fargeendringen til et gjennomsiktig medium avhengig av innfallsvinkelen til lysstråler; Gi en vitenskapelig forklaring på det observerte fenomenet Endringer i himmelens farge er assosiert med vinkelen på lysstrålene som kommer inn i jordens atmosfære.
Teoretisk del Alle har sett hvordan kantene på krystall og små duggdråper skimrer med alle regnbuens farger. Hva skjer? Tross alt faller stråler av hvitt sollys på gjennomsiktige, fargeløse kropper. Disse fenomenene har vært kjent for folk i lang tid. I lang tid Det ble antatt at hvitt lys er det enkleste, og fargene som skapes er de spesielle egenskapene til visse kropper.
1865 James Maxwell. Laget teorien om elektromagnetiske bølger. Lys er en elektromagnetisk bølge. Heinrich Hertz oppdaget en metode for å lage og distribuere elektromagnetiske bølger.
Lys er en elektromagnetisk bølge som er en samling bølger av forskjellig lengde. Med synet vårt oppfatter vi et lite intervall av bølgelengder som lys. Sammen gir disse bølgene oss hvitt lys. Og hvis vi velger en del av bølgene fra dette intervallet, så oppfatter vi dem som lys som har en slags farge. Det er syv primærfarger totalt.
Fremgangsmåte for eksperimentet: Fyll beholderen (akvariet) med vann; Tilsett litt melk i vannet (disse er støvpartikler) Rett lyset fra lommelykten oppå vannet; Dette er fargen på himmelen ved middagstid. Vi endrer innfallsvinkelen for lys på vannet fra 0 til 90. Observer fargeendringen.
Konklusjon: Endringen i himmelens farge avhenger av vinkelen lysstrålene kommer inn i jordens atmosfære. Fargen på himmelen endres i løpet av dagen fra blå til rød. Og når lys ikke kommer inn i atmosfæren, da dette stedet Natten faller på jorden. Om natten kl gunstig vær lys kommer til oss fra fjerne stjerner og månen skinner med reflektert lys.
Kommunal budsjettutdanningsinstitusjon
"Kislovskaya ungdomsskole" Tomsk-distriktet
Forskning
Emne: "Hvorfor er solnedgangen rød ..."
(Lysspredning)
Arbeid fullført: ,
elev av klasse 5A
veileder;
kjemilærer
1. Introduksjon ………………………………………………………………… 3
2. Hoveddel………………………………………………………………4
3. Hva er lys……………………………………………………………….. 4
Studieemne– solnedgang og himmel.
Forskningshypoteser:
Solen har stråler som farger himmelen i forskjellige farger;
Rød farge kan oppnås under laboratorieforhold.
Relevansen av emnet mitt ligger i det faktum at det vil være interessant og nyttig for lyttere fordi mange ser på den klare blå himmelen og beundrer den, og få vet hvorfor den er så blå om dagen og rød ved solnedgang og hva som gir dette er fargen hans.
2. Hoveddel
Ved første øyekast virker dette spørsmålet enkelt, men faktisk påvirker det dype aspekter av lysbrytningen i atmosfæren. Før du kan forstå svaret på dette spørsmålet, må du ha en ide om hva lys er..jpg" align="left" height="1 src=">
Hva er lys?
Sollys er energi. Varmen fra solstrålene, fokusert av linsen, blir til ild. Lys og varme reflekteres av hvite overflater og absorberes av svarte. Derfor hvite klær kaldere enn svart.
Hva er lysets natur? Den første personen som seriøst forsøkte å studere lys var Isaac Newton. Han mente at lys består av korpuskulære partikler som avfyres som kuler. Men noen egenskaper ved lys kunne ikke forklares med denne teorien.
En annen forsker, Huygens, foreslo en annen forklaring på lysets natur. Han utviklet "bølge"-teorien om lys. Han mente at lys dannet pulser, eller bølger, på samme måte som en stein som ble kastet i en dam, lager bølger.
Hvilke synspunkter har forskere i dag om lysets opprinnelse? Det antas for tiden at lysbølger har kjennetegn både partikler og bølger på samme tid. Det gjennomføres eksperimenter for å bekrefte begge teoriene.
Lys består av fotoner - vektløse partikler uten masse, som beveger seg med en hastighet på rundt 300 000 km/s og har bølgeegenskaper. Lysets bølgefrekvens bestemmer fargen. I tillegg, jo høyere oscillasjonsfrekvens, desto kortere er bølgelengden. Hver farge har sin egen vibrasjonsfrekvens og bølgelengde. Hvitt sollys består av mange farger som kan sees når det brytes gjennom et glassprisme.
1. Et prisme bryter ned lys.
2. Hvitt lys er komplekst.
Hvis du ser nøye på lysets passasje gjennom trekantet prisme, så kan du se at nedbrytningen av hvitt lys begynner så snart lyset går fra luften inn i glasset. I stedet for glass kan du bruke andre materialer som er gjennomsiktige for lys.
Det er bemerkelsesverdig at dette eksperimentet har overlevd århundrer, og metodikken brukes fortsatt i laboratorier uten vesentlige endringer.
dispersio (lat.) – spredning, spredning - spredning
I. Newtons eksperimenter på dispersjon.
I. Newton var den første som studerte fenomenet lysspredning og regnes som et av hans viktigste vitenskapelige meritter. Ikke rart på gravsteinen hans, reist i 1731 og dekorert med figurer av unge menn som holder emblemene hans i hendene store funn, en figur holder et prisme, og inskripsjonen på monumentet inneholder ordene: "Han undersøkte forskjellen i lysstråler og de forskjellige egenskapene som dukket opp samtidig, som ingen tidligere hadde mistenkt." Det siste utsagnet er ikke helt nøyaktig. Spredning var kjent tidligere, men den ble ikke studert i detalj. Mens han forbedret teleskoper, la Newton merke til at bildet produsert av linsen var farget i kantene. Ved å undersøke kanter farget av brytning, gjorde Newton sine oppdagelser innen optikk.
Synlig spektrum
Når en hvit stråle dekomponeres i et prisme, dannes det et spektrum der strålingen forskjellige lengder bølger brytes under forskjellige vinkler. Farger som inngår i spekteret, det vil si de fargene som kan produseres av lysbølger med én bølgelengde (eller et veldig smalt område), kalles spektralfarger. Primære spektralfarger (har riktig navn), så vel som emisjonsegenskapene til disse fargene, er presentert i tabellen:
Hver "farge" i spekteret må sammenlignes lysbølge viss lengde
Den enkleste ideen om spekteret kan fås ved å se på en regnbue. Hvitt lys, brutt i vanndråper, danner en regnbue, siden det består av mange stråler i alle farger, og de brytes forskjellig: røde er de svakeste, blå og fiolette er sterkest. Astronomer studerer spektrene til sola, stjerner, planeter og kometer, siden mye kan læres av spektrene.
Nitrogen" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">nitrogen. Rødt og blått lys samhandler forskjellig med oksygen. Siden bølgelengden til blå farge tilsvarer størrelsen på oksygenatomet og på grunn av dette blått lys spres av oksygen inn forskjellige sider, mens rødt lys passerer rolig gjennom det atmosfæriske laget. Faktisk er fiolett lys spredt enda mer i atmosfæren, men det menneskelige øyet er mindre følsomt for det enn for blått lys. Resultatet er at det menneskelige øyet fanger blått lys spredt av oksygen fra alle kanter, og det er grunnen til at himmelen ser blå ut for oss.
Uten en atmosfære på jorden ville solen fremstå for oss som en lysende hvit stjerne og himmelen ville være svart.
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Uvanlige fenomener
https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt=" Polarlys" align="left" width="140" height="217 src="> Auroras Siden antikken har folk beundret det majestetiske bildet av nordlys og lurt på deres opprinnelse. En av de tidligste omtale av nordlys finnes hos Aristoteles. I hans "Meteorology", skrevet for 2300 år siden, kan du lese: "Noen ganger på klare netter observeres mange fenomener på himmelen - hull, hull, blodrød farge ...
Det ser ut som om det brenner."
Hvorfor kruser en klar stråle om natten?
Hvilken tynn flamme sprer seg inn i himmelhvelvet?
Som lyn uten truende skyer
Streber du fra bakken til senit?
Hvordan kan det ha seg at en frossen ball
Var det brann midt på vinteren?
Hva er aurora borealis? Hvordan er det dannet?
Svar. Aurora er en selvlysende glød som er et resultat av samspillet mellom ladede partikler (elektroner og protoner) som flyr fra solen med atomer og molekyler jordens atmosfære. Utseendet til disse ladede partiklene i visse områder av atmosfæren og i visse høyder er et resultat av interaksjon sol-vind Med magnetfelt Jord.
Aerosol" href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">aerosolspredning av støv og fuktighet, disse er hovedårsaken til nedbrytning solfylt farge(forskjell). I senit-posisjonen forekommer forekomsten av solstrålen på aerosolkomponentene i luften nesten i rett vinkel, laget deres mellom observatørens øyne og solen er ubetydelig. Jo lavere solen går ned til horisonten, jo mer øker lagtykkelsen atmosfærisk luft og mengden aerosolsuspensjon i den. solstråler, i forhold til observatøren, endre innfallsvinkelen på suspenderte partikler, og deretter observeres spredning av sollys. Så, som nevnt ovenfor, består sollys av syv primærfarger. Hver farge, som en elektromagnetisk bølge, har sin egen lengde og evne til å spre seg i atmosfæren. Primærfargene i spekteret er ordnet i rekkefølge på en skala, fra rød til fiolett. Minst evne Rødfargen er utsatt for spredning (og derfor absorpsjon) i atmosfæren. Med fenomenet spredning blir alle farger som følger rødt på skalaen spredt av komponentene i aerosolsuspensjonen og absorbert av dem. Observatøren ser bare rød farge. Dette betyr at jo tykkere laget av atmosfærisk luft er, jo høyere tetthet av det suspenderte stoffet, jo flere stråler i spekteret vil bli spredt og absorbert. Berømt et naturfenomen: etter det kraftige utbruddet av Krakatoa-vulkanen i 1883, i forskjellige steder planeten, i flere år ble uvanlig lyse, røde solnedganger observert. Dette forklares med den kraftige frigjøringen av vulkansk støv til atmosfæren under utbruddet.
Jeg tror at min forskning ikke vil ende her. Jeg har fortsatt spørsmål. Jeg vil vite:
Hva skjer når lysstråler passerer gjennom ulike væsker og løsninger;
Hvordan lys reflekteres og absorberes.
Etter å ha fullført dette arbeidet, ble jeg overbevist om hvor mange fantastiske og nyttige ting det er for praktiske aktiviteter kan innebære fenomenet lysbrytning. Det var dette som gjorde at jeg kunne forstå hvorfor solnedgangen er rød.
Litteratur
1. Fysikk. Kjemi. 5-6 karakterer Lærebok. M.: Bustard, 2009, s.106
2. Damaskstålfenomener i naturen. M.: Education, 1974, 143 s.
3. "Hvem lager regnbuen?" – Kvant 1988, nr. 6, s. 46.
4. Newton I. Forelesninger om optikk. Tarasov i naturen. – M.: Utdanning, 1988
Internett-ressurser:
1. http://potomi. ru/ Hvorfor er himmelen blå?
2. http://www. voprosy-kak-i-pochemu. ru Hvorfor er himmelen blå?
3. http://expirience. ru/category/education/