Шалені ідеї. Тема: «Чому захід сонця червоний…

Актуальність моєї теми полягає в тому, що вона буде цікавою і корисною для слухачів тому, що дуже багато людей, дивляться на ясне блакитне небо, милуються ним, і мало хто знає, чому ж воно таке блакитне, що надає йому такого кольору.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Введення. с. 3
Основна частина. с. 4 -6

Припущення моїх однокласників

Припущення древніх учених
Сучасна точка зору
Різні кольори неба
Висновок.

Висновок. с. 7
Література с. 8

1. Введення.

Мені подобається, коли на вулиці ясна сонячна погода, небо без жодної хмари, і колір неба – блакитний. "Цікаво, - подумав я, - чому небо блакитне?"

Тема дослідження:Чому небо синє?

Мета дослідження:з'ясувати, чому небо забарвлене у блакитний колір?

Завдання дослідження:

Дізнатися про припущення древніх учених.

З'ясувати сучасну наукову точкузору.

Спостерігати за кольором неба.

Об'єкт дослідження- Науково-популярна література.

Предмет вивчення- блакитний колір піднебіння.

Гіпотези дослідження:

Допустимо, хмари складаються з водяної пари, а вода блакитного кольору;

Або сонце має промені, які забарвлюють небо в такий колір.

План дослідження:

Подивитись енциклопедії;
Знайти інформацію в Інтернеті;
Згадати вивчені теми щодо навколишнього світу;
Запитати маму;
Дізнатися про думку однокласників.

2. Основна частина.

Припущення моїх однокласників.

Мені стало цікаво, щоб відповіли мої однокласники на запитання: чому небо блакитне? Може, чиясь думка збігатиметься з моєю, а може, буде зовсім іншою.

Було опитано 24 учні 3 Г класу нашої школи. Аналіз відповідей показав:

8 учнів припустили, що небо блакитне через воду, що випаровується із Землі;

4 учня відповіли, що блакитний колір заспокоює;

4 учні думають, на колір неба впливає атмосфера та сонце;

3 учні вважають, що космос темний, а атмосфера біла, у результаті утворюється блакитний колір.

2 учні вважають, що промінь сонця заломлюється в атмосфері та утворюється блакитний колір.

2 учні запропонували такий варіант – блакитний колір неба – тому що воно холодне.

1 учень - так влаштовано у природі.

Цікаво, що одна з моїх гіпотез збігається з найпоширенішою думкою хлопців - хмари складаються з водяної пари, а вода блакитного кольору.

Припущення древніх учених.

Коли я почав шукати відповідь на своє запитання у літературі, дізнався, що багато вчених ламали собі голову у пошуках відповіді. Вигадувалося дуже багато гіпотез та припущень.

Наприклад, стародавній грек, на запитання – чому небо блакитне? - Відповів би відразу без запинки: «Небо блакитне тому, що зроблено з чистого гірського кришталю!» Небо це кілька кришталевих сфер, з дивовижною акуратністю вставлених одна в одну. А в середині – Земля, з морями, містами, храмами, гірськими вершинами, лісовими дорогами, харчевнями та фортецями.

Такою була теорія древніх греків, але чому вони так вважали? Небо не можна було торкнутися, на нього можна було тільки дивитися. Дивитися та розмірковувати. І будувати різні припущення. У наш час такі припущення називалися б «науковою теорією», але в епоху давніх греків вони так і називалися — припущеннями. І ось після довгих спостережень і ще довших роздумів давні греки вирішили, що це просте і гарне пояснення такому дивному явищу, як блакитний колір неба.

Я вирішив перевірити, чому вони так думали. Якщо покласти шматок звичайного скла, ми побачимо – він прозорий. Але якщо скласти цілий стос таких стекол і спробувати подивитися крізь нього, побачимо блакитний відтінок.

Таке просте пояснення кольору неба проіснувало півтори тисячі років.

Леонардо да Вінчі, припускав, що небо забарвлене в такий колір, тому що «…світло поверх темряви стає синім…».

Такої ж думки були й деякі інші вчені, але все-таки пізніше стало ясно, що ця гіпотеза докорінно не вірна, адже якщо змішати чорний колір з білим кольором, то навряд чи вийде блакитний, адже поєднання цих квітів дає тільки сірий і його відтінки.

Трохи пізніше у XVIII ст., Вважалося, що колір неба надають складові повітря. За цією теорією вважалося, що повітря містить багато домішок, оскільки чисте повітрябув би чорним. Після цієї теорії було ще дуже багато припущень і здогадів, але не так і не змогла виправдати себе.

Сучасна думка.

Я звернувся до думки сучасних вчених. Сучасні вчені знайшли відповідь і довели чомусь небо блакитного кольору.

Небо це всього лише повітря, те звичайне повітря, яким ми щомиті дихаємо, яке не можна побачити і доторкнутися, тому що воно прозоре і невагоме. Але дихаємо ми прозорим повітрям, чому ж він над головою набуває такого блакитного кольору?

Весь секрет опинився у нашій атмосфері.

Сонячне проміння має пройти через величезний шар повітря, перш ніж потрапити на землю.

Промінь сонця - білий колір. А білий колір- це суміш кольорових променів. Як у лічилці, за якою можна легко запам'ятати кольори веселки:

кожен (червоний)
мисливець (помаранчевий)
бажає (жовтий)
знати (зелений)
де (блакитний)
сидить (синій)
фазан (фіолетовий)

Промінь сонця, зіштовхуючись із частинками повітря, розпадається на промені семи кольорів.

Червоні та помаранчеві промені – найдовші і проходять від сонця прямо до нас у вічі. А промені блакитного кольору - найкоротші, відскакують від частинок повітря в усіх напрямках і найменше досягають землі. Таким чином, небо виявляється пронизаним блакитними променями.

Різні кольори неба.

Небо не завжди буває синього кольору. Наприклад, уночі, коли сонце не надсилає промені, ми бачимо небо не блакитним, атмосфера здається прозорою. І крізь прозоре повітря людина може бачити планети, зірки. А вдень блакитний колір знову ховає від наших очей космічні тіла.

Колір неба буває червоним - на заході сонця, в похмуру погоду білим або сірим.

Висновки.

Отже, провівши своє дослідження, я можу зробити наступні висновки:

весь секрет у кольорі неба у нашій атмосфері- у повітряній оболонці планети Земля.
Промінь сонця, проходячи через атмосферу, розпадається на промені семи кольорів.
Червоні та помаранчеві промені - найдовші, а блакитні - найкоротші.
Блакитні промені менше за інших досягають Землі і небо виявляється завдяки цим променям пронизане блакитним кольором.
Небо не завжди пофарбоване у блакитний колір.

Головне, що тепер я знаю, чому небо забарвлене блакитним кольором. Частково підтвердилася моя друга гіпотеза, у сонця є промені, які забарвлюють небо в такий колір. Припущення двох моїх однокласників виявилися найближчими до правильної відповіді.

Ми всі звикли, що колір неба – характеристика непостійна. Туман, хмари, доба — все впливає на забарвлення купола над головою. Щоденна її зміна не займає уми більшості дорослих, чого не можна сказати про дітей. Вони постійно цікавляться тим, чому небо блакитне з погляду фізики або що забарвлює захід сонця в червоний. Спробуємо розібратися в цих найпростіших питаннях.

Мінлива

Почати варто з відповіді на питання про те, що, власне, небо є. У стародавньому світівоно бачилося справді як купол, що накриває Землю. Сьогодні, однак, навряд чи хтось не знає, що на яку б висоту не піднявся цікавий дослідник, досягти цього бані він не зможе. Небо - це не річ, а, швидше, панорама, що відкривається при погляді з поверхні планети, якась видимість, зіткана зі світла. Причому, якщо спостерігати з різних точок, воно може виглядати інакше. Так, з того, що піднялося над хмарами, відкривається зовсім інший вигляд, ніж із землі в цей час.

Ясно небо — блакитне, але варто набігти хмарам — і воно стає сірим, свинцевим чи брудно-білим. Нічне небо – чорне, іноді на ньому можна помітити рудуваті ділянки. Це відсвіт штучного освітлення міста. Причина всіх подібних змін - світло та його взаємодія з повітрям та частинками різних речовину ньому.

Природа кольору

Для того щоб відповісти на питання про те, чому небо блакитне з погляду фізики, потрібно згадати про те, що є кольором. Це хвиля певної довжини. Світло, що йде від Сонця до Землі, бачиться як біле. Ще з експериментів Ньютона відомо, що являє собою пучок із семи променів: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього та фіолетового. Кольори відрізняються довжиною хвилі. Червоно-жовтогарячий спектр включає хвилі, найбільш значні за цим параметром. Частини спектру характеризуються короткою довжиною хвилі. Розкладання світла на спектр відбувається при зіткненні його з молекулами різних речовин, причому частина хвиль може бути поглинена, а частина — розсіяна.

Дослідження причини

Багато вчених намагалися пояснити, чому небо блакитне, з погляду фізики. Усі дослідники прагнули виявити явище чи процес, що у атмосфері планети розсіює світло в такий спосіб, що у результаті до нас доходить лише блакитний. Першими кандидатами на роль таких частинок були і води. Вважалося, що саме вони поглинають червоне світло та пропускають блакитне, а в результаті ми бачимо небо синього кольору. Підрахунки, що послідували, однак, показали, що тієї кількості озону, кристалів льоду і молекул водяної пари, яка є в атмосфері, недостатньо для надання небу блакитного кольору.

Причина у забрудненні

на наступному етапідосліджень Джоном Тіндаллом було висловлено припущення, що роль часток, що шукаються, грає пил. Синє світло має найбільшу стійкість до розсіювання, а тому здатне пройти крізь усі шари пилу та інших завислих частинок. Тіндал провів експеримент, який підтвердив його припущення. Він створив в умовах лабораторії модель смогу та висвітлив її яскравим білим світлом. Зміг набув блакитного відтінку. Вчений зробив однозначний висновок зі свого дослідження: колір неба визначається частинками пилу, тобто якби повітря Землі було чистим, то над головами людей світилися не блакитні, а білі небеса.

Дослідження лорда

Остаточну точку в питанні про те, чому небо блакитне (з погляду фізики) поставив англійський учений, лорд Д. Релей. Він довів, що не пил чи зміг забарвлює простір над головою у звичний для нас відтінок. Справа в самому повітрі. Молекули газу поглинають велику і насамперед найдовші хвилі, еквівалентні червоному. Синій при цьому розсіюється. Саме так і сьогодні пояснюється те, якого кольору ми бачимо в ясну погоду.

Уважні помітять, що, слідуючи логіці вчених, купол над головою має бути фіолетовим, оскільки саме цей колір має найкоротшу довжину хвилі у видимому діапазоні. Однак це не помилка: частка фіолетового в спектрі значно менша, ніж синього, та й очі людини чутливіші саме до останнього. По суті, видимий нами блакитний результат змішання синього з фіолетовим і деякими іншими кольорами.

Захід сонця та хмари

Усі знають, що у різний час доби можна побачити різний колірнебо. Фото найкрасивіших заходів сонця над морем чи озером — чудова ілюстрація цього. Різні відтінки червоного та жовтого у поєднанні з блакитним та темно-синім роблять подібне видовище незабутнім. А пояснюється воно тим самим розсіюванням світла. Справа в тому, що під час заходу сонця і світанку сонячним променям доводиться долати набагато більший шлях крізь атмосферу, ніж у розпал дня. При цьому світло синьо-зеленої частини спектру розсіюється в різні сторонита хмари, розташовані біля лінії горизонту, стають забарвленими у відтінки червоного.

Коли небо закривають хмари, картина змінюється. не в силах подолати щільний шар, і більша частинаїх просто не сягає землі. Промені, що зуміли пройти крізь хмари, зустрічаються з водними краплями дощу та хмар, які знову спотворюють світло. В результаті всіх цих перетворень до землі доходить біле світло, якщо хмари невеликі за розміром, і сірий, коли небо закривають значні хмари, які вдруге поглинають частину променів.

Інші небеса

Цікаво, що на інших планетах Сонячної системи при погляді з поверхні можна побачити небо, дуже відмінне від земного. на космічних об'єктах, Обділені атмосферою, сонячні промені вільно досягають поверхні. В результаті небо тут чорне, без будь-якого відтінку. Таку картину можна побачити на Місяці, Меркурії та Плутоні.

Марсіанське небо має червоно-жовтогарячий відтінок. Причина цього у пилу, якої насичена атмосфера планети. Вона пофарбована в різні відтінкичервоного та помаранчевого. Коли Сонце піднімається над горизонтом, марсіанське небо стає рожево-червоним, при цьому ділянка його, що безпосередньо оточує диск світила, бачиться блакитним або навіть фіолетовим.

Небо над Сатурном того самого кольору, як на Землі. Над Ураном простягаються аквамаринові небеса. Причина криється в метановій серпанку, розташованій у верхніх планетах.

Венеру від очей дослідників приховує щільний шар хмар. Він же не дозволяє дійти до поверхні планети променям синьо-зеленого спектру, тому небо тут жовто-жовтогаряче з сірою смужкою вздовж горизонту.

Дослідження денного простору над головою розкриває не менше чудес, аніж вивчення зоряного неба. Розуміння процесів, що протікають у хмарах і за ними, допомагає зрозуміти причину досить звичних для обивателя речей, які, проте, пояснити з ходу може далеко не кожен.

Радість бачити та розуміти
є найпрекрасніший дар природи.
Альберт Ейнштейн

Загадка небесної блакиті

Чому небо блакитне?

Немає такої людини, яка не замислилася над цим хоч раз у житті. Пояснити походження кольору піднебіння намагалися вже середньовічні мислителі. Деякі з них припускали, що синій колір – це справжній колір повітря або якогось із складових його газів. Інші думали, що справжній колір неба чорний такий, яким воно виглядає вночі. Вдень чорний колір неба складається з білим. сонячних променів, І виходить ... блакитний.

Зараз, мабуть, не зустрінеш людину, яка, бажаючи отримати блакитну фарбу, почала б змішувати чорну і білу. А був час, коли закони змішування квітів були ще незрозумілі. Їх встановив лише триста років тому Ньютон.

Ньютон зацікавився і таємницею небесної блакиті. Він почав з того, що відкинув усі попередні теорії.

По-перше, стверджував він, суміш білого та чорного ніколи не утворює блакитного. По-друге, блакитний колір - це зовсім не справжній колір повітря. Якби це було так, то Сонце і Місяць на заході сонця здавалися б не червоними, як це є насправді, а блакитними. Такими були б і вершини віддалених снігових гір.

Уявіть, що повітря забарвлене. Нехай дуже слабко. Тоді товстий шар його діяв би як забарвлене скло. А якщо дивитися крізь забарвлене скло, всі предмети здадуться такого ж кольору, як це скло. Чому ж віддалені снігові вершини видаються нам рожевими, а не блакитними?

У суперечці з попередниками правда була за Ньютона. Він довів, що повітря не забарвлене.

Але все ж таки загадку небесної блакиті він не дозволив. Його збентежила веселка, одне з найкрасивіших, поетичних явищ природи. Чому вона несподівано виникає і так само несподівано зникає? Ньютон не міг задовольнитися забобонами, що існували: веселка – це знамення згори, вона віщує хорошу погоду. Він прагнув знайти матеріальну причину кожного явища. Знайшов і причину веселки.

Веселка – це результат заломлення світла у дощових краплях. Зрозумівши це, Ньютон зумів обчислити форму райдужної дуги та пояснити послідовність кольорів веселки. Його теорія не могла пояснити лише виникнення подвійної веселки, але це вдалося зробити лише через три століття за допомогою дуже складної теорії.

Успіх теорії веселки загіпнотизував Ньютона. Він помилково вирішив, що блакитне забарвлення неба і веселка викликаються однією причиною. Веселка справді спалахує, коли промені Сонця пробиваються крізь рій дощових крапель. Але ж блакитність неба видно не лише в дощ! Навпаки, саме у ясну погоду, коли немає навіть натяку на дощ, небо особливо синє. Як не помітив цього великий учений? Ньютон думав, що дрібні водяні бульбашки, що утворюють за його теорією лише блакитну частину веселки, плавають у повітрі за будь-якої погоди. Але це була помилка.

Перше рішення

Пройшло майже 200 років, і цим питанням зайнявся інший англійський вчений - Релей, який не злякався того, що завдання виявилося не під силу навіть великому Ньютону.

Релей займався оптикою. А люди, які присвятили своє життя дослідженню світла, багато часу проводять у темряві. Стороннє світло заважає найтоншим досвідам, тому вікна оптичної лабораторії майже завжди затягнуті чорними, непроникними шторами.

Релей годинами залишався у своїй похмурій лабораторії віч-на-віч із пучками світла, що виривалися з приладів. На шляху променів кружляли як живі порошинки. Вони були яскраво освітлені і тому вирізнялися на темному тлі. Вчений, можливо, довго у задумі стежив за їх плавними рухами, подібно до того, як стежить людина за грою іскор у каміні.

Чи не ці порошинки, що танцюють у променях світла, підказали Релею нову думку про походження кольору неба?

Ще в давнину стало відомо, що світло поширюється прямолінійно. Це важливе відкриття могло зробити вже первісна людинаспостерігаючи, як, пробиваючись крізь щілини куреня, сонячні промені падають на стіни і підлогу.

Але навряд чи його турбувала думка, чому ж він бачить світлові промені, дивлячись на них збоку. А тут є над чим замислитись. Адже сонячне світло йде променем від щілини до підлоги. Око ж спостерігача розташоване осторонь і, проте, бачить це світло.

Ми бачимо світло від прожектора, спрямованого в небо. Це означає, що частина світла якимось чином відхиляється від прямого шляхуі прямує в наше око.

Що ж змушує його звернути з дороги? Виявляється, ті самі порошинки, якими повне повітря. У наше око потрапляють промені, що розсіюються порошинками промені, які, зустрічаючи перешкоди, згортають з дороги і поширюються по прямій від розсіювальної порошинки до нашого ока.

«Чи не ці порошинки фарбують небо у блакитний колір?» – подумав одного разу Релей. Він провів математичний розрахунок, і здогад перетворився на впевненість. Він знайшов пояснення синього кольору неба, червоних зір і блакитний серпанок! Ну звичайно ж, дрібні порошинки, розміри яких менші за довжину хвилі світла, розсіюють сонячне світло і тим сильніше, ніж коротша за довжину його хвилі, – оголосив Релей у 1871 році. Оскільки фіолетові і сині промені у видимому сонячному діапазоні мають найменшу довжину хвилі, всі вони розсіюються найбільше, надаючи небу блакитну забарвлення.

Цьому розрахунку Релея підкорилися Сонце та снігові вершини. Вони навіть підтвердили теорію вченого. На сході та заході сонця, коли сонячне світло проходить через найбільшу товщу повітря, фіолетові та сині промені, каже теорія Релея, розсіюються найбільш сильно. При цьому вони відхиляються від прямого шляху і не попадають у вічі спостерігачеві. Спостерігач бачить головним чином червоні промені, які розсіюються набагато слабше. Тому на сході та заході сонця здається нам червоним. З тієї ж причини здаються рожевими та вершини віддалених снігових гір.

Дивлячись на чисте небо, ми бачимо синьо-блакитні промені, що відхиляються внаслідок розсіювання від прямолінійного шляху і потрапляють у наші очі. Та й серпанок, який ми іноді бачимо біля горизонту, теж здається нам блакитним.

Прикра дрібниця

Чи не так, гарне пояснення? Їм так захопився сам Релей, вчені так вразилися стрункості теорії та перемозі Релея над Ньютоном, що ніхто з них не помітив однієї простої речі. А ця дрібниця, проте, мала зовсім змінити їхню оцінку.

Хто ж заперечуватиме, що далеко від міста, де в повітрі набагато менше пилу, блакитний колір неба особливо чистий і яскравий? Важко було заперечувати це і Релею. Отже... не порошинки розсіюють світло? Тоді що?

Він знову переглянув всі свої розрахунки і переконався, що його рівняння вірні, але це означає, що частинками, що розсіюють, дійсно є не порошинки. Крім того, порошинки, які присутні в повітрі, набагато більші за довжину хвилі світла, і розрахунки переконали Релея, що велике скупчення їх не посилює блакитність неба, а, навпаки, послаблює. Розсіяння світла на великих частках слабо залежить від довжини хвилі і тому не викликає зміни його забарвлення.

При розсіянні світла на великих частках і розсіяне і минуле світло залишається білим, тому поява у повітрі великих частинок повідомляє небу білий колір, а скупчення великої кількості великих крапель обумовлює білий колір хмар і туману. Це легко перевірити на звичайній цигарці. Дим, що виходить з неї з боку мундштука, завжди здається білястим, а дим, що піднімається з її палаючого кінця, має блакитний колір.

Найдрібніші частинки диму, що піднімається над палаючим кінцем цигарки, мають розміри менші, ніж довжина світлової хвилі, і відповідно до теорії Релея розсіюють переважно фіолетовий і синій колір. Але при проходженні через вузькі канали в товщі тютюну частинки диму злипаються між собою (коагулюють), об'єднуючись у більші грудочки. Розміри багатьох з них стають більшими, ніж довжини хвиль світла, і вони розсіюють усі хвилі світла приблизно однаково. Саме тому дим, що йде з боку мундштука, здається білястим.

Так, сперечатися і захищати теорію, засновану на порошинках, було марно.

Отже, загадка блакитного кольору неба знову постала перед вченими. Але Релей не здавався. Якщо блакитний колір неба тим паче чистий і яскравіший, ніж чистіше атмосфера, міркував він, отже забарвлення піднебіння може бути обумовлена чимось іншим, як молекулами самого повітря. Молекули повітря, писав він у своїх нових статтях, – ось ті найдрібніші частинки, що розсіюють світло сонця!

На цей раз Релей був дуже обережний. Перш ніж повідомити про свою нову ідею, він вирішив перевірити її, якимось чином звірити теорію з досвідом.

Випадок трапився у 1906 році. Релею допоміг американський астрофізик Аббот, який вивчав блакитне свічення неба в обсерваторії на горі Маунт Вільсон. Обробляючи результати вимірювання яскравості свічення неба з урахуванням теорії розсіювання Релея, Аббот підрахував число молекул, які у кожному кубічному сантиметрі повітря. Вийшло грандіозне число! Досить сказати, що якщо роздати ці молекули всім людям, що населяють земну кулю, то кожному дістанеться по 10 з гаком мільярдів цих молекул. Аббот виявив, що в кожному кубічному сантиметрі повітря при нормальній температурі і тиску атмосфери міститься 27 мільярдів разів по мільярду молекул.

Кількість молекул у кубічному сантиметрі газу можна визначити різними способами на основі абсолютно різних та незалежних між собою явищ. Всі вони призводять до близьких результатів і дають число, зване числом Лошмідта.

Це число добре знайоме вченим, і неодноразово воно служило мірилом і контролем при поясненні явищ, що відбуваються в газах.

І ось число, отримане Абботом при вимірі свічення неба, з великою точністю збіглося з числом Лошмідта. Адже він при розрахунках користувався теорією розсіювання Релея. Таким чином, це наочно доводило, що теорія вірна, молекулярне розсіювання світла справді існує.

Здавалося, теорія Релея була надійно підтверджена досвідом; всі вчені вважали її бездоганною.

Вона стала загальновизнаною та увійшла до всіх підручників оптики. Можна було зітхнути спокійно: знайдено нарешті пояснення явища – такого звичного і водночас загадкового.

Тим більше дивно, що у 1907 році на сторінках відомого наукового журналу знову було поставлено питання: чому ж небо блакитне?!

Суперечка

Хто ж зухвало поставив під сумнів загальновизнану релеївську теорію?

Як не дивно, це був один із найгарячіших шанувальників та шанувальників Релея. Мабуть ніхто так не цінував і не розумів Релея, не знав так добре його робіт, не цікавився його науковою творчістю так, як молодий російський фізик Леонід Мандельштам.

– У характері розуму Леоніда Ісааковича, – згадував згодом інший радянський вчений, академік Н.Д. Папалексі, було багато спільного з Релеєм. І не випадково, що шляхи їх наукової творчостічасто йшли паралельно та неодноразово перехрещувалися.

Перехрестилися вони й цього разу у питанні про походження кольору неба. До цього Мандельштам переважно захоплювався радіотехнікою. Для початку нашого століття це була зовсім нова областьнауки, і в ній мало хто розбирався. Після відкриття А.С. Попова (1895 року) минуло лише кілька років, і тут був непочатий край роботи. За короткий період Мандельштам виконав багато серйозних досліджень у галузі електромагнітних коливань стосовно радіотехнічних пристроїв. В 1902 він захистив дисертацію і в двадцять три роки отримав ступінь доктора натуральної філософії Страсбурзького університету.

Займаючись питаннями збудження радіохвиль, Мандельштам, природно, вивчав праці Релея, який був визнаним авторитетом у дослідженні коливальних процесів. І молодий лікар мимоволі познайомився із проблемою забарвлення неба.

Але, познайомившись із питанням забарвлення неба, Мандельштам не лише показав хибність, або, як він сам говорив, «недостатність» загальновизнаної теорії молекулярного розсіювання світла Релея, не лише розкрив таємницю блакитного кольору неба, а й започаткував дослідження, що призвели до одного з найважливіших відкриттівфізики ХХ століття.

А почалося все із заочної суперечки з одним із найбільших фізиків, батьком квантової теорії, М. Планком. Коли Мандельштам познайомився з теорією Релея, вона захопила його своєю недомовленістю і внутрішніми парадоксами, яких, на подив молодого фізика, не помічав старий, досвідчений Релей. Особливо виразно виявилася недостатність теорії Релея під час аналізу іншої теорії, побудованої її основі Планком пояснення ослаблення світла за його проходження через оптично однорідну прозоре середовище.

У цій теорії було прийнято за основу, що самі молекули речовини, якою проходить світло, є джерелами вторинних хвиль. На створення цих вторинних хвиль, стверджував Планк, витрачається частина енергії хвилі, яка при цьому послаблюється. Ми бачимо, що ця теорія ґрунтується на релеївській теорії молекулярного розсіювання та спирається на її авторитет.

Найпростіше усвідомити суть справи, розглядаючи хвилі лежить на поверхні води. Якщо хвиля зустрічається з нерухомими або плаваючими предметами (палі, колоди, човни тощо), то на всі боки від цих предметів розбігаються дрібні хвилі. Це не що інше, як розсіювання. Частина енергії падаючої хвилі витрачається на збудження вторинних хвиль, які цілком аналогічні до розсіяного світла в оптиці. У цьому початкова хвиля послаблюється – вона згасає.

Плаваючі предмети можуть бути набагато меншими, ніж довжина хвилі, що біжить по воді. Навіть дрібні зерна викликатимуть вторинні хвилі. Звичайно, у міру зменшення розмірів частинок утворені ними вторинні хвилі слабшають, але вони все ж таки забиратимуть енергію основної хвилі.

Приблизно так уявляв процес ослаблення світлової хвилі при проходженні її через газ Планк, але роль зерен у його теорії грали молекули газу.

Цією роботою Планка зацікавився Мандельштамом.

Ход думок Мандельштама можна пояснити за допомогою прикладу хвиль на поверхні води. Потрібно лише розглянути його уважніше. Отже, навіть дрібні зерна, які плавають лежить на поверхні води, є джерелами вторинних хвиль. Але що буде, якщо насипати це зерно так густо, що вони покриють всю поверхню води? Тоді виявиться, що окремі вторинні хвилі, викликані численними зернами, будуть складатися так, що вони повністю погасять ті частини хвиль, які біжать убік і назад, і розсіяння припиниться. Залишиться лише хвиля, що біжить уперед. Вона побіжить уперед, зовсім не послаблюючись. Єдиним результатом присутності всієї маси зерен виявиться деяке зменшення швидкості поширення первинної хвилі. Особливо важливо, що все це не залежить від того, чи зерна нерухомі або вони рухаються по поверхні води. Сукупність зерен діятиме просто як навантаження на поверхню води, змінюючи щільність її верхнього шару.

Мандельштам зробив математичний розрахунок для випадку, коли число молекул у повітрі таке велике, що навіть на такій маленькій ділянці, як довжина світлової хвилі, міститься дуже велика кількістьмолекул. Виявилося, що при цьому вторинні світлові хвилі, що збуджуються окремими молекулами, що хаотично рухаються, складаються так само, як хвилі на прикладі з зернами. Значить, у цьому випадку світлова хвиля поширюється без розсіювання та ослаблення, але з дещо меншою швидкістю. Це спростовувало теорію Релея, який вважав, що рух частинок, що розсіюють, у всіх випадках забезпечує розсіювання хвиль, а значить, спростовувало і засновану на ній теорію Планка.

Так під фундаментом теорії розсіювання виявили пісок. Вся велична будівля завагалася і погрожувала впасти.

Збіг

Але як справи з визначенням числа Лошмідта з вимірів блакитного свічення неба? Адже досвід підтверджував релеївську теорію розсіювання!

«Це збіг має розглядатися як випадкове», – писав Мандельштам у 1907 році у своїй роботі «Про оптично однорідні та каламутні середовища».

Мандельштам показав, що безладний рух молекул не може зробити однорідним газ. Навпаки, у реальному газі завжди є дрібні розрідження та ущільнення, що утворюються внаслідок хаотичного. теплового руху. Ось вони і призводять до розсіювання світла, оскільки порушують оптичну однорідність повітря. У тій самій роботі Мандельштам писав:

«Якщо середовище оптично неоднорідне, то, взагалі кажучи, світло, що падає, буде розсіюватися і в сторони».

Але оскільки розміри неоднорідностей, що виникають в результаті хаотичного руху, менші за довжину світлових хвиль, то розсіюватимуться переважно хвилі, що відповідають фіолетовій та синій частині спектру. А це призводить, зокрема, до блакитного забарвлення неба.

Так було остаточно вирішено загадку небесної блакиті. Теоретична частина була розроблена Релеєм. Фізичну природу розсіювачів було встановлено Мандельштамом.

Велика заслуга Мандельштама полягає в тому, що він довів, що припущення про досконалу однорідність газу несумісне з фактом розсіювання світла. Він зрозумів, що блакитний колір неба доводить, що однорідність газів тільки здається. Точніше, гази є однорідними тільки при дослідженні грубими приладами, такими, як барометр, ваги або інші прилади, на які впливають відразу багато мільярдів молекул. Але світловий промінь відчуває незрівнянно менші кількості молекул, що вимірюються лише десятками тисяч. І цього достатньо, щоб безперечно встановити, що щільність газу безперервно зазнає невеликих місцевих змін. Тому однорідне з нашої «грубої» точки зору середовище насправді неоднорідне. З точки зору світла вона здається каламутною і тому розсіює світло.

Випадкові місцеві зміни властивостей речовини, що утворюються внаслідок теплового руху молекул, тепер звуться флуктуацій. З'ясувавши флуктуаційне походження молекулярного розсіювання світла, Мандельштам проклав дорогу новому методу дослідження речовини – флуктуаційному, або статистичному, методу, згодом розвиненому Смолуховським, Лорентцем, Ейнштейном та ним самим у новий великий відділ фізики – статистичну.

Небо має мерехтіти!

Отже, таємниця блакитного кольору неба було розкрито. Але вивчення розсіювання світла цьому не припинилося. Звернувши увагу на майже невловимі зміни щільності повітря та пояснивши забарвлення неба флуктуаційним розсіюванням світла, Мандельштам своїм загостреним чуттям вченого виявив нову ще більш тонку особливість цього процесу.

Адже неоднорідності повітря спричинені випадковими коливаннями його густини. Розмір цих випадкових неоднорідностей, щільність згустків змінюється згодом. Тому, міркував учений, мусить змінюватися згодом і інтенсивність – сила розсіяного світла! Адже чим щільніше згустки молекул, тим інтенсивніше розсіяне на них світло. А оскільки ці згустки виникають і зникають хаотично, то небо, простіше кажучи, має мерехтіти! Сила його світіння та його колір повинні постійно (але дуже слабко) змінюватися! Але хіба хтось, колись помічав таке мерехтіння? Звісно, ні.

Це ефект такий тонкий, що простим оком його не помітиш.

Жоден із вчених теж не спостерігав подібної зміни свічення неба. Не міг перевірити висновки своєї теорії і сам Мандельштам. Організації найскладніших експериментів перешкоджали спочатку мізерні умови царської Росіїа потім проблеми перших років революції, іноземної інтервенціїта громадянської війни.

У 1925 Мандельштам став завідувачем кафедри в Московському університеті. Тут він зустрівся з видатним ученим та вправним експериментатором Григорієм Самуїловичем Ландсбергом. І ось, пов'язані глибокою дружбою та загальними науковими інтересами, вони разом продовжили штурм таємниць, прихованих у слабких променях розсіяного світла.

Оптичні лабораторії університету в ті роки були ще дуже бідні на прилади. В університеті не виявилося жодного приладу, здатного виявити мерехтіння неба або ті маленькі відмінності в частотах падаючого та розсіяного світла, які, як передбачала теорія, є результатом цього мерехтіння.

Проте це зупинило дослідників. Вони відмовилися від думки імітувати небо в лабораторних умов. Це тільки ускладнило б і так тонкий досвід. Вони вирішили вивчати не розсіювання білого – складного світла, а розсіювання променів однієї, чітко визначеної частоти. Якщо вони точно знатимуть частоту падаючого світла, буде набагато легше шукати ті близькі до неї частоти, які мають виникнути при розсіянні. Крім того, теорія підказувала, що спостереження легше проводити в твердих тілах, тому що в них молекули розташовані набагато тісніше, ніж у газах, а розсіювання тим більше, чим щільніша речовина.

Почалися копітки пошуки найбільш відповідних матеріалів. Нарешті вибір упав на кристали кварцу. Просто тому, що великі прозорі кристали кварцу доступніші, ніж будь-які інші.

Два роки тривали підготовчі досліди, відбиралися найбільш чисті зразки кристалів, удосконалювалася методика, встановлювалися ознаки, якими можна було безперечно відрізнити розсіювання на молекулах кварцу від розсіювання на випадкових включеннях, неоднорідностях кристала і забрудненнях.

Дотепність і праця

Не володіючи потужною апаратурою для спектрального аналізуВчені обрали дотепний обхідний шлях, який мав дати можливість скористатися наявними приладами.

Основною складністю в цій роботі було те, що на слабке світло, викликане молекулярним розсіюванням, накладалося набагато сильніше світло, розсіяне невеликими забрудненнями та іншими дефектами тих зразків кристалів, які вдалося отримати для дослідів. Дослідники вирішили скористатися тим, що розсіяне світло, утворене дефектами кристала і відбиття від різних частин установки, точно збігається по частоті з падаючим світлом. Їх же цікавило лише світло з частотою, зміненою відповідно до теорії Мандельштама. Таким чином, завдання полягало в тому, щоб на тлі цього набагато більше яскравого світлавиділити світло зміненої частоти, викликане молекулярним розсіюванням.

Щоб розсіяне світло мало величину, доступну для реєстрації, вчені вирішили висвітлювати кварц найпотужнішим з доступних їм освітлювальних приладів: ртутною лампою.

Отже, світло, розсіяне в кристалі, має складатися з двох частин: зі слабкого світла зміненої частоти, обумовленого молекулярним розсіюванням (дослідження цієї частини було метою вчених), і набагато сильнішого світла незміненої частоти, викликаного сторонніми причинами (ця частина була шкідливою, вона ускладнювала дослідження).

Ідея методу приваблювала своєю простотою: треба поглинути світло постійної частоти і пропустити в спектральний апарат лише світло зміненої частоти. Але відмінності частоти становили лише кілька тисячних часток відсотка. У жодній лабораторії світу не існувало фільтра, здатного розділити такі близькі частоти. Проте вихід було знайдено.

Розсіяне світло було пропущено через посудину з парами ртуті. В результаті все "шкідливе" світло "застрягло" в посудині, а світло "корисне" пройшло без помітного послаблення. Експериментатори при цьому скористалися однією вже відомою обставиною. Атом речовини, як стверджує квантова фізика, здатний випромінювати світлові хвилі лише певних частот. Натомість цей атом здатний і поглинати світло. Причому лише світлові хвилі тих частот, що він може випромінювати.

У ртутній лампі світло випромінюється парами ртуті, що світиться під впливом електричного розряду, що відбувається всередині лампи. Якщо це світло пропустити через посудину, що також містить пари ртуті, воно буде майже повністю поглинене. Відбудеться те, що передбачає теорія: атоми ртуті в посудині поглинуть світло, що випромінюється атомами ртуті в лампі.

Світло від інших джерел, наприклад, від неонової лампи, пройде крізь пари ртуті неушкодженим. На нього атоми ртуті навіть не звернуть уваги. Не буде поглинена і та частина світла ртутної лампи, що розвіялася в кварці зі зміною довжини хвилі.

Ось цією зручною обставиною і скористалися Мандельштам і Ландсберг.

Дивовижне відкриття

1927 року почалися вирішальні досліди. Вчені висвітлили кристал кварцу світлом ртутної лампи, опрацювали результати. І... здивувалися.

Результати досвіду були несподівані та незвичайні. Вчені виявили зовсім не те, що очікували, не те, що було передбачено теорією. Вони відкрили нове явище. Але яке? І чи не помилка це? У розсіяному світлі були виявлені не очікувані частоти, але частоти набагато вищі і нижчі. У спектрі розсіяного світла з'явилася ціла комбінація частот, яких не було в світлі, що падає на кварц. Пояснити їхню появу оптичними неоднорідностями в кварці було просто неможливо.

Почалася ретельна перевірка. Досліди проводилися бездоганно. Вони були задумані настільки дотепно, досконало й винахідливо, що ними не можна було не захоплюватися.

- Так красиво і часом геніально просто вирішувалися Леонідом Ісааковичем іноді дуже непрості. технічні завдання, Що мимоволі у кожного з нас виникало питання: «Чому це раніше не спало мені на думку?» – розповідає один із співробітників.

Різноманітні контрольні дослідинаполегливо підтверджували, що помилок немає. На фотографіях спектра розсіяного світла завзято з'являлися слабкі і, проте, цілком явні лінії, які свідчать про наявність у розсіяному світлі зайвих частот.

Багато місяців вчені шукали пояснення цього явища. Звідки в розсіяному світлі з'явилися «чужі» частоти?

І настав день, коли Мандельштама осяяла дивовижна здогад. Це було дивовижне відкриття, те, що й тепер вважається одним із найважливіших відкриттів XX століття.

Але і Мандельштам і Ландсберг дійшли одностайного рішення, що опублікувати це відкриття можна лише після солідної перевірки, після вичерпного проникнення в глибину явища. Завершальні досліди розпочалися.

За допомогою сонця

16 лютого індійські вчені Ч.М. Раман та К.С. Крішнан відправили з Калькутти до цього журналу телеграму з коротким описом свого відкриття.

У журнал «Природа» в ті роки з усього світу стікалися листи про різні відкриття. Але не кожному повідомленню викликати хвилювання серед учених. Коли ж з друку вийшов номер із листом індійських учених, фізики дуже схвилювалися. Вже одна назва нотатки – « Новий типвторинного випромінювання» – збуджувало інтерес. Адже оптика - одна з найстаріших наук, відкрити в ній щось невідоме у XX столітті вдавалося зовсім не часто.

Можна уявити, з яким інтересом чекали фізики всього світу нових листів із Калькутти.

Їх інтерес значною мірою підігрівався і самою особистістю одного з авторів відкриття, Рамана. Це людина цікавої долі та непересічної біографії, дуже подібної до ейнштейнівської. Ейнштейн у юності був простим викладачем гімназії, а потім службовцем патентного бюро. Саме в цей період він закінчив найзначніші зі своїх робіт. Раман, блискучий фізик, теж після закінчення університету змушений був протягом десяти років служити в департаменті фінансів і лише після цього був запрошений на кафедру університету Калькутти. Раман незабаром став визнаним главою індійської школи фізиків.

Незадовго до подій Раман і Крішнан захопилися цікавим завданням. Тоді ще не вляглися пристрасті, викликані в 1923 відкриттям американського фізика Комптона, який, вивчаючи проходження рентгенових променів через речовину, виявив, що частина цих променів, розсіюючись в сторони від початкового напрямку, збільшує довжину своєї хвилі. У перекладі мовою оптиків можна сказати, що рентгенові промені, зіткнувшись з молекулами речовини, змінювали свій «колір».

Це явище легко пояснювалось законами квантової фізики. Тому відкриття Комптона стало одним із вирішальних доказів правильності молодої квантової теорії.

Щось подібне, але вже в оптиці вирішили спробувати. виявити індійські вчені. Вони хотіли пропустити світло через речовину і подивитися, як розсіюватимуться його промені на молекулах речовини і чи зміниться при цьому довжина їхньої хвилі.

Як бачите, свідомо чи мимоволі, індійські вчені поставили перед собою те саме завдання, що й радянські вчені. Але цілі вони були різні. У Калькутті шукали оптичну аналогію ефекту Комптон. У Москві – досвідченого підтвердження мандельштамівського передбачення зміни частоти при розсіянні світла на флуктуючих неоднорідностях.

Раман і Крішнан задумали складний досвід, оскільки очікуваний ефект мав бути надзвичайно малим. Для досвіду знадобилося дуже яскраве джерело світла. І тоді вони вирішили використати сонце, зібравши його промені за допомогою телескопа.

Діаметр його об'єктива дорівнював вісімнадцяти сантиметрам. Зібране світло дослідники направили через призму на судини, в яких містилися рідини та гази, ретельно очищені від пилу та інших забруднень.

Але виявити очікуване мале подовження хвилі розсіяного світла, користуючись білим сонячним світлом, що містить практично всі довжини хвиль, було безнадійно. Тому вчені вирішили скористатися світлофільтрами. Вони поставили перед об'єктивом синьо-фіолетовий фільтр, а спостерігали розсіяне світло через жовто-зелений фільтр. Вони справедливо вирішили, що те, що пропустить перший фільтр, застрягне у другому. Адже жовто-зелений фільтр поглинає синьо-фіолетові промені, що пропускаються першим фільтром. А обидва, поставлені один за одним, повинні поглинати все світло, що падає. Якщо ж у око спостерігача і потраплять якісь промені, то можна буде сказати з упевненістю, що вони не були в світлі, що падає, а народилися в досліджуваній речовині.

Колумби

І справді, у розсіяному світлі Раман і Крішнан виявили промені, що проходять через другий фільтр. Вони зафіксували зайві частоти. Це, в принципі, міг бути оптичний ефект Комптона. Тобто при розсіянні на молекулах речовини, що знаходиться в судинах, синьо-фіолетове світло могло змінити своє забарвлення і стати жовто-зеленим. Але це треба було ще довести. Могли ж бути інші причини, що викликають поява жовто-зеленого світла. Наприклад, він міг з'явитися в результаті люмінесценції – слабкого світіння, яке часто виникає у рідинах та твердих тілах під дією світла, тепла та інших причин. Очевидно, було одне – світло це народжене знову, воно не утримувалося в падаючому світлі.

Вчені повторили свій досвід із шістьма різними рідинами та двома типами пар. Вони переконалися, що ні люмінесценція, ні інші причини тут не відіграють ролі.

Факт збільшення довжини хвилі видимого світла при розсіянні їх у речовині здавався Раману і Крішнану встановленим. Здавалося, пошуки увінчалися успіхом. Вони виявили оптичну аналогію ефекту Комптон.

Але щоб досліди мали закінчений вигляд та висновки були досить переконливими, треба було зробити ще одну частину роботи. Мало було виявити зміну довжини хвилі. Потрібно було виміряти величину цієї зміни. Перше допоміг зробити світлофільтр. Зробити друге він був безсилий. Тут ученим знадобився спектроскоп – прилад, що дозволяє виміряти довжину хвилі світла, що досліджується.

І дослідники розпочали другу частину, не менш складну та копітку. Але й вона задовольнила їхні очікування. Результати підтвердили висновки першої частини роботи. Проте довжина хвилі виявилася несподівано великою. Набагато більше, ніж очікувалося. Дослідників це не збентежило.

Як не згадати тут про Колумба? Він прагнув знайти морський шлях до Індії і, побачивши землю, не сумнівався, що досяг мети. Чи були у нього підстави засумніватися у своїй впевненості, побачивши червоношкірих мешканців і незнайому природу Нового Світу?

Чи не так Раман і Крішнан, прагнучи виявити ефект Комптона в видимому світлі, вирішили, що знайшли його, дослідивши світло, що пройшло через їх рідини та гази?! Чи засумнівалися вони, коли виміри показали несподівано більшу зміну довжини хвилі розсіяних променів? Який висновок вони зробили зі свого відкриття?

На думку індійських вчених вони знайшли те, що шукали. 23 березня 1928 року до Лондона полетіла телеграма зі статтею, названою «Оптична аналогія ефекту Комптона». Вчені писали: «Таким чином, оптична аналогія ефекту Комптона очевидна, за винятком того, що ми маємо справу зі зміною довжини хвилі набагато більшою...» Зауважте: «багато більшою...»

Танець атомів

Робота Рамана та Крішнана була зустрінута оваціями серед учених. Усі справедливо захоплювалися їхнім експериментальним мистецтвом. За це відкриття Роман був удостоєний 1930 року Нобелівської премії.

До листа індійських вчених було додано фотографію спектра, де зайняли свої місця лінії, що зображують частоту падаючого світла і світла, розсіяного на молекулах речовини. Ця фотографія, на думку Рамана та Крішнана, ясніше ясно ілюструвала їх відкриття.

Коли на цю фотографію глянули Мандельштам та Ландсберг, вони побачили майже точну копію фотографії, яку вони отримали! Але, познайомившись із поясненням її, вони одразу зрозуміли, що Раман та Крішнан помилилися.

Ні, не ефект Комптона виявили індійські вчені, а явище зовсім інше, те, яке вже багато років вивчали радянські вчені.

Поки розросталося хвилювання, спричинене відкриттям індійських учених, Мандельштам і Ландсберг закінчували контрольні досліди, підбивали останні вирішальні підсумки.

І ось 6 травня 1928 року ними була відправлена до друку стаття. До статті було додано фотографію спектра.

Коротко виклавши історію питання, дослідники давали докладне тлумаченнявідкритого ними явища.

То що це було за явище, яке змусило помучитися і поламати собі голови чимало вчених?

Глибока інтуїція та ясний аналітичний розум Мандельштама одразу підказали вченому, що виявлені зміни частоти розсіяного світла не можуть бути викликані тими міжмолекулярними силами, які вирівнюють випадкові неодноразові густини повітря. Вченому стало зрозуміло, що причина, безсумнівно, криється всередині самих молекул речовини, що викликане внутрішньомолекулярними коливаннями атомів, що утворюють молекулу.

Такі коливання відбуваються з набагато вищою частотою, ніж ті, що супроводжують утворення та розсмоктування випадкових неоднорідностей середовища. Ось ці коливання атомів у молекулах і позначаються на розсіяному світлі. Атоми хіба що мітять його, залишають у ньому свої сліди, зашифровують додатковими частотами.

Це був прекрасний здогад, зухвале вторгнення думки людини за кордон невеликої фортеці природи – молекули. І ця розвідка принесла найцінніші відомості про її внутрішню будову.

Рука об руку

Отже, при спробі виявити малу зміну частоти розсіяного світла, викликане міжмолекулярними силами, було виявлено більшу зміну частоти, викликану внутрішньомолекулярними силами.

Таким чином, для пояснення нового явища, яке отримало назву «комбінаційне розсіювання світла», достатньо було теорію молекулярного розсіювання, створену Мандельштамом, доповнити даними про вплив коливань атомів усередині молекул. Нове явище виявилося відкритим внаслідок розвитку ідеї Мандельштама, сформульованої ним ще 1918 року.

Так, недарма, як сказав академік С.І. Вавілов, «Природа обдарувала Леоніда Ісааковича зовсім незвичайним прозорливим тонким розумом, який відразу помічав і розумів те головне, повз що байдуже проходила більшість. Так була зрозуміла флуктуаційна сутність розсіювання світла, так з'явилася ідея про зміну спектра при розсіянні світла, що стала основою відкриття комбінаційного розсіювання».

Згодом з цього відкриття було отримано величезну користь, воно отримало цінне практичне застосування.

У момент відкриття воно здавалося лише найціннішим внеском у науку.

А що ж Раман та Крішнан? Як поставилися вони до відкриття радянських учених, та й до свого теж? Чи зрозуміли вони, що відчинили?

Відповідь на ці питання міститься в наступному листі Рамана та Крішнана, який вони відправили до друку через 9 днів після опублікування статті радянських учених. Так, вони зрозуміли - явище, що спостерігалося ними, не ефект Комптона. Це комбінаційне розсіювання світла.

Після опублікування листів Рамана і Крішнана і статей Мандельштама і Ландсберга вченим усього світу стало ясно, що те саме явище незалежно і практично одночасно зроблено і вивчається в Москві і Калькутті. Але московські фізики вивчали його в кристалах кварцу, а індійські – у рідинах та газах.

І ця паралельність, звісно, була випадкової. Вона говорить про актуальність проблеми, її велику наукову важливість. Не дивно, що результати, близькі до висновків Мандельштама та Рамана наприкінці квітня 1928 року, незалежно один від одного отримали також французькі вчені Рокар та Кабан. Через деякий час вчені згадали, що ще 1923 року чеський фізик Смекаль теоретично передбачив те саме явище. Після роботою Смекаля з'явилися теоретичні дослідження Крамерса, Гейзенберга, Шредінгера.

Очевидно, лише недоліком наукової інформаціїможна пояснити той факт, що вчені багатьох країн працювали над вирішенням однієї й тієї ж задачі, навіть не знаючи про це.

Через тридцять сім років

Дослідження комбінаційного розсіювання не лише відкрили новий розділу науці про світло. Водночас вони дали потужна зброятехніки. Промисловість набула відмінний спосібвивчення властивостей речовини.

Адже частоти комбінаційного розсіювання світла є відбитками, які накладаються на світло молекулами середовища, що розсіює світло. І в різних речовинах ці відбитки неоднакові. Саме це дало право академіку Мандельштаму назвати комбінаційне розсіювання світла «мовою молекул». Тим, хто зможе прочитати сліди молекул на променях світла, визначити склад розсіяного світла, молекули, користуючись цією мовою, розкажуть про таємниці своєї будови.

На негативі фото комбінаційного спектру немає нічого, крім ліній різної чорноти. Але за цією фотографією фахівець обчислить частоти внутрішньомолекулярних коливань, які з'явилися у розсіяному світлі після проходження його через речовину. Знімок розповість про багато досі невідомих сторін внутрішнього життямолекул: про їх будову, про сили, що зв'язують атоми в молекули, про відносні рухи атомів. Навчаючись розшифровувати спектрограми комбінаційного розсіювання, фізики вчилися розуміти своєрідну «світлову мову», якою молекули розповідають про себе. Так нове відкриття дозволило глибше проникати у внутрішню будову молекул.

У наші дні фізики користуються комбінаційним розсіюванням для вивчення будови рідин, кристалів та склоподібних речовин. Хіміки визначають цим способом структуру різних сполук.

Методи дослідження речовини, що використовують явище комбінаційного розсіювання світла, розробили працівники лабораторії. Фізичного інститутуімені П.М. Лебедєва Академії наук СРСР, якою керував академік Ландсберг.

Ці методи дозволяють в умовах заводської лабораторії швидко і точно виробляти кількісні та якісні аналізиавіаційних бензинів, продуктів крекінгу, продуктів переробки нафти та багатьох інших складних органічних рідин. Для цього достатньо висвітлити досліджувану речовину та визначити спектрографом склад розсіяного ним світла. Здається дуже просто. Але перш ніж цей метод виявився справді зручним і швидким, вченим довелося чимало попрацювати над створенням точної, чутливої апаратури. І ось чому.

Із загальної кількості світлової енергії, що надходить у речовину, що вивчається, лише нікчемна частина – приблизно одна десятимільярдна – припадає на частку розсіяного світла. А на комбінаційне розсіювання рідко припадає навіть два-три відсотки цієї величини. Мабуть, тому комбінаційне розсіювання довго залишалося непоміченим. І не дивно, що отримання перших фотографій комбінаційного розсіювання вимагало експозицій, що тривали десятки годин.

Сучасна апаратура, створена в нашій країні, дозволяє отримати комбінаційний спектр. чистих речовинпротягом кількох хвилин, а іноді й секунд! Навіть для аналізу складних сумішей, які окремі речовини входять у кількості кількох відсотків, зазвичай достатньо експозиції, що не перевищує години.

Пройшло тридцять сім років з того часу, як мова молекул, записана на фотопластинках, була відкрита, розшифрована і зрозуміла Мандельштамом і Ландсбергом, Раманом і Крішнаном. З того часу в усьому світі ведеться наполеглива робота зі складання «словника» мови молекул, яку оптики називають каталогом частот комбінаційного розсіювання. Коли такий каталог буде складено, розшифровка спектрограм значно полегшиться і комбінаційне розсіювання світла ще повніше стане на службу науці та індустрії.

Коли вітер накидає на гарне блакитне небо білу пухнасту прозору накидку, люди все частіше починають поглядати нагору. Якщо воно при цьому ще й надягає на себе велику сіру шубу зі срібними нитками дощу, то оточуючі ховаються від парасольок. Якщо вбрання темно-фіолетового кольору, всі сидять вдома і бажають побачити сонячне блакитне небо.

І тільки коли з'являється таке довгоочікуване сонячне блакитне небо, яке одягає на себе сліпуче блакитну сукню, прикрашену золотистим сонячним промінням, люди радіють – і посміхаючись, залишають будинки в очікуванні гарної погоди.

Питання, чому небо блакитне, хвилювало людські уми ще з незапам'ятних часів. Грецькі легенди знайшли свою відповідь. Вони стверджували, що цей відтінок йому надає найчистіший гірський кришталь.

За часів Леонардо да Вінчі та Ґете також шукали відповідь на запитання, чому небо блакитне. Вони вважали, що блакитний колір неба виходить при змішуванні світла з темнотою. Але пізніше ця теорія була спростована як неспроможна, оскільки виявилося, що комбінуючи ці кольори можна отримати лише тони сірого спектру, але ніяк не кольорового.

Через деякий час відповідь на питання, чому небо блакитне, спробували пояснити у 18 столітті Маріотт, Бугер та Ейлер. Вони вважали, що це природний колір частинок, у тому числі складається повітря. Ця ця теорія була популярна навіть на початку наступного століття, особливо коли було встановлено, що рідкий кисень– блакитного, а рідкий озон – синього тону.

Першим більш-менш тямущу ідею подав Соссюр, який припустив, щоб якби повітря було повністю чистим, без домішок, небо виявилося б чорним. Але оскільки атмосфера містить у собі різні елементи (наприклад, пару чи водяні краплі), всі вони, відбиваючи колір, надають небу потрібний відтінок.

Після цього вчені почали все ближче і ближче підбиратися до істини. Араго відкрив поляризацію, одну з характеристик розсіяного світла, що відбивається від неба. У цьому відкритті вченому допомогла фізика. Пізніше шукати відповідь взялися й інші дослідники. При цьому питання, чому небо блакитне настільки цікавило вчених, що для його з'ясування було проведено безліч різних експериментів, які привели до думки, що головна причина появи блакитного кольору в тому, що промені Сонця просто розсіюються в атмосфері.

Пояснення

Першим, хто створив математично обґрунтовану відповідь молекулярного розсіювання світла, виявився британський дослідник Релей. Він висунув припущення, що світло розсіюється не через домішки, які має атмосфера, а через самі молекули повітря. Його теорія отримала розвиток – і ось яких висновків дійшли вчені.

Сонячні промені пробиваються Землю через її атмосферу (товстий шар повітря), так звану повітряну оболонку планети. Темне небо повністю наповнене повітрям, яке незважаючи на те, що повністю прозоре, порожнечею не є, а складається з молекул газу – азоту (78%) та кисню (21%), а також водяних крапель, пари, крижаних кристалів та невеликих шматочків твердого матеріалу(Наприклад, частинок пилу, сажі, попелу, океанської солі тощо).

Деяким променям вдається вільно пройти між газовими молекулами, повністю минаючи їх, а тому без змін досягти поверхні нашої планети, але більшість променів стикаються з газовими молекулами, які приходять у збуджений стан, одержують енергію та випускають у різні сторонирізнокольорові промені, повністю забарвлюючи небо, внаслідок чого ми бачимо сонячне блакитне небо.

Біле світло саме по собі складається з усіх кольорів веселки, яку нерідко можна побачити, коли воно розкладається на складові. Так вийшло, що молекули повітря найбільше розсіюють синій та фіолетовий кольори, оскільки вони є найкоротшою частиною спектру, оскільки мають найменшу довжину хвилі.

При змішуванні в атмосфері синього та фіолетового квітівз невеликою кількістю червоного, жовтого та зеленого, небо починає «світитися» блакитним кольором.

Оскільки атмосфера нашої планети не однорідна, а досить різна (біля поверхні Землі щільніша, ніж нагорі), вона має різну структурута властивості, ми можемо спостерігати переливи блакитного кольору. Перед заходом сонця або сходом, коли довжина сонячних променів значно збільшується, сині та фіолетові кольорирозсіюються в атмосфері та до поверхні нашої планети абсолютно не доходять. Успішно дістаються жовто-червоні хвилі, які ми й спостерігаємо на небосхилі в цей період часу.

У нічний час, коли сонячні промені, потрапляючи на певний бік планети, не мають жодної можливості, атмосфера там стає прозорою, і ми бачимо «чорний» космос. Саме таким його бачать астронавти, які перебувають над атмосферою. Варто зауважити, що космонавтам пощастило, адже коли вони перебувають понад 15 км над поверхнею землі, вдень вони можуть одночасно спостерігати за Сонцем та зірками.

Забарвлення неба на інших планетах

Оскільки колір піднебіння багато в чому залежить від атмосфери, немає нічого дивного в тому, що на різних планетах воно різного кольору. Цікаво, що такого ж кольору, як на нашій планеті, атмосфера Сатурна.

Дуже красивого аквамаринового кольору неба Урана. Атмосфера на ньому складається в основному з гелію та водню.У ній також присутній метан, який повністю поглинає червоний та розсіює зелений та блакитний кольори. Синього кольоруНебеса Нептуна: в атмосфері цієї планети немає стільки гелію і водню, як наша, але багато метану, який нейтралізує червоне світло.

Атмосфера на Місяці, супутнику Землі, а також на Меркурії та Плутоні повністю відсутня, отже, світлові промені не відбиваються, тому небесне склепіння тут чорне, а зірки легко помітні. Сині та зелені кольори сонячних променів повністю поглинаються атмосферою Венери, і коли Сонце біля обрію, небеса тут жовті.

Колір неба при різних станахпогоди буває різним, змінюючись від білуватого до інтенсивно синього. Теорія, що пояснює колір піднебіння була розроблена Релеєм.

За цією теорією колір неба пояснюється тим, що промені сонця, багаторазово відбиваючись від молекул повітря і найдрібніших частинок пилу, розсіюються в атмосфері. Світлові хвилі різної довжинирозсіюються молекулами неоднаково: молекули повітря розсіюють переважно короткохвильову частину видимого сонячного спектру, тобто. блакитні, сині та фіолетові промені, а так як інтенсивність фіолетової частини спектру невелика порівняно з блакитною та синьою частинами, то небо і представляється блакитним або синім.

Значна яскравість небесного склепіння пояснюється лише тим, що земна атмосфера має значну товщу і світло розсіюється величезним числом молекул.

На великих висотах, наприклад, при спостереженнях з космічних кораблів, над головою спостерігача залишаються розряджені шари атмосфери меншим числоммолекул, що розсіюють світло, а отже, і яскравість небесного склепіння зменшується. Небо здається темнішим, його колір зі збільшенням висоти змінюється. Небо здається темнішим, його колір зі збільшенням висоти змінюється від темно-синього до темно-фіолетового. Вочевидь, що у ще більших висотах і поза атмосфери небо представляється спостерігачеві чорним.

Якщо повітря містить велика кількістьщодо великих частинок, ці частки розсіюють і довші світлові хвилі. У цьому випадку небо набуває білуватий колір. Великі водяні краплі, або водяні кристали, з яких складаються хмари, приблизно однаково розсіюють всі спектральні кольори, тому хмарне небо має блідо-сірий колір.

Це підтверджують проведені спостереження, під час яких відзначалися метеорологічні умови та відповідний колір неба над Новокузнецьким містом.

Характерні відтінки у кольорі піднебіння 28-29 листопада обумовлені присутністю промислових викидів, які концентруються у повітрі зі зниженням температури та відсутністю вітру.

На колір неба впливає також характер та колір земної поверхніа також щільність атмосфери.

Експоненційний закон зменшення щільності атмосфери з висотою.

Барометрическая формула визначає зменшення щільності атмосфери з висотою загалом; вона не враховує вітру, конвекційних потоків, змін температури. Крім того, висота не повинна бути занадто великою, щоб можна було нехтувати залежністю прискорення g від висоти.

Барометричну формулу пов'язують з ім'ям австрійського фізика Людвіга Больцмана. Але перші вказівки на експоненційний характер зменшення щільності повітря з висотою містилися фактично в дослідженнях Ньютона з рефракції світла в атмосфері і були використані при складанні уточненої таблиці рефракції.

Наведені графіки показують, як у процесі дослідження астрономічної рефракції уточнювалися уявлення про загальному характерізміни показника заломлення атмосфери із висотою.

відповідає теорії Кеплера
первісної ньтонівської теорії рефракції
уточненої ньютонівської та сучасної теорії рефракції світла в атмосфері

Рефракція світла в атмосфері

Атмосфера є оптично неоднорідним середовищем, тому траєкторія світлового променяв атмосфері завжди певною мірою криволінійна. Викривлення світлових променів під час проходження через атмосферу називають рефракцією світла у атмосфері.

Розрізняють астрономічну та земну рефракцію. У першому випадку розглядається викривлення світлових променів, що приходять до земного спостерігача від небесних тіл. У другому випадку розглядається викривлення світлових променів, які приходять до спостерігача від земних об'єктів. В обох випадках внаслідок викривлення світлових променів спостерігач може бачити об'єкт не в тому напрямку, що відповідає дійсності; об'єкт може здаватися спотвореним. Можливе спостереження об'єкта навіть тоді, коли він фактично перебуває за лінією горизонту. Таким чином, рефракція світла в земній атмосферіможе призводити до своєрідних обманів зору.

Припустимо, що атмосфера складається із набору оптично однорідних горизонтальних шарів однакової товщини; показник заломлення стрибком змінюється від одного шару до іншого, поступово збільшуючись у напрямку від верхніх шарів до нижніх. Така чисто умоглядна ситуація показана.

Насправді щільність атмосфери, отже, і його показник заломлення змінюються з висотою не стрибками, а безперервно. Тому траєкторія світлового променя є не ламаною, а кривою лінією.

Припустимо, що зображений на малюнку промінь проходить до спостерігача від деякого небесного об'єкта. Якби не було рефракції світла в атмосфері, цей об'єкт був би видно спостерігачеві під кутом ά . Внаслідок рефракції спостерігач бачить об'єкт не під кутом ά, а під кутом φ. Оскільки φ ά, то об'єкт здається вище над горизонтом, ніж це є насправді. Інакше кажучи, зенітна відстань об'єкта, що спостерігається, менше дійсної зенітної відстані. Різниця Ώ = ά - φ називають кутом рефракції.

Згідно з сучасними даними максимальний кут рефракції становить 35".

Коли спостерігач стежить за заходом Сонця і бачить, як нижній край світила торкнувся лінії горизонту, насправді зараз цей край вже знаходиться на 35" нижче лінії горизонту. Цікаво, що верхній край сонячного диска піднімається рефракцією слабше - тільки на 29". Тому Сонце, що заходить, здається трохи сплюснутим по вертикалі.

Дивне в сонячних заходах сонця

Розглядаючи рефракцію світла, необхідно враховувати поряд із систематичною зміною щільності повітря з висотою також і ряд додаткових факторів, багато з яких мають досить випадковий характер. Йдеться про вплив на показник заломлення повітря конвекційних потоків та вітру, температури повітря в різних точках атмосфери над різними ділянкамиземної поверхні.

Особливості стану атмосфери і насамперед особливості прогрівання атмосфери в нижніх її шарах над різними ділянками земної поверхні призводять до своєрідності спостережуваних заходів Сонця.

Сліпа смуга. Іноді Сонце здається не за лінію горизонту, а за деяку невидиму лінію, що знаходиться над горизонтом. Таке явище спостерігається без будь-якої хмарності на горизонті. Якщо в цей час піднятися на вершину пагорба, то можна спостерігати ще дивнішу картину: тепер Сонце заходить за лінію горизонту, але при цьому сонячний диск виявляється ніби перерізаним горизонтальною сліпою смугою, положення якої по відношенню до лінії горизонту зберігається незмінним. Ці незвичайні сонячні заходи сонцяможна побачити, за словами очевидців, у різних географічних областях, наприклад, у п. Великий камінь Приморського краю та Сочі Краснодарського краю.

Така картина спостерігається, якщо повітря біля самої Землі виявляється холодним, а вище знаходиться шар відносно теплого повітря. У цьому випадку показник заломлення повітря змінюється з висотою приблизно так, як показано на графіці; перехід від нижнього холодного шару повітря до теплого, що лежить над ним, може призводити до досить різкого спаду показника заломлення. Для простоти приймемо, що цей спад відбувається стрибком і тому між холодним і теплим шарами існує чітко виражена поверхня розділу, що знаходиться на певній висоті h1 над поверхнею Землі. На малюнку через nx позначено показник заломлення повітря у холодному шарі, а через nт – у теплому шарі поблизу кордону з холодним.

Показник заломлення повітря дуже мало відрізняється від одиниці, тому для більшої наочності по вертикальної осіу цьому малюнку відкладено значення самого показника заломлення, яке перевищення над одиницею, тобто. різницю n-1.

Картина зміни показника заломлення, представлена на рис.4б), використана при побудові ходу променів малюнку 5, де зображено частину поверхні земної куліі що примикає до неї шар холодного повітря товщиною hο.

Якщо поступово збільшувати φ починаючи від нуля, при цьому кут α2 також буде збільшуватися. Припустимо, що за деякого значення φ = φ´ кут α2 стає рівним граничному куткуαο , що відповідає повному внутрішньому відображеннюна межі холодного та теплого шарів; у цьому випадку sin α1 = 1. Куту αο відповідає малюнку 5 промінь ВА; він утворює з горизонталлю кут β = 90 - φ '. До спостерігача нічого очікувати потрапляти промені, які увійдуть у холодний шар точках, кутова висота яких над горизонтом менше, ніж кутова висота точки, тобто. менше кута β. Тим самим одержує пояснення сліпа смуга.

Зелений промінь. Зеленим променем називають дуже ефектний спалах зеленого світла, що спостерігається іноді при заході та сході Сонця. Тривалість спалаху становить лише 1-2сек. Явище полягає в наступному: якщо Сонце заходить за ясному небі, то при достатній прозорості повітря іноді можна спостерігати, як остання видима точка Сонця швидко змінює свій колір від блідо-жовтого або оранжево-червоного до яскраво-зеленого. При сході Сонця можна спостерігати те саме явище, але з зворотним порядкомчергування кольорів.

Виникнення зеленого променяможна пояснити, якщо взяти до уваги зміну показника заломлення із частотою світла.

Зазвичай показник заломлення зростає із збільшенням частоти. Промені з більш високою частотою заломлення сильніші. Отже, синьо-зелені промені зазнають сильнішої рефракції порівняно з червоними променями.

Припустимо, що рефракція світла у атмосфері є, а розсіювання світла немає. У цьому випадку верхній та нижній краюсонячного диска поблизу лінії горизонту мали б бути забарвленими кольорами веселки. Нехай у спектрі сонячного світлає лише два кольори – зелений та червоний; «білий» сонячний диск можна розглядати в даному випадкуу вигляді накладених один на одного зеленого та червоного дисків. Рефракція світла в атмосфері піднімає над горизонтом зелений диск більшою мірою, ніж червоний. Тому спостерігач мав би бачити західне Сонце таким, яким воно показано на рис. 6а). Верхній край сонячного диска був зеленим, а нижній червоним; у центральній частині диска спостерігалося б змішання кольорів, тобто. спостерігався б білий колір.

Насправді ж не можна не враховувати розсіювання світла в атмосфері. Воно призводить до того, що з світлового пучка, що йде від Сонця, вибувають ефективніше промені з вищою частотою. Так що зеленої облямівки зверху диска не буде видно, а весь диск виглядатиме не білим, а червонуватим. Якщо, однак, майже весь сонячний диск пішов за обрій, залишився лише найвищий його краєчок, і при цьому стоїть ясна і тиха погода, повітря чисте, то в цьому випадку спостерігач може побачити яскраво-зелений край Сонця разом із розсипом яскравих зелених променів.