Голубое небо объяснение с физической точки зрения. Безумные идеи

Радость видеть и понимать
есть самый прекрасный дар природы.
Альберт ЭЙНШТЕЙН

Загадка небесной лазури

Почему небо голубое?...

Нет такого человека, который не задумался над этим хоть раз в жизни. Объяснить происхождение цвета неба старались уже средневековые мыслители. Некоторые из них предполагали, что синий цвет – это истинный цвет воздуха или какого-нибудь из составляющих его газов. Другие думали, что настоящий цвет неба черный – такой, каким оно выглядит ночью. Днем же черный цвет неба складывается с белым – солнечных лучей, и получается... голубой.

Сейчас, пожалуй, не встретишь человека, который, желая получить голубую краску, стал бы смешивать черную и белую. А было время, когда законы смешения цветов были еще неясны. Их установил всего триста лет назад Ньютон.

Ньютон заинтересовался и тайной небесной лазури. Он начал с того, что отверг все предшествующие теории.

Во-первых, утверждал он, смесь белого и черного никогда не образует голубого. Во-вторых, голубой цвет – это совсем не истинный цвет воздуха. Если бы это было так, то Солнце и Луна на закате казались бы не красными, как это есть в действительности, а голубыми. Такими выглядели бы и вершины отдаленных снежных гор.

Представьте, что воздух окрашен. Пусть даже очень слабо. Тогда толстый слой его действовал бы как окрашенное стекло. А если смотреть сквозь окрашенное стекло, то все предметы покажутся такого же цвета, как это стекло. Почему же отдаленные снежные вершины представляются нам розовыми, а вовсе не голубыми?

В споре с предшественниками правда была на стороне Ньютона. Он доказал, что воздух не окрашен.

Но все же загадку небесной лазури он не разрешил. Его смутила радуга, одно из самых красивых, поэтичных явлений природы. Почему она неожиданно возникает и столь же неожиданно исчезает? Ньютон не мог удовлетвориться бытовавшим суеверием: радуга – это знамение свыше, она предвещает хорошую погоду. Он стремился отыскать материальную причину каждого явления. Нашел он и причину радуги.

Радуга – это результат преломления света в дождевых каплях. Поняв это, Ньютон сумел вычислить форму радужной дуги и объяснить последовательность цветов радуги. Его теория не могла объяснить лишь возникновение двойной радуги, но это удалось сделать лишь три века спустя при помощи очень сложной теории.

Успех теории радуги загипнотизировал Ньютона. Он ошибочно решил, что голубая окраска неба и радуга вызываются одной и той же причиной. Радуга действительно вспыхивает, когда лучи Солнца, пробиваются сквозь рой дождевых капель. Но ведь голубизна неба видна не только в дождь! Напротив, именно в ясную погоду, когда нет даже намека на дождь, небо особенно сине. Как же не заметил этого великий ученый? Ньютон думал, что мельчайшие водяные пузырьки, образующие по его теории только голубую часть радуги, плавают в воздухе при любой погоде. Но это было заблуждением.

Первое решение

Прошло почти 200 лет, и этим вопросом занялся другой английский ученый – Рэлей, не убоявшийся того, что задача оказалась не по силам даже великому Ньютону.

Рэлей занимался оптикой. А люди, посвятившие свою жизнь исследованию света, много времени проводят в темноте. Посторонний свет мешает тончайшим опытам, поэтому окна оптической лаборатории почти всегда затянуты черными, непроницаемыми шторами.

Рэлей часами оставался в своей мрачной лаборатории один на один с пучками света, вырывающимися из приборов. На пути лучей кружились как живые пылинки. Они были ярко освещены и поэтому выделялись на темном фоне. Ученый, возможно, подолгу в задумчивости следил за их плавными движениями, подобно тому, как следит человек за игрой искр в камине.

Не эти ли пылинки, танцующие в лучах света, подсказали Рэлею новую мысль о происхождении цвета неба?

Еще в глубокой древности стало известно, что свет распространяется прямолинейно. Это важное открытие мог сделать уже первобытный человек, наблюдая, как, пробиваясь сквозь щели шалаша, солнечные лучи падают на стены и пол.

Но вряд ли его беспокоила мысль, почему же он видит световые лучи, глядя на них сбоку. А тут есть над чем задуматься. Ведь солнечный свет идет лучом от щели к полу. Глаз же наблюдателя расположен в стороне и, тем не менее, видит этот свет.

Мы видим и свет от прожектора, направленного в небо. Это значит, часть света каким-то образом отклоняется от прямого пути и направляется в наш глаз.

Что же заставляет его свернуть с пути? Оказывается, те самые пылинки, которыми полон воздух. В наш глаз попадают лучи, рассеиваемые пылинка ми лучи, которые, встречая препятствия, сворачивают с дороги и распространяются по прямой от рассеивающей пылинки к нашему глазу.

«Не эти ли пылинки окрашивают небо в голубой цвет?» – подумал однажды Рэлей. Он провел математический расчет, и догадка превратилась в уверенность. Он нашел объяснение синего цвета неба, красных зорь и голубой дымки! Ну конечно же, мельчайшие пылинки, размеры которых меньше длины волны света, рассеивают солнечный свет и тем сильнее, чем короче длина его волны, – объявил Рэлей в 1871 году. А так как фиолетовые и синие лучи в видимом солнечном спектре имеют самую маленькую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно, придавая небу голубую окраску.

Этому расчету Рэлея подчинились Солнце и снежные вершины. Они даже подтвердили теорию ученого. На восходе и закате, когда солнечный свет проходит через наибольшую толщу воздуха, фиолетовые и синие лучи, говорит теория Рэлея, рассеиваются наиболее сильно. При этом они отклоняются от прямого пути и не попадают в глаза наблюдателю. Наблюдатель видит главным образом красные лучи, которые рассеиваются гораздо слабее. Поэтому на восходе и закате солнце кажется нам красным. По той же причине кажутся розовыми и вершины отдаленных снежных гор.

Глядя же на чистое небо, мы видим сине-голубые лучи, отклоняющиеся вследствие рассеяния от прямолинейного пути и попадающие в наши глаза. Да и дымка, которую мы иногда видим у горизонта, тоже кажется нам поэтому голубой.

Досадный пустяк

Не правда ли, красивое объяснение? Им так увлекся сам Рэлей, ученые так поразились стройности теории и победе Рэлея над Ньютоном, что никто из них не заметил одной простой вещи. А этот пустяк, тем не менее, должен был совершенно изменить их оценку.

Кто же будет отрицать, что вдали от города, где в воздухе гораздо меньше пыли, голубой цвет неба особенно чист и ярок? Трудно было отрицать это и самому Рэлею. Следовательно... не пылинки рассеивают свет? Тогда что же?

Он снова пересмотрел все свои расчеты и убедился, что его уравнения верны, но это значит, что рассеивающими частицами действительно являются не пылинки. Кроме того, пылинки, которые присутствуют в воздухе, гораздо больше длины волны света, и расчеты убедили Рэлея, что большое скопление их не усиливает голубизну неба, а, наоборот, ослабляет. Рассеяние света на крупных частицах слабо зависит от длины волны и поэтому не вызывает изменения его окраски.

При рассеянии света на крупных частицах и рассеянный и прошедший свет остается белым, поэтому появление в воздухе крупных частиц сообщает небу белесый цвет, а скопление большого количества крупных капелек обусловливает белый цвет облаков и тумана. Это легко проверить на обычной папиросе. Дым, выходящий из нее со стороны мундштука, всегда кажется белесым, а дым, поднимающийся с ее горящего конца, имеет голубоватый цвет.

Мельчайшие частицы дыма, поднимающегося над горящим концом папиросы, имеют размеры меньшие, чем длина световой волны, и в соответствии с теорией Рэлея рассеивают преимущественно фиолетовый и синий цвет. Но при прохождении через узкие каналы в толще табака частицы дыма слипаются между собой (коагулируют), объединяясь в более крупные комочки. Размеры многих из них становятся больше, чем длины волн света, и они рассеивают все волны света примерно одинаково. Именно поэтому дым, идущий со стороны мундштука, кажется белесым.

Да, спорить и защищать теорию, основанную на пылинках, было бесполезно.

Итак, загадка голубого цвета неба снова возникла перед учеными. Но Рэлей не сдавался. Если голубой цвет неба тем более чист и ярок, чем чище атмосфера, рассуждал он, значит окраска неба не может быть обусловлена нечем иным, как молекулами самого воздуха. Молекулы воздуха, писал он в своих новых статьях, – вот те мельчайшие частицы, которые рассеивают свет солнца!

На этот раз Рэлей был очень осторожен. Прежде чем сообщить о своей новой идее, он решил проверить ее, каким-нибудь образом сверить теорию с опытом.

Случай представился в 1906 году. Рэлею помог американский астрофизик Аббот, изучавший голубое свечение неба в обсерватории на горе Маунт-Вильсон. Обрабатывая результаты измерения яркости свечения неба на основе теории рассеяния Рэлея, Аббот подсчитал число молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре воздуха. Получилось грандиозное число! Достаточно сказать, что если раздать эти молекулы всем людям, населяющим земной шар, то каждому достанется по 10 с лишним миллиардов этих молекул. Короче говоря, Аббот обнаружил, что в каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальной температуре и давлении атмосферы содержится 27 миллиардов раз по миллиарду молекул.

Количество молекул в кубическом сантиметре газа можно определить разными способами на основе совершенно различных и независимых между собой явлений. Все они приводят к близко совпадающим результатам и дают число, называемое числом Лошмидта.

Это число хорошо знакомо ученым, и не раз оно служило мерилом и контролем при объяснении явлений, происходящих в газах.

И вот число, полученное Абботом при измерении свечения неба, с большой точностью совпало с числом Лошмидта. А ведь он при расчетах пользовался теорией рассеяния Рэлея. Таким образом, это наглядно доказывало, что теория верна, молекулярное рассеяние света действительно существует.

Казалось, теория Рэлея была надежно подтверждена опытом; все ученые считали ее безупречной.

Она стала общепризнанной и вошла во все учебники оптики. Можно было вздохнуть спокойно: наконец-то найдено объяснение явления – такого привычного и вместе с тем загадочного.

Тем более удивительно, что в 1907 году на страницах известного научного журнала вновь был поставлен вопрос: почему же небо голубое?!.

Спор

Кто же дерзнул подвергнуть сомнению общепризнанную рэлеевскую теорию?

Как ни странно, это был один из самых горячих поклонников и почитателей Рэлея. Пожалуй, никто так не ценил и не понимал Рэлея, не знал так хорошо его работ, не интересовался его научным творчеством так, как молодой русский физик Леонид Мандельштам.

– В характере ума Леонида Исааковича, – вспоминал впоследствии другой советский ученый, академик Н.Д. Папалекси, – было много общего с Рэлеем. И не случайно, что пути их научного творчества часто шли параллельно и неоднократно перекрещивались.

Перекрестились они и на сей раз, в вопросе о происхождении цвета неба. До этого Мандельштам в основном увлекался радиотехникой. Для начала нашего века это была совершенно новая область науки, и в ней мало кто разбирался. После открытия А.С. Попова (в 1895 году) прошло всего несколько лет, и здесь был непочатый край работы. За короткий период Мандельштам выполнил много серьезных исследований в области электромагнитных колебаний применительно к радиотехническим устройствам. В 1902 году он защитил диссертацию и в двадцать три года получил степень доктора натуральной философии Страсбургского университета.

Занимаясь вопросами возбуждения радиоволн, Мандельштам, естественно, изучал труды Рэлея, который был признанным авторитетом в исследовании колебательных процессов. И молодой доктор поневоле познакомился с проблемой окраски неба.

Но, познакомившись с вопросом окраски неба, Мандельштам не только показал ошибочность, или, как он сам говорил, «недостаточность» общепризнанной теории молекулярного рассеяния света Рэлея, не только раскрыл тайну голубого цвета неба, но и положил начало исследованиям, которые привели к одному из важнейших открытий физики XX века.

А началось все с заочного спора с одним из крупнейших физиков, отцом квантовой теории, М. Планком. Когда Мандельштам познакомился с теорией Рэлея, она захватила его своей недоговоренностью и внутренними парадоксами, которых, к удивлению молодого физика, не замечал старый, многоопытный Рэлей. Особенно отчетливо выявилась недостаточность теории Рэлея при анализе другой теории, построенной на ее основе Планком для объяснения ослабления света при его прохождении через оптически однородную прозрачную среду.

В этой теории было принято за основу, что сами молекулы вещества, через которое проходит свет, являются источниками вторичных волн. На создание этих вторичных волн, утверждал Планк, тратится часть энергии проходящей волны, которая при этом ослабляется. Мы видим, что эта теория основывается на рэлеевской теории молекулярного рассеяния и опирается на ее авторитет.

Проще всего уяснить себе суть дела, рассматривая волны на поверхности воды. Если волна встречается с неподвижными или плавающими предметами (сваи, бревна, лодки и т.п.), то во все стороны от этих предметов разбегаются мелкие волны. Это есть не что иное, как рассеяние. Часть энергии падающей волны расходуется на возбуждение вторичных волн, которые вполне аналогичны рассеянному свету в оптике. При этом первоначальная волна ослабляется – она затухает.

Плавающие предметы могут быть намного меньше, чем длина волны, бегущей по воде. Даже мелкие зерна будут вызывать вторичные волны. Конечно, по мере уменьшения размеров частиц образуемые ими вторичные волны ослабевают, но они все же будут забирать энергию основной волны.

Примерно так представлял себе процесс ослабления световой волны при прохождении ее через газ Планк, но роль зерен в его теории играли молекулы газа.

Этой работой Планка заинтересовался Мандельштам.

Ход мыслей Мандельштама также можно пояснить с помощью примера волн на поверхности воды. Нужно лишь рассмотреть его более внимательно. Итак, даже мелкие зерна, плавающие на поверхности воды, являются источниками вторичных волн. Но что будет, если насыпать эти зерна так густо, что они покроют всю поверхность воды? Тогда окажется, что отдельные вторичные волны, вызванные многочисленными зернами, будут складываться так, что они полностью погасят те части волн, которые бегут в стороны и назад, и рассеяние прекратится. Останется лишь волна, бегущая вперед. Она побежит вперед, совершенно не ослабляясь. Единственным результатом присутствия всей массы зерен окажется некоторое уменьшение скорости распространения первичной волны. Особенно важно, что все это не зависит от того, неподвижны ли зерна или они движутся по поверхности воды. Совокупность зерен будет действовать просто как нагрузка на поверхность воды, изменяя плотность ее верхнего слоя.

Мандельштам произвел математический расчет для случая, когда число молекул в воздухе так велико, что даже на таком маленьком участке, как длина световой волны, содержится очень большое число молекул. Оказалось, что при этом вторичные световые волны, возбуждаемые отдельными хаотически движущимися молекулами, складываются так же, как волны на примере с зернами. Значит, в этом случае световая волна распространяется без рассеяния и ослабления, но с несколько меньшей скоростью. Это опровергало теорию Рэлея, считавшего, что движение рассеивающих частиц во всех случаях обеспечивает рассеяние волн, а значит, опровергало и основанную на ней теорию Планка.

Так под фундаментом теории рассеяния был обнаружен песок. Все величественное здание заколебалось и грозило рухнуть.

Совпадение

Но как обстоит дело с определением числа Лошмидта из измерений голубого свечения неба? Ведь опыт подтверждал рэлеевскую теорию рассеяния!

«Это совпадение должно рассматриваться как случайное», – писал Мандельштам в 1907 году в своей работе «Об оптически однородных и мутных средах».

Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделать газ однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха. В той же работе Мандельштам писал:

«Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться и в стороны».

Но так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотического движения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественно волны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, в частности, к голубой окраске неба.

Так была окончательно решена загадка небесной лазури. Теоретическая часть была разработана Рэлеем. Физическая природа рассеивателей была установлена Мандельштамом.

Большая заслуга Мандельштама заключается в том, что он доказал, что предположение о совершенной однородности газа несовместимо с фактом рассеяния в нем света. Он понял, что голубой цвет неба доказывает, что однородность газов только кажущаяся. Точнее, газы представляются однородными только при исследовании грубыми приборами, такими, как барометр, весы или другие приборы, на которые воздействуют сразу многие миллиарды молекул. Но световой луч ощущает несравнимо меньшие количества молекул, измеряемые лишь десятками тысяч. И этого достаточно, чтобы бесспорно установить, что плотность газа непрерывно подвергается небольшим местным изменениям. Поэтому однородная с нашей «грубой» точки зрения среда в действительности неоднородна. С «точки зрения света» она кажется мутной и поэтому рассеивает свет.

Случайные местные изменения свойств вещества, образующиеся в результате теплового движения молекул, теперь носят название флуктуаций. Выяснив флуктуационное происхождение молекулярного рассеяния света, Мандельштам проложил дорогу новому методу исследования вещества – флуктуационному, или статистическому, методу, впоследствии развитому Смолуховским, Лорентцем, Эйнштейном и им самим в новый крупный отдел физики – статистическую физику.

Небо должно мерцать!

Итак, тайна голубого цвета неба была раскрыта. Но изучение рассеяния света на этом не прекратилось. Обратив внимание на почти неуловимые изменения плотности воздуха и объяснив окраску неба флуктуационным рассеянием света, Мандельштам своим обостренным чутьем ученого обнаружил новую, еще более тонкую особенность этого процесса.

Ведь неоднородности воздуха вызваны случайными колебаниями его плотности. Величина этих случайных неоднородностей, плотность сгустков меняется со временем. Поэтому, рассуждал ученый, должна меняться со временем и интенсивность – сила рассеянного света! Ведь чем плотнее сгустки молекул, тем интенсивнее рассеянный на них свет. А так как эти сгустки возникают и исчезают хаотически, то небо, попросту говоря, должно мерцать! Сила его свечения и его цвет должны все время (но очень слабо) изменяться! Но разве кто-нибудь, когда-нибудь замечал такое мерцание? Конечно, нет.

Это эффект настолько тонкий, что простым глазом его не заметишь.

Ни один из ученых тоже не наблюдал подобного изменения свечения неба. Не имел возможности проверить выводы своей теории и сам Мандельштам. Организации сложнейших экспериментов препятствовали сначала скудные условия царской России, а потом трудности первых лет революции, иностранной интервенции и гражданской войны.

В 1925 году Мандельштам стал заведующим кафедрой в Московском университете. Здесь он встретился с выдающимся ученым и искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом. И вот, связанные глубокой дружбой и общими научными интересами, они вместе продолжили штурм тайн, скрытых в слабых лучах рассеянного света.

Оптические лаборатории университета в те годы были еще очень бедны приборами. В университете не оказалось ни одного прибора, способного обнаружить мерцание неба или те маленькие различия в частотах падающего и рассеянного света, которые, как предсказывала теория, являются результатом этого мерцания.

Однако это не остановило исследователей. Они отказались от мысли имитировать небо в лабораторных условиях. Это только усложнило бы и без того тончайший опыт. Они решили изучать не рассеяние белого – сложного света, а рассеяние лучей одной, строго определенной частоты. Если они будут точно знать частоту падающего света, будет много легче искать те близкие к ней частоты, которые должны возникнуть при рассеянии. Кроме того, теория подсказывала, что наблюдения легче проводить в твердых телах, так как в них молекулы расположены гораздо теснее, чем в газах, а рассеяние тем больше, чем плотнее вещество.

Начались кропотливые поиски наиболее подходящих материалов. Наконец выбор пал на кристаллы кварца. Просто потому, что крупные прозрачные кристаллы кварца доступнее, чем любые другие.

Два года длились подготовительные опыты, отбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, по которым можно было бесспорно отличить рассеяние на молекулах кварца от рассеяния на случайных включениях, неоднородностях кристалла и загрязнениях.

Остроумие и труд

Не обладая мощной аппаратурой для спектрального анализа, ученые избрали остроумный обходный путь, который должен был дать возможность воспользоваться имеющимися приборами.

Основной трудностью в этой работе было то, что на слабый свет, вызванный молекулярным рассеянием, накладывался намного более сильный свет, рассеянный небольшими загрязнениями и другими дефектами тех образцов кристаллов, которые удалось заполучить для опытов. Исследователи решили воспользоваться тем, что рассеянный свет, образованный дефектами кристалла и отражениями от различных частей установки, точно совпадает по частоте с падающим светом. Их же интересовал только свет с частотой, измененной в соответствии с теорией Мандельштама, Таким образом, задача состояла в том, чтобы на фоне этого намного более яркого света выделить свет измененной частоты, вызванный молекулярным рассеянием.

Чтобы рассеянный свет имел величину, доступную регистрации, ученые решили освещать кварц самым мощным из доступных им осветительных приборов: ртутной лампой.

Итак, свет, рассеянный в кристалле, должен состоять из двух частей: из слабого света измененной частоты, обусловленного молекулярным рассеянием (исследование этой части являлось целью ученых), и из гораздо более сильного света неизмененной частоты, вызванного посторонними причинами (эта часть была вредной, она затрудняла исследование).

Идея метода привлекала своей простотой: надо поглотить свет неизменной частоты и пропустить в спектральный аппарат только свет измененной частоты. Но различия частоты составляли лишь несколько тысячных долей процента. Ни в одной лаборатории мира не существовало фильтра, способного разделить столь близкие частоты. Однако выход был найден.

Рассеянный свет был пропущен через сосуд с парами ртути. В результате весь «вредный» свет «застрял» в сосуде, а свет «полезный» прошел без заметного ослабления. Экспериментаторы при этом воспользовались одним уже известным обстоятельством. Атом вещества, как утверждает квантовая физика, способен излучать световые волны только вполне определенных частот. Вместе с тем этот атом способен и поглощать свет. Причем только световые волны тех частот, которые он сам может излучать.

В ртутной лампе свет испускается парами ртути, светящейся под влиянием электрического разряда, происходящего внутри лампы. Если этот свет пропустить через сосуд, также содержащий пары ртути, он будет почти полностью поглощен. Случится то, что предсказывает теория: атомы ртути в сосуде поглотят свет, излучаемый атомами ртути в лампе.

Свет от других источников, например от неоновой лампы, пройдет сквозь пары ртути невредимым. На него атомы ртути даже не обратят внимания. Не будет поглощена и та часть света ртутной лампы, которая рассеялась в кварце с изменением длины волны.

Вот этим-то удобным обстоятельством и воспользовались Мандельштам и Ландсберг.

Удивительное открытие

В 1927 году начались решающие опыты. Ученые осветили кристалл кварца светом ртутной лампы, обработали результаты. И... удивились.

Результаты опыта были неожиданны и необычны. Ученые обнаружили совсем не то, что ожидали, не то, что было предсказано теорией. Они открыли совершенно новое явление. Но какое? И не ошибка ли это? В рассеянном свете были обнаружены не ожидаемые частоты, но частоты гораздо более высокие и более низкие. В спектре рассеянного света появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на кварц свете. Объяснить их появление оптическими неоднородностями в кварце было просто невозможно.

Началась тщательная проверка. Опыты проводились безупречно. Они были задуманы настолько остроумно, совершенно и изобретательно, что ими нельзя было не восторгаться.

– Так красиво и подчас гениально просто решались Леонидом Исааковичем иной раз очень непростые технические задачи, что невольно у каждого из нас возникал вопрос: «Почему это раньше не пришло мне в голову?» – рассказывает один из сотрудников.

Разнообразные контрольные опыты упорно подтверждали, что ошибки нет. На фотографиях спектра рассеянного света упорно появлялись слабые и, тем не менее, вполне явные линии, свидетельствующие о наличии в рассеянном свете «лишних» частот.

Многие месяцы ученые искали объяснение этому явлению. Откуда в рассеянном свете появились «чужие» частоты?!

И настал день, когда Мандельштама осенила изумительная догадка. Это было удивительное открытие, то самое, которое и теперь считается одним из важнейших открытий XX века.

Но и Мандельштам и Ландсберг пришли к единодушному решению, что опубликовать это открытие можно лишь после солидной проверки, после исчерпывающего проникновения в глубь явления. Завершающие опыты начались.

С помощью солнца

16 февраля индийские ученые Ч.Н. Раман и К.С. Кришнан отправили из Калькутты в этот журнал телеграмму с коротким описанием своего открытия.

В журнал «Природа» в те годы со всего света стекались письма о самых различных открытиях. Но не всякому сообщению суждено вызвать волнение среди ученых. Когда же из печати вышел номер с письмом индийских ученых, физики очень взволновались. Уже одно заглавие заметки – «Новый тип вторичного излучения» – возбуждало интерес. Ведь оптика – одна из старейших наук, открыть в ней что-нибудь неведомое в XX веке удавалось совсем не часто.

Можно представить себе, с каким интересом ожидали физики всего мира новых писем из Калькутты.

Их интерес в немалой степени подогревался и самой личностью одного из авторов открытия, Рамана. Это человек любопытной судьбы и незаурядной биографии, очень сходной с эйнштейновской. Эйнштейн в молодости был простым преподавателем гимназии, а затем служащим патентного бюро. Именно в этот период он закончил самые значительные из своих работ. Раман, блестящий физик, тоже после окончания университета вынужден был в течение десяти лет служить в департаменте финансов и лишь после этого был приглашен на кафедру Калькуттского университета. Раман скоро стал признанным главой индийской школы физиков.

Незадолго до описываемых событий Раман и Кришнан увлеклись любопытной задачей. Тогда еще не улеглись страсти, вызванные в 1923 году открытием американского физика Комптона, который, изучая прохождение рентгеновых лучей через вещество, Обнаружил, что часть этих лучей, рассеиваясь в стороны от первоначального направления, увеличивает длину своей волны. В переводе на язык оптиков можно сказать, что рентгеновы лучи, столкнувшись с молекулами вещества, меняли свой «цвет».

Это явление легко объяснялось законами квантовой физики. Поэтому открытие Комптона явилось одним из решающих доказательств правильности молодой квантовой теории.

Нечто подобное, но уже в оптике, решили попытаться. обнаружить индийские ученые. Они хотели пропустить свет через вещество и посмотреть, как будут рассеиваться его лучи на молекулах вещества и изменится ли при этом длина их волны.

Как видите, вольно или невольно, индийские ученые поставили перед собой ту же задачу, что и советские ученые. Но цели у них были разные. В Калькутте искали оптическую аналогию эффекта Комптона. В Москве – опытного подтверждения мандельштамовского предсказания изменения частоты при рассеянии света на флуктуирующих неоднородностях.

Раман и Кришнан задумали сложный опыт, так как ожидаемый эффект должен был быть чрезвычайно малым. Для опыта понадобился очень яркий источник света. И тогда они решили использовать солнце, собрав его лучи с помощью телескопа.

Диаметр его объектива был равен восемнадцати сантиметрам. Собранный свет исследователи направили через призму на сосуды, в которых помещались жидкости и газы, тщательно очищенные от пыли и других загрязнений.

Но обнаружить ожидаемое малое удлинение волны рассеянного света, пользуясь белым солнечным светом, содержащим практически все возможные длины волн, было безнадежно. Поэтому ученые решили воспользоваться светофильтрами. Они поставили перед объективом сине-фиолетовый фильтр, а наблюдали рассеянный свет через желто-зеленый фильтр. Они справедливо решили, что то, что пропустит первый фильтр, застрянет во втором. Ведь желто-зеленый фильтр поглощает сине-фиолетовые лучи, пропускаемые первым фильтром. А оба, поставленные друг за другом, должны поглощать весь падающий свет. Если же в глаз наблюдателя и попадут какие-то лучи, то можно будет сказать с уверенностью, что они не были в падающем свете, а родились в исследуемом веществе.

Колумбы

И действительно, в рассеянном свете Раман и Кришнан обнаружили лучи, проходящие через второй фильтр. Они зафиксировали лишние частоты. Это в принципе мог быть оптический эффект Комптона. То есть при рассеянии на молекулах вещества, находящегося в сосудах, сине-фиолетовый свет мог изменить свою окраску и стать желто-зеленым. Но это нужно было еще доказать. Могли же быть и другие причины, вызывающие появление желто-зеленого света. Например, он мог появиться в результате люминесценции – слабого свечения, которое часто возникает в жидкостях и твердых телах под действием света, тепла и других причин. Очевидно, было одно – свет этот рожден вновь, он не содержался в падающем свете.

Ученые повторили свой опыт с шестью различными жидкостями и двумя типами паров. Они убедились, что ни люминесценция, ни другие причины не играют здесь роли.

Факт увеличения длины волны видимого света при рассеянии его в веществе казался Раману и Кришнану установленным. Казалось, поиски их увенчались успехом. Они обнаружили оптическую аналогию эффекта Комптона.

Но чтобы опыты имели законченный вид и выводы были достаточно убедительными, надо было проделать еще одну часть работы. Мало было обнаружить изменение длины волны. Надо было измерить величину этого изменения. Первое помог сделать светофильтр. Сделать второе он был бессилен. Здесь ученым понадобился спектроскоп – прибор, позволяющий измерить длину волны исследуемого света.

И исследователи начали вторую часть, не менее сложную и кропотливую. Но и она удовлетворила их ожидания. Результаты снова подтвердили выводы первой части работы. Однако длина волны оказалась неожиданно большой. Гораздо большей, чем ожидалась. Исследователей это не смутило.

Как не вспомнить здесь о Колумбе? Он стремился найти морской путь в Индию и, увидев землю, не сомневался в том, что достиг цели. Были ли у него основания усомниться в своей уверенности при виде краснокожих жителей и незнакомой природы Нового Света?

Не так ли Раман и Кришнан, стремясь к обнаружению эффекта Комптона в видимом свете, решили, что нашли его, исследовав свет, прошедший через их жидкости и газы?! Усомнились ли они, когда измерения показали неожиданно большее изменение длины волны рассеянных лучей? Какой вывод они сделали из своего открытия?

По мнению индийских ученых, они нашли то, что искали. 23 марта 1928 года в Лондон полетела телеграмма со статьей, названной «Оптическая аналогия эффекта Комптона». Ученые писали: «Таким образом, оптическая аналогия эффекта Комптона очевидна, за исключением того, что мы имеем дело с изменением длины волны много большим...» Заметьте: «много большим...»

Танец атомов

Работа Рамана и Кришнана была встречена овациями в среде ученых. Все справедливо восторгались их экспериментальным искусством. За это открытие Раман был удостоен в 1930 году Нобелевской премии.

К письму индийских ученых была приложена фотография спектра, на которой заняли свои места линии, изображающие частоту падающего света и света, рассеянного на молекулах вещества. Эта фотография, по мнению Рамана и Кришнана, яснее ясного иллюстрировала их открытие.

Когда на эту фотографию взглянули Мандельштам и Ландсберг, они увидели почти точную копию фотографии, полученной ими! Но, познакомившись с объяснением ее, они сразу поняли, что Раман и Кришнан ошиблись.

Нет, не эффект Комптона обнаружили индийские ученые, а явление совсем иное, то самое, которое уже много лет изучали советские ученые...

Пока разрасталось волнение, вызванное открытием индийских ученых, Мандельштам и Ландсберг заканчивали контрольные опыты, подводили последние решающие итоги.

И вот 6 мая 1928 года ими была отправлена в печать статья. К статье была приложена фотография спектра.

Кратко изложив историю вопроса, исследователи давали подробнейшее толкование открытого ими явления.

Так что же это было за явление, которое заставило помучиться и поломать себе головы немало ученых?

Глубокая интуиция и ясный аналитический ум Мандельштама сразу подсказали ученому, что обнаруженные изменения частоты рассеянного света не могут быть вызваны теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднократности плотности воздуха. Ученому стало ясно, что причина, несомненно, кроется внутри самих молекул вещества, что явление вызвано внутримолекулярными колебаниями атомов, образующих молекулу.

Такие колебания происходят с гораздо более высокой частотой, чем те, что сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды. Вот эти-то колебания атомов в молекулах и сказываются на рассеянном свете. Атомы как бы метят его, оставляют на нем свои следы, зашифровывают дополнительными частотами.

Это была красивейшая догадка, дерзкое вторжение мысли человека за кордон маленькой крепости природы – молекулы. И эта разведка принесла ценнейшие сведения о ее внутреннем строении.

Рука об руку

Итак, при попытке обнаружить малое изменение частоты рассеянного света, вызванное межмолекулярными силами, было обнаружено большее изменение частоты, вызванное внутримолекулярными силами.

Таким образом, для объяснения нового явления, которое получило название «комбинационное рассеяние света», достаточно было теорию молекулярного рассеяния, созданную Мандельштамом, дополнить данными о влиянии колебаний атомов внутри молекул. Новое явление оказалось открытым в результате развития идеи Мандельштама, сформулированной им еще в 1918 году.

Да, недаром, как сказал академик С.И. Вавилов, «Природа одарила Леонида Исааковича совсем необычным прозорливым тонким умом, сразу замечавшим и понимавшим то главное, мимо чего равнодушно проходило большинство. Так была понята флуктуационная сущность рассеяния света, так появилась идея об изменении спектра при рассеянии света, ставшая основой открытия комбинационного рассеяния».

Впоследствии из этого открытия была извлечена огромнейшая польза, оно получило ценное практическое применение.

В момент же открытия оно казалось лишь ценнейшим вкладом в науку.

А что же Раман и Кришнан? Как отнеслись они к открытию советских ученых, да и к своему тоже? Поняли ли они, что открыли?

Ответ на эти вопросы содержится в следующем письме Рамана и Кришнана, которое они отправили в печать через 9 дней после опубликования статьи советских ученых. Да, они поняли – наблюдавшееся ими явление не эффект Комптона. Это комбинационное рассеяние света.

После опубликования писем Рамана и Кришнана и статей Мандельштама и Ландсберга ученым всего мира стало ясно, что одно и то же явление независимо и практически одновременно сделано и изучается в Москве и Калькутте. Но московские физики изучали его в кристаллах кварца, а индийские – в жидкостях и газах.

И эта параллельность, конечно, не была случайной. Она говорит об актуальности проблемы, ее большой научной важности. Не удивительно, что результаты, близкие к выводам Мандельштама и Рамана в конце апреля 1928 года, независимо друг от друга получили также французские ученые Рокар и Кабан. Через некоторое время ученые вспомнили, что еще в 1923 году чешский физик Смекаль теоретически предсказал то же явление. Вслед за работой Смекаля появились теоретические изыскания Крамерса, Гейзенберга, Шредингера.

По-видимому, лишь недостатком научной информации можно объяснить тот факт, что ученые многих стран трудились над решением одной и той же задачи, даже не зная об этом.

Тридцать семь лет спустя

Исследования комбинационного рассеяния не только открыли новую главу в науке о свете. Вместе с тем они дали мощное оружие технике. Промышленность получила отличный способ изучения свойств вещества.

Ведь частоты комбинационного рассеяния света являются отпечатками, которые накладываются на свет молекулами среды, рассеивающей свет. И в разных веществах эти отпечатки неодинаковы. Именно это дало право академику Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света «языком молекул». Тем, кто сумеет прочитать следы молекул на лучах света, определить состав рассеянного света, молекулы, пользуясь этим языком, расскажут о тайнах своего строения.

На негативе фотоснимка комбинационного спектра нет ничего, кроме линий различной черноты. Но по этой фотографии специалист вычислит частоты внутримолекулярных колебаний, которые появились в рассеянном свете после прохождения его через вещество. Снимок расскажет о многих дотоле неведомых сторонах внутренней жизни молекул: об их строении, о силах, связывающих атомы в молекулы, об относительных движениях атомов. Учась расшифровывать спектрограммы комбинационного рассеяния, физики учились понимать своеобразный «световой язык», которым молекулы рассказывают о себе. Так новое открытие позволило глубже проникать во внутреннее строение молекул.

В наши дни физики пользуются комбинационным рассеянием для изучения строения жидкостей, кристаллов и стекловидных веществ. Химики определяют этим методом структуру различных соединений.

Методы исследования вещества, использующие явление комбинационного рассеяния света, разработали сотрудники лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР, которой руководил академик Ландсберг.

Эти методы позволяют в условиях заводской лаборатории быстро и точно производить количественные и качественные анализы авиационных бензинов, продуктов крекинга, продуктов переработки нефти и многих других сложных органических жидкостей. Для этого достаточно осветить исследуемое вещество и определить спектрографом состав рассеянного им света. Кажется, очень просто. Но прежде чем этот метод оказался действительно удобным и быстрым, ученым пришлось немало поработать над созданием точной, чувствительной аппаратуры. И вот почему.

Из общего количества световой энергии, поступающей в изучаемое вещество, лишь ничтожная часть – примерно одна десятимиллиардная – приходится на долю рассеянного света. А на комбинационное рассеяние редко приходится даже два-три процента этой величины. Видимо, поэтому само комбинационное рассеяние долго оставалось незамеченным. И не удивительно, что получение первых фотографий комбинационного рассеяния требовало экспозиций, продолжавшихся десятки часов.

Современная же аппаратура, созданная в нашей стране, позволяет получить комбинационный спектр чистых веществ в течение нескольких минут, а иногда и секунд! Даже для анализа сложных смесей, в которые отдельные вещества входят в количестве нескольких процентов, обычно достаточно экспозиции, не превышающей часа.

Прошло тридцать семь лет с тех пор, как язык молекул, записанный на фотопластинках, был открыт, расшифрован и понят Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном. С тех пор во всем мире ведется упорная работа по составлению «словаря» языка молекул, который оптики называют каталогом частот комбинационного рассеяния. Когда такой каталог будет составлен, расшифровка спектрограмм значительно облегчится и комбинационное рассеяние света еще полнее станет на службу науке и индустрии.

Почему небо голубое – очень трудно найти ответ на такой простой вопрос. Многие ученые ломали себе голову в поисках ответа. Наилучшее решение проблемы предложил около 100 лет назад английский физик лорд Джон Рэлей.

Но начнем сначала. Солнце излучает ослепительно чистый белый свет. Значит и цвет неба должен быть таким же, но оно все таки голубое. Что же происходит с белым светом в земной атмосфере?

Цвет солнечных лучей

Настоящий цвет солнечных лучей – белый. Белый свет – это смесь цветных лучей. С помощью призмы мы можем сделать радугу. Призма раскладывает белый луч на цветные полосы: красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую. Соединяясь вместе, эти лучи вновь образуют белый свет. Можно предположить, что солнечный свет сначала расщепляется на цветные составляющие. Потом что-то происходит, и поверхности Земли достигают только голубые лучи.

Гипотезы выдвигаемые в разное время

Есть несколько возможных объяснений. Воздух, окружающий Землю,- это смесь газов: азота, кислорода, аргона и других. В атмосфере присутствуют еще водяной пар и кристаллики льда. В воздухе взвешены пыль и другие мелкие частицы. В верхних слоях атмосферы находится слой озона. Может быть причина в этом?

Интересно:

Интересные факты о снеге

Некоторые ученые считали, что молекулы озона и воды поглощают лучи красного цвета и пропускают голубые. Но оказалось, что в атмосфере просто не хватит озона и воды, чтобы окрасить небо в голубой цвет.

В 1869 году англичанин Джон Тиндалл предположил, что пыль и другие частицы рассеивают свет. Синий свет рассеивается в наименьшей степени и проходит слои таких частиц, достигая поверхности Земли. В своей лаборатории он создал модель смога и осветил ее ярким белым лучом. Смог окрасился в глубокий синий цвет.

Тиндалл решил, что если бы воздух был абсолютно чист, то ничто бы не рассеивало свет, и мы могли бы любоваться ярким белым небом. Лорд Рэлей тоже поддерживал эту идею, но недолго. В 1899 году он опубликовал свое объяснение: именно воздух, а не пыль или дым, окрашивает небо в голубой цвет.

Связь цвета и длины волны

Часть солнечных лучей проходит между молекулами газа, не сталкиваясь с ними, и без изменений достигает поверхности Земли. Другая, большая часть, поглощается газовыми молекулами. При поглощении фотонов молекулы возбуждаются, то есть заряжаются энергией, а затем испускают ее в виде опять-таки фотонов. Эти вторичные фотоны имеют разную длину волны и могут быть любого цвета - от красного до фиолетового.

Разлетаются они во всех направлениях: и к Земле, и к Солнцу, и в стороны. Лорд Рэлей предположил, что цвет испускаемого луча зависит от преобладания в луче квантов того или иного цвета. При столкновении молекулы газа с фотонами солнечных лучей на один вторичный квант красного цвета приходится восемь квантов синего .

Интересно:

Движение воздушных масс и конденсация

Каков результат? Интенсивный голубой свет буквально льется на нас со всех сторон из миллиардов молекул газов атмосферы. К этому свету примешаны фотоны других цветов, поэтому он не имеет чисто синего тона.

Почему небо голубое – ответ

Перед тем, как достигнуть поверхности земли, где его могут созерцать люди, солнечный свет должен пройти через всю воздушную оболочку планеты. Свет имеет широкий спектр, в котором все же выделяются основные цвета, оттенки радуги. Из этого спектра красный цвет имеет наиболее длинную световую волну, в то время как фиолетовый – самую короткую. При закате солнечный диск стремительно краснеет и устремляется все ближе к линии горизонта.

При этом свету приходится преодолевать все большую толщу воздуха, и часть волн при этом теряется. Сначала исчезает фиолетовый, затем синий, голубой. Наиболее длинные волны красного цвета продолжают проникать до поверхности Земли до последнего, и потому солнечный диск и ореол вокруг него до последних моментов имеют красноватые оттенки.

Почему небо голубое – интересное видео

Что изменяется к вечеру?

Ближе к закату Солнце устремляется к горизонту, чем ниже оно опускается, тем стремительнее приближается вечер. В такие моменты слой атмосферы, который отделяет изначальный солнечный свет от земной поверхности, начинает резко увеличиваться из-за угла наклона. В какой-то момент уплотняющийся слой перестает пропускать другие световые волны кроме красных, и в этот момент небо окрашивается именно в этот цвет. Синий уже не присутствует, он поглощается в процессе прохождения через слои атмосферы.

Интересный факт: при закате Солнце и небо проходят через целую гамму оттенков – по мере того, как те или другие из них перестают проходить через атмосферу. То же самое можно наблюдать и на момент восхода Солнца, причины обоих явлений одинаковы.

Что происходит при восходе Солнца?

При восходе солнечные лучи проходят через тот же процесс, но в обратном порядке. То есть, сначала через толщу атмосферы под сильным углом пробиваются первые лучи, до поверхности доходит только красный спектр. Поэтому восход изначально брезжит красным цветом. Затем, по мере восхода и изменения угла, начинают проходить и волны других цветов – небо окрашивается оранжевым, и далее оно становится привычно голубым. Наблюдается полдневная глубокая синева неба, и затем, к вечеру, оно начинает вновь переходить к багрянцу. С одной стороны неба, удаленной от солнца, наблюдается сине-черный оттенок, но чем ближе к заходящему светилу, тем больше красных оттенков можно видеть близ горизонта, пока Солнце не исчезает окончательно.

Но сколько существует разных цветов, что делает окружающие нас вещи цветными? И научное познание на много таких вопросов уже может дать ответ. Например, объяснить цвет неба .

Для начала нужно будет упомянуть о великом Исааке Ньютоне, который наблюдал разложение белого солнечного при прохождении его через стеклянную призму. То, что он увидел, теперь называется явлением дисперсии , а сама разноцветная картина – спектр . Получившиеся цвета в точности соответствовали цветам радуги. То есть, Ньютон наблюдал радугу в лаборатории! Именно благодаря его опытам в конце 18 века было установлено, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Причем, тот же Ньютон доказал, что если разложенный в спектр свет снова смешать, то получится белый свет. В 19 веке было показано, что свет – это распространяющиеся с огромной скоростью в 300 000 км/с электромагнитные волны. А уже в начале прошлого века эти знания были дополнены идеей кванта света – фотона . Таким образом, свет имеет двойственную природу – и волны, и частицы. Это объединение и стало объяснением многих явлений, в частности, спектра теплового излучения нагретых тел. Таких, каким является и наше .

После такого вступления пора перейти к нашей теме. Голубой цвет неба... Кто не восхищался им хотя бы пару раз в жизни! Но так ли просто сказать, что всему виной рассеяние света в атмосфере? А почему тогда цвет неба не голубой при свете полной луны? А почему голубой цвет не одинаков на всех участках неба? А что случается с цветом неба при восходе и заходе Солнца? Ведь оно может быть и желтого, и розового и даже зеленого цвета. Но все же это особенности рассеяния. Поэтому рассмотрим его подробнее.

Объяснение цвета неба и его особенностей принадлежит английскому физику Джону Уильяму Рэлею, изучавшему рассеяние света. Именно он указал на то, что цвет неба определяется зависимостью рассеяния от частоты света. Излучение Солнца, попадая в , взаимодействует с молекулами газов, входящих в состав воздуха. А так как энергия светового кванта - фотона увеличивается с уменьшением длины световой волны, то наиболее сильное воздействие на молекулы газов, точнее – на электроны в этих молекулах, оказывают фотоны голубой и фиолетовой части светового спектра. Придя в вынужденные колебания, электроны отдают назад в виде фотона излучения взятую у световой волны энергию. Только эти вторичные фотоны уже излучаются во всех направлениях, а не только в направлении первоначально падающего света. Это и будет процессом рассеяния света. Кроме этого, нужно учитывать и постоянное движение воздуха, и флуктуацию его плотности. В противном случае мы бы наблюдали черное небо.

А теперь возвратимся к тепловому излучению тел. Энергия в его спектре распределена неравномерно и описывается на основе законов, установленных немецким физиком Вильгельмом Вином. Таким же неравномерным за энергиями фотонов будет и спектр нашего Солнца. То есть фотонов фиолетовой его части будет много меньше, чем фотонов из голубой и тем более синей. Если учесть еще физиологию зрения, а именно максимальную чувствительность нашего глаза к сине-зеленому цвету, то мы в итоге получаем небо голубого или синего цвета.

Следует учесть, что чем длиннее путь солнечного луча в атмосфере, тем меньше в нем остается непровзаимодействовавших фотонов из голубой и синей области спектра. Поэтому цвет неба неравномерный, а утренний или вечерний цвета желто-красные из-за большого пути света через атмосферу. Кроме этого, пыль, дым, другие частицы, содержащиеся в воздухе, также сильно влияют на рассеяние света в атмосфере. На эту тему можно вспомнить знаменитые лондонские картины . Или воспоминания о катастрофе 1883 года, случившейся при извержении вулкана Кракатау. Пепел от извержения, попавший в атмосферу, обусловил синеватый цвет Солнца во многих странах тихоокеанского региона, а также красные зори, наблюдавшиеся по всей Земле. Но эти эффекты уже объясняются другой теорией – теорией рассеяния на частицах, соизмеримых с длиной световой волны. Эту теорию предложил миру немецкий физик Густав Ми. Главная идея ее – такие частицы вследствие своих относительно больших размеров сильнее рассеивают красный свет, а не синий или фиолетовый.

Таким образом, цвет неба – не просто источник вдохновения для поэтов и художников, а следствие тонких физических законов, которые удалось раскрыть человеческому гению.

Актуальность моей темы заключается в том, что она будет интересна и полезна для слушателей потому, что очень многие люди, смотрят на ясное голубое небо, любуются им, и немногие знают, почему же оно такое голубое, что придает ему такой цвет.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Введение. с. 3
Основная часть. с. 4 -6

Предположения моих одноклассников

Догадки древних ученых
Современная точка зрения
Разные цвета неба
Вывод.

Заключение. с. 7
Литература. с. 8

1. Введение.

Мне нравится, когда на улице ясная солнечная погода, небо без единого облака, и цвет неба - голубой. «Интересно, - подумал я, - почему небо голубое?»

Тема исследования: Почему небо голубое?

Цель исследования: выяснить, почему небо окрашено в голубой цвет?

Задачи исследования:

Узнать предположения древних ученых.

Выяснить современную научную точку зрения.

Понаблюдать за цветом неба.

Объект исследования - научно-популярная литература.

Предмет изучения - голубой цвет неба.

Гипотезы исследования:

Допустим, облака состоят из водяного пара, а вода голубого цвета;

Или у солнца есть лучи, которые окрашивают небо в такой цвет.

План исследования:

Посмотреть энциклопедии;
Найти информацию в интернете;
Вспомнить изученные темы по окружающему миру;
Спросить маму;
Узнать мнение одноклассников.

2. Основная часть.

Предположения моих одноклассников.

Мне стало интересно, что бы ответили мои одноклассники на вопрос: почему небо голубое? Может чье-то мнение совпадет с моим, а может будет совсем другим.

Было опрошено 24 ученика 3 Г класса нашей школы. Анализ ответов показал:

8 учеников предположили, что небо голубое из-за воды, которая испаряется с Земли;

4 ученика ответили, что голубой цвет успокаивает;

4 ученика думают, на цвет неба влияет атмосфера и солнце;

3 ученика считают, что космос темный, а атмосфера белая, в результате образуется голубой цвет.

2 ученика считают, что луч солнца преломляется в атмосфере и образуется голубой цвет.

2 ученика предложили такой вариант - голубой цвет неба - потому что оно холодное.

1 ученик - так устроено в природе.

Любопытно, что одна из моих гипотез, совпадает с самым распространенным мнением ребят - облака состоят из водяного пара, а вода голубого цвета.

Догадки древних ученых.

Когда я начал искать ответ на свой вопрос в литературе, узнал, что многие ученые ломали себе голову в поисках ответа. Придумывалось очень много гипотез и предположений.

Например, древний грек, на вопрос - почему небо голубое? - ответил бы сразу без запинки: «Небо голубое потому, что сделано из чистейшего горного хрусталя!» Небо — это несколько хрустальных сфер, с изумительной аккуратностью вставленных одна в другую. А в середине — Земля, с морями, городами, храмами, горными вершинами, лесными дорогами, харчевнями и крепостями.

Такова была теория древних греков, но почему же они так считали? Небо нельзя было потрогать, на него можно было только смотреть. Смотреть и размышлять. И строить различные догадки. В наше время такие догадки назывались бы «научной теорией», но в эпоху древних греков они так и назывались — догадками. И вот после долгих наблюдений и еще более долгих размышлений древние греки решили, что это простое и красивое объяснение такому странному явлению, как голубой цвет неба.

Я решил проверить, почему они так думали. Если положить кусок обычного стекла, мы увидим - он прозрачный. Но если сложить целую стопку таких стекол и попробовать посмотреть сквозь них, увидим голубоватый оттенок.

Такое простое объяснение цвета неба просуществовало полторы тысячи лет.

Леонардо да Винчи, предполагал, что небо окрашено в такой цвет, потому что «…светлота поверх темноты становится синей…».

Такого же мнения были и некоторые другие ученые, но всё-таки, позже стало ясно, что эта гипотеза в корне не верна, ведь если смешать черный цвет с белым цветом, то вряд ли получится голубой, ведь сочетание этих цветов дает только серый и его оттенки.

Немного позже в XVIII в., считалось, что цвет небу придают составные части воздуха. По этой теории считалось, что воздух содержит много примесей, так как чистый воздух был бы черным. После этой теории было ещё очень много предположений и догадок, но не одна так и не смогла оправдать себя.

Современная точка зрения.

Я обратился к мнению современных ученых. Современные ученые нашли ответ и доказали почему небо голубого цвета.

Небо это всего лишь воздух, тот обычный воздух, которым мы ежесекундно дышим, тот которые нельзя увидеть и потрогать, потому что он прозрачный и невесомый. Но дышим-то мы прозрачным воздухом, почему же он над головой приобретает такой голубой цвет?

Весь секрет оказался в нашей атмосфере.

Солнечные лучи должны пройти через огромный слой воздуха, прежде чем попасть на землю.

Луч солнца - белого цвета. А белый цвет - это смесь цветных лучей. Как в считалочке, по которой можно легко запомнить цвета радуги:

каждый (красный)
охотник (оранжевый)
желает (желтый)
знать (зеленый)
где (голубой)
сидит (синий)
фазан (фиолетовый)

Луч солнца, сталкиваясь с частицами воздуха, распадается на лучи семи цветов.

Красные и оранжевые лучи - самые длинные и проходят от солнца прямо к нам в глаза. А лучи голубого цвета - самые короткие, отскакивают от частиц воздуха по всем направлениям и меньше всех других достигают земли. Таким образом, небо оказывается пронизано голубыми лучами.

Разные цвета неба.

Небо не всегда бывает голубого цвета. Например, ночью, когда солнце не посылает лучи, мы видим небо не голубым, атмосфера кажется прозрачной. И сквозь прозрачный воздух, человек может видеть планеты, звезды. А днем голубой цвет снова прячет от наших глаз космические тела.

Цвет неба бывает красным - на закате, в пасмурную погоду белым или серым.

Выводы.

Итак, проведя своё исследование, я могу сделать следующие выводы:

весь секрет в цвете неба в нашей атмосфере - в воздушной оболочке планеты Земля.
Луч солнца, проходя через атмосферу, распадается на лучи семи цветов.
Красные и оранжевые лучи - самые длинные, а голубые - самые короткие .
Голубые лучи меньше других достигают Земли и небо оказывается благодаря этим лучам пронизано голубым цветом.
Небо не всегда окрашено в голубой цвет.

Главное, что теперь я знаю, почему небо окрашено в голубой цвет. Частично подтвердилась моя вторая гипотеза, у солнца есть лучи, которые окрашивают небо в такой цвет. Предположения двух моих одноклассников оказались наиболее близкими к правильному ответу.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Кисловская СОШ» Томского района

Исследовательская работа

Тема: «Почему закат красный…»

(Дисперсия света)

Работу выполнила: ,

ученица 5А класса

Руководитель;

учитель химии

1. Введение ………………………………………………… 3

2. Основная часть…………………………………………… 4

3. Что такое свет…………………………………………….. 4

Предмет изучения – закат и небо.

Гипотезы исследования:

У солнца есть лучи, которые окрашивают небо в разные цвета;

Красный цвет можно получить в лабораторных условиях.

2. Основная часть

На первый взгляд, этот вопрос кажется простым, но на самом деле он затрагивает глубокие аспекты преломления света в атмосфере. Прежде чем понять ответ на этот вопрос, необходимо иметь представление о том, что такое свет..jpg" align="left" height="1 src=">

Что такое свет?

Солнечный свет - это энергия. Тепло солнечных лучей, сфокусированных линзой, превращается в огонь. Свет и тепло отражаются белыми поверхностями и поглощаются черными. Вот почему белая одежда холоднее черной.

Какова же природа света? Первым, кто попытался серьезно заняться изучением света, был Исаак Ньютон. Он считал, что свет состоит из частиц корпускул, которые наподобие пуль выстреливаются . Но некоторые характеристики света не могли быть объяснимы этой теорией.

Другой ученый, Гюйгенс, предложил другое объяснение природы света. Он разработал «волновую» теорию света. Он считал, что свет образует импульсы, или волны, наподобие того, как камень, брошенный в пруд, создает волны.

Каких взглядов сегодня придерживаются ученые на происхождение света? В настоящее время считается, что световые волны имеют характерные особенности и частиц и волн одновременно. Проводятся опыты, подтверждающие обе теории.

Свет состоит из фотонов – невесомых частиц, не обладающих массой, путешествующих со скоростью около 300 000 км/с и обладающих волновыми свойствами. Частота волновых колебаний света определяет его цвет. Кроме того, чем выше частота колебаний, тем короче длина волны. Каждый цвет обладает своей частотой колебаний и длиной волны. Белый солнечный свет состоит из многих цветов, которые можно увидеть, преломив его через стеклянную призму.

1. Призма разлагает свет.

2. Белый свет – сложный.

Если внимательно присмотреться к прохождению света через треугольную призму, то можно увидеть, что разложение белого света начинается сразу же, как только свет переходит из воздуха в стекло. Вместо стекла можно взять и другие прозрачные для света материалы.

Замечательно, что этот опыт пережил столетия, и его методика без существенных изменений используется в лабораториях до сих пор.

dispersio (лат.) – рассеяние, развеивание - дисперсия

Ньютона по дисперсии.

Явление дисперсии света первым начал изучать И. Ньютон и считается одной из важнейших его научных заслуг. Недаром на его надгробном памятнике, поставленном в 1731 году и украшенном фигурами юношей, которые держат в руках эмблемы его главнейших открытий, одна фигура держит призму, а в надписи на памятнике есть слова: «Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства, чего ранее никто не подозревал». Последнее утверждение не совсем точно. Дисперсия была известна и ранее, но обстоятельно она не изучалась. Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Исследуя окрашенные при преломлении края, Ньютон сделал свои открытия в области оптики.

Спектр видимого излучения

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

С каждым “цветом” в спектре надо сопоставлять световую волну определенной длины

Простейшее представление о спектре можно получить, глядя на радугу. Белый свет, преломляясь в капельках воды, образует радугу, так как он состоит из множества лучей всех цветов, а те преломляются по-разному: красные - слабее всего, синие и фиолетовые - сильнее всего. Астрономы исследуют спектры Солнца, звезд, планет, комет, так как по спектрам можно многое узнать.

Азот" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">азот . Свет красного и голубого цвета по-разному взаимодействуют с кислородом. Так как длина волны голубого цвета примерно соответствует размеру атома кислорода и из-за этого голубой свет рассеивается кислородом в разные стороны, тогда как красный свет спокойно проходит сквозь атмосферный слой. На самом деле, еще больше рассеивается в атмосфере фиолетовый свет, однако человеческий глаз менее восприимчив к нему, чем к голубому свету. В итоге, получается то, что глаз человека со всех сторон улавливает рассеянный кислородом голубой свет, отчего небо нам кажется голубым.

Без атмосферы на Земле Солнце бы нам представлялось яркой белой звездой, а небо было бы черным.

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

Необычные явления

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt="Полярное сияние" align="left" width="140" height="217 src=">Полярные сияния С древнейших времен люди восхищались величественной картиной полярных сияний и задавались вопросом об их происхождении. Одно из наиболее ранних упоминаний о полярных сияниях встречается у Аристотеля. В его "Метеорологике", написанной 2300 лет назад, можно прочитать: "Иногда в ясные ночи наблюдается на небе множество явлений - зияния, провалы, кроваво-красная окраска...

Кажется, будто полыхает пламя".

Что зыблет ясный ночью луч?

Что тонкий пламень в твердь разит?

Как молния без грозных туч

Стремится от земли в зенит?

Как может быть, чтоб мерзлый шар

Среди зимы рожал пожар?

Что такое полярное сияние? Как оно образуется?

Ответ. Полярное сияние - это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных районах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

Аэрозоль" href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">аэрозольными рассеяниями пыли и влаги, вот они-то и являются основной причиной разложения солнечного цвета (дисперсии). В положении зенита падение солнечного луча на аэрозольные составляющие воздуха происходит почти под прямым углом, слой их между глазами наблюдателя и солнцем незначителен. Чем ниже солнце опускается к линии горизонта, тем больше увеличивается толщина слоя атмосферного воздуха и количество аэрозольной взвеси в нем. Солнечные лучи, относительно наблюдателя, изменяют угол падения на частички взвеси, тогда и наблюдается дисперсия солнечного света. Итак, как говорилось выше, солнечный свет складывается из семи основных цветов. Каждый цвет, как электромагнитная волна, имеет свою длину и способность к рассеянию в атмосфере. Основные цвета спектра располагаются в шкале по порядку, от красного до фиолетового. Наименьшей способностью к рассеянию (следовательно, поглощению) в атмосфере обладает красный цвет. При явлении дисперсии все цвета, которые в шкале идут за красным, рассеиваются составляющими аэрозольной взвеси и поглощаются ими. Наблюдателю виден только красный цвет. Значит, чем толще слой атмосферного воздуха, чем выше плотность взвеси, тем больше лучей спектра будут рассеяны и поглощены. Известное природное явление: после мощного извержения вулкана Кракатау в 1883 году, в разных местах планеты, в течение нескольких лет, наблюдались необычайно яркие, красные закаты. Это объясняется мощным выбросом вулканической пыли в атмосферу при извержении.

Думаю, что на этом моё исследование не закончится. У меня ещё есть вопросы. Хочу узнать:

Что происходит при прохождении лучей света через различные жидкости, растворы;

Как происходит отражение и поглощение света.

Выполнив эту работу, я убедилась, как много удивительного и полезного для практической деятельности может заключаться в явлении преломлении света. Именно оно позволило мне понять, почему закат красный.

Литература

1. , Физика. Химия. 5-6 кл. Учебник. М.: Дрофа, 2009, стр.106

2. Булат явления в природе. М.: Просвещение, 1974г., 143 с.

3. «Кто творит радугу?» – Квант 1988г., № 6, стр.46.

4. Лекции по оптике. Тарасов в природе. – М.: Просвещение, 1988г

Интернет ресурсы:

1. http://potomy. ru/ Почему цвет у неба голубой?

2. http://www. voprosy-kak-i-pochemu. ru Почему небо голубое?

3. http://expirience. ru/category/obrazovanie/

Категории

Выбор редакции