Pa zašto je nebo plavo? Lude ideje

Boja neba varira u različitim vremenskim uslovima, od beličaste do intenzivno plave. Teoriju koja objašnjava boju neba razvio je Rayleigh.

Prema ovoj teoriji, boja neba se objašnjava činjenicom da se sunčeve zrake, koje se više puta odbijaju od molekula zraka i sitnih čestica prašine, raspršuju u atmosferi. Svjetlosni valovi različite dužine različito se raspršuju molekulima: molekuli zraka rasipaju pretežno kratkotalasni dio vidljivog sunčevog spektra, tj. plave, indigo i ljubičaste zrake, a pošto je intenzitet ljubičastog dijela spektra nizak u odnosu na plavi i plavi dio, nebo izgleda plavo ili plavo.

Značajna svjetlina neba objašnjava se činjenicom da Zemljina atmosfera ima značajnu debljinu i svjetlost je raspršena ogromnim brojem molekula.

Na velikim visinama, na primjer, kada se posmatra iz svemirski brodovi, iznad glave posmatrača ostaju razrijeđeni slojevi atmosfere s manjim brojem molekula koji raspršuju svjetlost, a samim tim i sjaj neba se smanjuje. Nebo izgleda tamnije, njegova boja se mijenja sa povećanjem nadmorske visine. Nebo izgleda tamnije, njegova boja se mijenja iz tamnoplave u tamnoljubičastu s povećanjem nadmorske visine. Očigledno, na još većim visinama i izvan atmosfere, nebo se posmatraču čini crno.

Ako vazduh sadrži veliki broj relativno velikih čestica, onda te čestice takođe raspršuju duže svetlosne talase. U ovom slučaju, nebo poprima bjelkastu boju. Velike kapljice vode, ili kristali vode, koji čine oblake, otprilike podjednako rasipaju sve spektralne boje, pa oblačno nebo stoga ima blijedosivu boju.

To potvrđuju i opservacije, tokom kojih su zabilježeni meteorološki uslovi i odgovarajuća boja neba nad gradom Novokuznjeckom.

Karakteristične nijanse u boji neba od 28. do 29. novembra nastaju zbog prisustva industrijskih emisija, koje se koncentrišu u zraku uz smanjenje temperature i nedostatak vjetra.

Na boju neba takođe utiču karakter i boja zemljine površine, kao i gustina atmosfere.

Eksponencijalni zakon opadanja gustine atmosfere sa visinom.

Barometrijska formula opisuje smanjenje gustine atmosfere s visinom generalni nacrt; ne uzima u obzir vjetar, konvekcijske struje ili promjene temperature. Osim toga, visina ne smije biti prevelika, tako da se može zanemariti ovisnost ubrzanja g o visini.

Barometrijska formula povezana je s imenom austrijskog fizičara Ludwiga Boltzmanna. Ali prve naznake eksponencijalne prirode smanjenja gustoće zraka s visinom zapravo su sadržane u Newtonovim studijama o lomu svjetlosti u atmosferi i korištene su u sastavljanju ažurirane tablice prelamanja zraka.

Prikazani grafikoni pokazuju kako su u procesu proučavanja astronomske refrakcije dorađene ideje o opštoj prirodi promjena indeksa prelamanja atmosfere sa visinom.

• odgovara Keplerovoj teoriji
• Newtonova originalna teorija refrakcije
• rafinirana Newtonova i moderna teorija prelamanja svjetlosti u atmosferi

Refrakcija svjetlosti u atmosferi

Atmosfera je optički nehomogena sredina, stoga je putanja svjetlosnog snopa u atmosferi uvijek do neke mjere krivolinijska. Savijanje svjetlosnih zraka dok prolaze kroz atmosferu naziva se refrakcija svjetlosti u atmosferi.

Postoje astronomska i zemaljska refrakcija. U prvom slučaju razmatra se zakrivljenost svjetlosnih zraka koje dolaze zemaljskom posmatraču sa nebeskih tijela. U drugom slučaju razmatra se zakrivljenost svjetlosnih zraka koje dolaze do posmatrača sa zemaljskih objekata. U oba slučaja, zbog savijanja svjetlosnih zraka, posmatrač može vidjeti predmet u smjeru koji nije onaj koji odgovara stvarnosti; objekat može izgledati iskrivljeno. Moguće je posmatrati objekat čak i kada je on zapravo iza horizonta. Dakle, prelamanje svjetlosti u Zemljinoj atmosferi može dovesti do neobičnih optičkih iluzija.

Pretpostavimo da se atmosfera sastoji od skupa optički homogenih horizontalnih slojeva jednake debljine; Indeks loma se naglo mijenja od jednog sloja do drugog, postupno se povećava u smjeru od gornjih slojeva prema nižim. Prikazana je ova čisto spekulativna situacija.

U stvarnosti, gustoća atmosfere, a samim tim i njen indeks prelamanja, mijenjaju se s visinom ne skokovima, već kontinuirano. Dakle, putanja svjetlosnog snopa nije isprekidana, već kriva linija.

Pretpostavimo da zrak prikazan na slici prelazi do posmatrača sa nekog nebeskog objekta. Kada ne bi došlo do prelamanja svjetlosti u atmosferi, tada bi ovaj objekt bio vidljiv posmatraču pod uglom ά. Zbog refrakcije, posmatrač ne vidi predmet pod uglom ά, već pod uglom φ. Pošto je φ ά, čini se da je objekat viši iznad horizonta nego što zapravo jeste. Drugim riječima, promatrana zenitna udaljenost objekta je manja od stvarne zenitne udaljenosti. Razlika Ώ = ά – φ naziva se ugao prelamanja.

Prema savremenim podacima, maksimalni ugao prelamanja je 35".

Kada posmatrač posmatra zalazak sunca i vidi kako je donji rub svetiljke dodirnuo horizont, u stvarnosti ovog trenutka ova ivica je već 35" ispod linije horizonta. Zanimljivo je da je gornja ivica solarnog diska manje podignuta prelamanjem - samo 29". Stoga se zalazeće Sunce čini blago spljoštenim okomito.

Nevjerovatni zalasci sunca

Prilikom razmatranja prelamanja svjetlosti potrebno je, uz sistematsku promjenu gustine zraka sa visinom, uzeti u obzir i niz dodatnih faktora, od kojih su mnogi prilično slučajne prirode. Riječ je o utjecaju na indeks prelamanja zraka konvekcijskih strujanja i vjetra, temperature zraka u različitim tačkama atmosfere na različitim dijelovima zemljine površine.

Osobine stanja atmosfere i, prije svega, karakteristike zagrijavanja atmosfere u njenim donjim slojevima na različitim dijelovima zemljine površine dovode do jedinstvenosti posmatranih zalazaka sunca.

Blind lane. Ponekad se čini da Sunce ne zalazi iza horizonta, već iza neke nevidljive linije koja se nalazi iznad horizonta. Ovaj fenomen se opaža u odsustvu bilo kakvih oblaka na horizontu. Ako se u ovo vrijeme popnete na vrh brda, možete uočiti još čudniju sliku: sada Sunce zalazi iza horizonta, ali u isto vrijeme čini se da je solarni disk odsječen horizontalnom "slijepom trakom", čiji položaj u odnosu na horizont ostaje nepromenjen. Ovi neobični zalasci sunca mogu se vidjeti, prema riječima očevidaca, u različitim geografskim područjima, na primjer, u selu Bolšoj Kamen, Primorski teritorij i Soči, Krasnodarski teritorij.

Ova slika se opaža ako se zrak u blizini same Zemlje pokaže hladnim, a iznad se nalazi sloj relativno toplog zraka. U ovom slučaju, indeks prelamanja zraka mijenja se s visinom otprilike kao što je prikazano na grafikonu; prijelaz iz donjeg hladnog sloja zraka u topli koji leži iznad njega može dovesti do prilično oštrog pada indeksa prelamanja. Radi jednostavnosti, pretpostavljamo da do ovog opadanja dolazi naglo i da stoga postoji jasno definisana granica između hladnog i toplog sloja, koji se nalazi na određenoj visini h1 iznad površine Zemlje. Na slici nx označava indeks prelamanja zraka u hladnom sloju, a nt – u toplom sloju blizu granice sa hladnim.

Indeks loma zraka se vrlo malo razlikuje od jedinice, stoga, radi veće jasnoće, vertikalna os na ovoj slici ne prikazuje vrijednosti samog indeksa loma, već njegov višak iznad jedinice, tj. razlika n-1.

Slika promjene indeksa prelamanja prikazana na slici 4b) korištena je za konstruiranje putanje zraka na slici 5, koja prikazuje dio površine globusa i susjedni sloj hladnog zraka debljine hο.

Ako postepeno povećavate φ, počevši od nule, ugao α2 će također rasti. Pretpostavimo da pri određenoj vrijednosti φ = φ´ ugao α2 postaje jednak graničnom kutu αο koji odgovara ukupnoj unutrašnjoj refleksiji na granici hladnog i toplog sloja; u ovom slučaju sin α1 = 1. Ugao αο odgovara gredi BA na slici 5; formira ugao β = 90˚ - φ´ sa horizontalom. Posmatrač neće primiti zrake koje ulaze u hladni sloj u tačkama čija je ugaona visina iznad horizonta manja od ugaone visine tačke B, tj. manji od ugla β. Ovo objašnjava slepu tačku.

Zeleni zrak. Zeleni zrak je vrlo spektakularan bljesak zelene svjetlosti, koji se ponekad posmatra pri zalasku i izlasku sunca. Trajanje blica je samo 1-2 sekunde. Fenomen je sljedeći: ako Sunce zalazi na vedrom nebu, onda uz dovoljnu prozirnost zraka, ponekad možete primijetiti kako posljednja vidljiva tačka Sunca brzo mijenja svoju boju od blijedo žute ili narandžasto-crvene do svijetlo zelene. Pri izlasku sunca može se uočiti ista pojava, ali sa obrnutim redoslijedom naizmenične boje.

Pojava zelenog zraka može se objasniti uzimanjem u obzir promjene indeksa prelamanja s frekvencijom svjetlosti.

Tipično, indeks loma raste sa povećanjem frekvencije. Zraci sa višom frekvencijom loma su jači. To znači da plavo-zeleni zraci podležu jačem prelamanju u poređenju sa crvenim zracima.

Pretpostavimo da postoji lom svjetlosti u atmosferi, ali ne i rasipanje svjetlosti. U ovom slučaju, gornji i donji rub solarnog diska u blizini linije horizonta morali bi biti obojeni u dugine boje. Neka budu samo dvije boje u spektru sunčeve svjetlosti - zelena i crvena; „Bijeli“ solarni disk se u ovom slučaju može smatrati u obliku zelenih i crvenih diskova koji su postavljeni jedan na drugi. Refrakcija svjetlosti u atmosferi podiže zeleni disk iznad horizonta u većoj mjeri nego crveni. Stoga bi posmatrač morao da vidi zalazeće Sunce kao što je prikazano na Sl. 6a) . Gornja ivica solarnog diska bi bila zelena, a donja crvena; u centralnom dijelu diska bi se uočila mješavina boja, tj. primetila bi se bijela boja.

U stvarnosti, ne može se zanemariti rasipanje svjetlosti u atmosferi. To dovodi do činjenice da se zraci veće frekvencije efikasnije eliminišu iz svetlosnog snopa koji dolazi sa Sunca. Dakle, zelena granica na vrhu diska neće biti vidljiva, a cijeli disk će izgledati crvenkasto, a ne bijelo. Ako je, međutim, skoro ceo solarni disk otišao izvan horizonta, ostala je samo njegova gornja ivica, a vreme je vedro i mirno, vazduh je čist, onda u ovom slučaju posmatrač može da vidi svetlo zelenu ivicu Sunca zajedno sa rasipanjem jarkih zelenih zraka

Radost viđenja i razumevanja
je najljepši dar prirode.
Albert Einstein

Misterija plavog neba

Zašto je nebo plavo?...

Ne postoji osoba koja o ovome nije razmišljala barem jednom u životu. Srednjovekovni mislioci su već pokušali da objasne poreklo boje neba. Neki od njih su sugerirali da je plava prava boja zraka ili jednog od njegovih sastavnih plinova. Drugi su mislili da je prava boja neba crna – kako izgleda noću. Tokom dana, crna boja neba se kombinuje sa bijelom - sunčeve zrake, i ispada... plavo.

Sada, možda, nećete sresti osobu koja bi, želeći da dobije plavu boju, pomiješala crno i bijelo. A bilo je vremena kada su zakoni miješanja boja još uvijek bili nejasni. Njih je pre samo tri stotine godina postavio Njutn.

Njutn se takođe zainteresovao za misteriju azurnog neba. Počeo je odbacivanjem svih prethodnih teorija.

Prvo, tvrdio je, mješavina bijele i crne nikada ne proizvodi plavu. Drugo, plava uopšte nije prava boja vazduha. Da je to tako, onda Sunce i Mjesec na zalasku ne bi izgledali crveni, kao što zaista jesu, već plavi. Ovako bi izgledali vrhovi dalekih snježnih planina.

Zamislite da je vazduh obojen. Čak i ako je veoma slab. Tada bi njegov debeli sloj djelovao kao obojeno staklo. A ako pogledate kroz obojeno staklo, onda će vam se činiti da su svi predmeti iste boje kao ovo staklo. Zašto nam se udaljeni snježni vrhovi čine ružičasti, a ne plavi?

U sporu sa njegovim prethodnicima istina je bila na Njutnovoj strani. Dokazao je da vazduh nije obojen.

Ali ipak nije riješio zagonetku nebeskog lazura. Zbunila ga je duga, jedna od najljepših, poetskih pojava prirode. Zašto se iznenada pojavljuje i nestaje jednako neočekivano? Njutn se nije mogao zadovoljiti preovlađujućim praznovjerjem: duga je znak odozgo, ona predskazuje lijepo vrijeme. Nastojao je pronaći materijalni uzrok svake pojave. Pronašao je i razlog za dugu.

Duge su rezultat prelamanja svjetlosti u kapima kiše. Shvativši ovo, Newton je mogao izračunati oblik duginog luka i objasniti slijed duginih boja. Njegova teorija nije mogla objasniti samo pojavu dvostruke duge, ali je to učinjeno tek tri stoljeća kasnije uz pomoć vrlo složene teorije.

Uspjeh teorije duge hipnotizirao je Newtona. Pogrešno je zaključio da su plava boja neba i duge uzrokovane istim razlogom. Duga zaista izbija kada se sunčevi zraci probiju kroz roj kišnih kapi. Ali plavetnilo neba nije vidljivo samo na kiši! Naprotiv, po vedrom vremenu, kada nema ni naznake kiše, nebo je posebno plavo. Kako to veliki naučnik nije primetio? Njutn je mislio da sićušni mehurići vode, koji su prema njegovoj teoriji činili samo plavi deo duge, lebde u vazduhu po bilo kom vremenu. Ali ovo je bila zabluda.

Prvo rješenje

Prošlo je gotovo 200 godina, a još jedan engleski naučnik se zauzeo za ovo pitanje - Rayleigh, koji se nije bojao da je zadatak izvan moći čak i velikog Newtona.

Rayleigh je studirao optiku. A ljudi koji svoje živote posvete proučavanju svjetlosti provode dosta vremena u mraku. Strano svjetlo ometa najfinije eksperimente, zbog čega su prozori optičke laboratorije gotovo uvijek prekriveni crnim, neprobojnim zavjesama.

Rayleigh je satima ostao sam u svojoj sumornoj laboratoriji sa snopovima svjetlosti koji su izlazili iz instrumenata. Na putu zraka kovitlale su se poput živih čestica prašine. Bili su jako osvijetljeni i stoga su se isticali na tamnoj pozadini. Naučnik je možda proveo dugo vremena zamišljeno posmatrajući njihove glatke pokrete, baš kao što čovek posmatra igru ​​varnica u kaminu.

Nisu li ove čestice prašine koje plešu u zracima svjetlosti nagovijestile Rejliju novu ideju o porijeklu boje neba?

Još u davna vremena postalo je poznato da svjetlost putuje pravolinijski. Do ovog važnog otkrića mogao je doći primitivni čovjek, posmatrajući kako su, probijajući se kroz pukotine kolibe, sunčevi zraci padali na zidove i pod.

Ali malo je vjerovatno da mu je smetala pomisao zašto vidi svjetlosne zrake kada ih gleda sa strane. I ovdje ima o čemu razmišljati. Na kraju krajeva, sunčeva svjetlost se širi od pukotine do poda. Oko posmatrača je smješteno sa strane i, ipak, vidi ovu svjetlost.

Vidimo i svjetlost iz reflektora usmjerenog prema nebu. To znači da je dio svjetlosti nekako skrenuo sa direktne putanje i usmjeren u naše oko.

Šta ga tjera da zaluta? Ispostavilo se da su to same čestice prašine koje ispunjavaju zrak. U naše oko ulaze zraci koje se raspršuju zrnom prašine i zrakama, koje nailazeći na prepreke skreću s puta i šire se u pravoj liniji od raspršene trunke prašine do našeg oka.

"Da li su ove čestice prašine koje boje nebo u plavo?" – pomislio je Rayleigh jednog dana. Izračunao je i nagađanje se pretvorilo u sigurnost. Pronašao je objašnjenje za plavu boju neba, crvene zore i plavu izmaglicu! Pa, naravno, sićušna zrnca prašine, čija je veličina manja od talasne dužine svetlosti, raspršuju sunčevu svetlost i što je njena talasna dužina kraća, to jače, objavio je Rayleigh 1871. A budući da ljubičaste i plave zrake u vidljivom sunčevom spektru imaju najkraću valnu dužinu, one se najjače raspršuju, dajući nebu plavu boju.

Sunce i snježni vrhovi su se povinovali ovom Rayleighovom proračunu. Čak su i potvrdili teoriju naučnika. Pri izlasku i zalasku sunca, kada sunčeva svjetlost prolazi kroz najveću debljinu zraka, ljubičasti i plavi zraci, kaže Rayleighova teorija, najjače se raspršuju. Istovremeno skreću s pravog puta i ne upadaju u oči posmatraču. Posmatrač vidi uglavnom crvene zrake, koje su mnogo slabije raspršene. Zato nam sunce izgleda crveno pri izlasku i zalasku sunca. Iz istog razloga, vrhovi udaljenih snježnih planina izgledaju ružičasto.

Gledam čisto nebo, vidimo plavo-plave zrake kako odstupaju zbog raspršivanja s pravog puta i ulaze u naše oči. A izmaglica koju ponekad vidimo blizu horizonta takođe nam se čini plavom.

Iritantna sitnica

Nije li to divno objašnjenje? Sam Rayleigh je bio toliko zanesen time, naučnici su bili toliko zadivljeni harmonijom teorije i Rayleighove pobjede nad Newtonom da niko od njih nije primijetio jednu jednostavnu stvar. Ova sitnica je, međutim, trebala potpuno promijeniti njihovu ocjenu.

Ko će poreći da je daleko od grada, gde je mnogo manje prašine u vazduhu, plava boja neba posebno bistra i sjajna? I samom Rayleighu je bilo teško to poreći. Dakle... nisu čestice prašine one koje rasipaju svjetlost? Šta onda?

Ponovo je pregledao sve svoje proračune i uvjerio se da su njegove jednadžbe tačne, ali to je značilo da čestice raspršivanja zaista nisu zrnca prašine. Osim toga, zrnca prašine koja su prisutna u zraku su mnogo duža od valne dužine svjetlosti, a proračuni su uvjerili Rayleigha da njihova velika akumulacija ne pojačava plavetnilo neba, već ga, naprotiv, slabi. Rasipanje svetlosti velikim česticama slabo zavisi od talasne dužine i stoga ne izaziva promenu njene boje.

Kada se svjetlost rasprši na velike čestice, i raspršena i propuštena svjetlost ostaje bijela, pa pojava velikih čestica u zraku daje nebu bjelkastu boju, a nakupljanje velika količina Velike kapljice uzrokuju bijelu boju oblaka i magle. To je lako provjeriti na običnoj cigareti. Dim koji izlazi iz nastavka za usta uvijek je bjelkast, a dim koji se diže sa gorućeg kraja je plavkaste boje.

Najmanje čestice dima koje se dižu iz gorućeg kraja cigarete manje su od talasne dužine svjetlosti i, prema Rayleighovoj teoriji, raspršuju pretežno ljubičaste i plave boje. Ali pri prolasku kroz uske kanale u debljini duhana, čestice dima se lijepe (koaguliraju), spajajući se u veće grudve. Mnogi od njih postaju veći od valnih dužina svjetlosti i otprilike jednako rasipaju sve valne dužine svjetlosti. Zbog toga dim koji izlazi iz usnika izgleda bjelkasto.

Da, bilo je beskorisno raspravljati i braniti teoriju zasnovanu na trunkama prašine.

Tako se pred naučnicima ponovo pojavila misterija plave boje neba. Ali Rayleigh nije odustajao. Ako je plava boja neba čistija i svjetlija što je atmosfera čistija, zaključio je, tada boju neba ne može uzrokovati ništa drugo osim molekula samog zraka. Molekuli zraka, napisao je u svojim novim člancima, su najmanje čestice koje raspršuju sunčevu svjetlost!

Ovaj put Rayleigh je bio veoma oprezan. Prije nego što je prijavio svoju novu ideju, odlučio je da je testira, kako bi nekako uporedio teoriju s iskustvom.

Prilika se ukazala 1906. Rayleighu je pomogao američki astrofizičar Abbott, koji je proučavao plavi sjaj neba na opservatoriji Mount Wilson. Obradom rezultata mjerenja svjetline neba na temelju Rayleighove teorije raspršenja, Abbott je izračunao broj molekula sadržanih u svakom kubnom centimetru zraka. Ispostavilo se da je to ogroman broj! Dovoljno je reći da ako distribuirate ove molekule svim ljudima koji nastanjuju globus, onda će svi dobiti više od 10 milijardi ovih molekula. Ukratko, Abbott je otkrio da svaki kubni centimetar zraka pri normalnoj atmosferskoj temperaturi i pritisku sadrži 27 milijardi puta milijardu molekula.

Može se odrediti broj molekula u kubnom centimetru plina Različiti putevi zasnovano na potpuno različitim i nezavisnim pojavama. Svi oni dovode do blisko podudarnih rezultata i daju broj koji se zove Loschmidtov broj.

Ovaj broj je dobro poznat naučnicima i više puta je služio kao mera i kontrola u objašnjavanju pojava koje se dešavaju u gasovima.

I tako se broj koji je Abbott dobio prilikom mjerenja sjaja neba poklopio s Loschmidtovim brojem sa velikom preciznošću. Ali u svojim proračunima koristio je Rayleighovu teoriju raspršenja. Dakle, ovo je jasno dokazalo da je teorija tačna, molekularno rasipanje svjetlosti zaista postoji.

Činilo se da je Rayleighova teorija pouzdano potvrđena iskustvom; svi naučnici su ga smatrali besprekornim.

Postala je opšteprihvaćena i uvrštena je u sve udžbenike optike. Moglo se odahnuti: konačno je pronađeno objašnjenje za fenomen koji je bio tako poznat i u isto vrijeme misteriozan.

Utoliko je iznenađujuće što se 1907. godine na stranicama poznatog naučnog časopisa ponovo postavlja pitanje: zašto je nebo plavo?!

Spor

Ko se usudio dovesti u pitanje općeprihvaćenu Rayleighovu teoriju?

Čudno, ovo je bio jedan od Rayleighovih najvatrenijih obožavatelja i obožavatelja. Možda niko nije toliko cenio i razumeo Rejlija, tako dobro poznavao njegove radove i nije bio toliko zainteresovan za njegov naučni rad kao mladi ruski fizičar Leonid Mandeljštam.

„Karakter uma Leonida Isaakoviča“, prisećao se kasnije drugi sovjetski naučnik, akademik N.D. Papaleksi - imao je mnogo toga zajedničkog sa Rejlijem. I nije slučajno što su se putevi njihovog naučnog stvaralaštva često odvijali paralelno i više puta ukrštali.

I ovaj put su se prekrstili po pitanju porijekla boje neba. Prije toga, Mandelstam se uglavnom zanimao za radiotehniku. Početkom našeg veka, ovo je bila potpuno nova oblast nauke i malo ljudi je to razumelo. Nakon otkrića A.S. Popova (1895.) prošlo je samo nekoliko godina, a prestanku rada nije bilo kraja. Iza kratak period Mandelstam je sproveo mnoga ozbiljna istraživanja u oblasti elektromagnetnih oscilacija u vezi sa radiotehničkim uređajima. Godine 1902. odbranio je disertaciju i sa dvadeset tri godine doktorirao. prirodna filozofija Univerzitet u Strazburu.

Baveći se pitanjima pobuđivanja radio talasa, Mandelstam je, prirodno, proučavao radove Rayleigha, koji je bio priznati autoritet u proučavanju oscilatornih procesa. I mladi doktor se neizbežno upoznao sa problemom bojenja neba.

Ali, upoznavši se s pitanjem boje neba, Mandelstam ne samo da je pokazao zabludu, ili, kako je sam rekao, "neadekvatnost" općeprihvaćene Rayleighove teorije molekularnog raspršivanja svjetlosti, ne samo da je otkrio tajnu plave boje neba, ali i postavio temelj za istraživanja koja su dovela do jednog od najvažnijih otkrića fizike 20. stoljeća.

Sve je počelo sporom u odsustvu sa jednim od najvećih fizičara, ocem kvantne teorije, M. Planckom. Kada se Mandelstam upoznao s Rayleighovom teorijom, ona ga je očarala svojom povučenošću i unutrašnjim paradoksima, koje, na iznenađenje mladog fizičara, stari, vrlo iskusni Rayleigh nije primijetio. Nedovoljnost Rayleighove teorije posebno se jasno pokazala prilikom analize druge teorije koju je na njenoj osnovi izgradio Planck da objasni slabljenje svjetlosti pri prolasku kroz optički homogenu prozirnu sredinu.

U ovoj teoriji uzeto je kao osnova da su sami molekuli tvari kroz koje prolazi svjetlost izvor sekundarnih valova. Za stvaranje ovih sekundarnih talasa, tvrdio je Planck, troši se dio energije prolaznog talasa, koji se prigušuje. Vidimo da je ova teorija zasnovana na Rayleighovoj teoriji molekularnog raspršenja i da se oslanja na njen autoritet.

Najlakši način da se shvati suština materije je gledanjem u talase na površini vode. Ako val naiđe na nepokretne ili plutajuće objekte (gomile, trupce, čamce, itd.), tada se mali valovi raspršuju u svim smjerovima od tih objekata. Ovo nije ništa drugo do rasipanje. Dio energije upadnog vala troši se na uzbudljive sekundarne valove, koji su prilično slični raspršenoj svjetlosti u optici. U ovom slučaju, početni val je oslabljen - blijedi.

Plutajući objekti mogu biti mnogo manji od valne dužine koja putuje kroz vodu. Čak i sitna zrna uzrokovaće sekundarne talase. Naravno, kako se veličina čestica smanjuje, sekundarni valovi koje formiraju slabe, ali će i dalje oduzimati energiju glavnog vala.

Otprilike ovako je Planck zamišljao proces slabljenja svjetlosnog vala dok prolazi kroz plin, ali ulogu zrna u njegovoj teoriji igrali su molekuli plina.

Mandelštam se zainteresovao za ovo Plankovo ​​delo.

Mandelstamov tok misli se također može objasniti na primjeru valova na površini vode. Samo je potrebno pažljivije pogledati. Dakle, čak i sitna zrna koja plutaju na površini vode izvori su sekundarnih valova. Ali šta će se dogoditi ako se ova zrna sipaju tako gusto da pokriju cijelu površinu vode? Tada će se ispostaviti da će se pojedinačni sekundarni valovi uzrokovani brojnim zrnima zbrajati tako da će potpuno ugasiti one dijelove valova koji idu u stranu i unatrag, a rasipanje će prestati. Ostaje samo talas koji trči naprijed. Ona će trčati naprijed bez ikakvog slabljenja. Jedini rezultat prisustva cjelokupne mase zrna bit će blago smanjenje brzine širenja primarnog vala. Posebno je važno da sve to ne zavisi od toga da li su zrna nepomična ili se kreću po površini vode. Agregat zrna će jednostavno djelovati kao opterećenje na površini vode, mijenjajući gustoću njenog gornjeg sloja.

Mandelstam je napravio matematički proračun za slučaj kada je broj molekula u zraku toliko velik da čak i tako mala površina kao što je valna dužina svjetlosti sadrži vrlo veliki broj molekule. Pokazalo se da se u ovom slučaju sekundarni svjetlosni valovi pobuđeni pojedinačnim haotično pokretnim molekulima zbrajaju na isti način kao i valovi u primjeru sa zrncima. To znači da se u ovom slučaju svjetlosni val širi bez raspršivanja i slabljenja, ali nešto manjom brzinom. To je opovrglo Rayleighovu teoriju, koji je vjerovao da kretanje čestica raspršivanja u svim slučajevima osigurava raspršivanje valova, te je stoga pobio Planckovu teoriju zasnovanu na njoj.

Tako je pijesak otkriven u temelju teorije raspršenja. Čitava veličanstvena građevina počela je da se trese i prijetila je da se sruši.

Slučajnost

Ali šta je sa određivanjem Loschmidtovog broja iz merenja plavog sjaja neba? Na kraju krajeva, iskustvo je potvrdilo Rayleighovu teoriju raspršenja!

“Ovu koincidenciju treba smatrati slučajnom”, napisao je Mandelstam 1907. u svom radu “O optički homogenim i mutnim medijima”.

Mandelstam je pokazao da nasumično kretanje molekula ne može učiniti gas homogenim. Naprotiv, u stvarnom plinu uvijek postoje sitna razrjeđivanja i zbijanja nastala kao rezultat haotičnog toplinskog kretanja. Upravo oni dovode do raspršivanja svjetlosti, jer narušavaju optičku homogenost zraka. U istom djelu Mandelstam je napisao:

“Ako je medij optički nehomogen, onda će, općenito govoreći, upadna svjetlost također biti raspršena na strane.”

Ali budući da su veličine nehomogenosti koje nastaju kao rezultat haotičnog kretanja manje od dužine svjetlosnih valova, valovi koji odgovaraju ljubičastom i plavom dijelu spektra bit će pretežno raspršeni. A to posebno vodi do plave boje neba.

Tako je konačno riješena zagonetka azurnog neba. Teorijski dio je razvio Rayleigh. Fizičku prirodu raspršivača utvrdio je Mandelštam.

Mandelštamova velika zasluga leži u činjenici da je dokazao da je pretpostavka savršene homogenosti gasa nespojiva sa činjenicom raspršenja svjetlosti u njemu. Shvatio je da plava boja neba dokazuje da je homogenost gasova samo prividna. Preciznije, gasovi izgledaju homogeni samo kada se ispituju sirovim instrumentima, kao što su barometar, vage ili drugi instrumenti na koje istovremeno utiče mnogo milijardi molekula. Ali svjetlosni snop se osjeća neuporedivo manjim količinama molekule mjerene u samo desetinama hiljada. I to je dovoljno da se nesumnjivo utvrdi da je gustina plina kontinuirano podložna malim lokalnim promjenama. Dakle, medij koji je homogen sa naše „grube“ tačke gledišta je u stvarnosti heterogen. Sa “tačke gledišta svjetlosti” djeluje oblačno i stoga raspršuje svjetlost.

Slučajne lokalne promjene u svojstvima tvari, koje su rezultat toplinskog kretanja molekula, danas se nazivaju fluktuacije. Nakon što je razjasnio porijeklo fluktuacije molekularnog raspršivanja svjetlosti, Mandelstam je otvorio put za novu metodu proučavanja materije - fluktuacijsku, ili statističku, metodu, koju su kasnije razvili Smoluchowski, Lorentz, Einstein i on u novo veliko odjeljenje za fiziku - statistička fizika.

Nebo bi trebalo da blista!

Tako je otkrivena misterija plave boje neba. Ali proučavanje rasipanja svjetlosti nije stalo na tome. Skrećući pažnju na gotovo neprimjetne promjene gustine zraka i objašnjavajući boju neba fluktuacijskim rasipanjem svjetlosti, Mandelstam je svojim istančanim smislom za naučnika otkrio novu, još suptilniju osobinu ovog procesa.

Uostalom, nehomogenosti zraka su uzrokovane nasumičnim fluktuacijama njegove gustine. Veličina ovih nasumičnih nehomogenosti i gustina nakupina se mijenjaju tokom vremena. Stoga bi, zaključio je naučnik, intenzitet – snaga raspršene svjetlosti – također trebalo da se mijenja tokom vremena! Uostalom, što su nakupine molekula gušće, to je svjetlost raspršena po njima intenzivnije. A pošto se te grudvice pojavljuju i haotično nestaju, nebo bi, jednostavno rečeno, trebalo da treperi! Jačina njegovog sjaja i njegova boja treba da se menjaju sve vreme (ali veoma slabo)! Ali da li je neko ikada primetio takvo treperenje? Naravno da ne.

Ovaj efekat je toliko suptilan da ga ne možete primetiti golim okom.

Ni jedan od naučnika nije primetio takvu promenu u sjaju neba. Sam Mandelstam nije imao priliku provjeriti zaključke svoje teorije. Organizaciju složenih eksperimenata otežali su najprije oskudni uslovi carske Rusije, a zatim i teškoće prvih godina revolucije, strane intervencije i građanskog rata.

Godine 1925. Mandelštam je postao šef katedre na Moskovskom univerzitetu. Ovdje se susreo sa izvanrednim naučnikom i vještim eksperimentatorom Grigorijem Samuilovičem Landsbergom. I tako, vezani dubokim prijateljstvom i zajedničkim naučnim interesima, zajedno su nastavili napad na tajne skrivene u slabim zracima raspršene svetlosti.

Optičke laboratorije univerziteta tih godina su još uvijek bile vrlo siromašne instrumentima. Na univerzitetu nije postojao niti jedan instrument koji bi mogao da detektuje treperenje neba ili one male razlike u frekvenciji upada i raspršene svetlosti za koje je teorija predviđala da su rezultat ovog treperenja.

Međutim, to nije zaustavilo istraživače. Odustali su od ideje da simuliraju nebo u laboratorijskom okruženju. Ovo bi samo zakomplikovalo ionako suptilno iskustvo. Odlučili su da proučavaju ne raspršivanje bijele - složene svjetlosti, već raspršivanje zraka jedne, strogo određene frekvencije. Ako tačno znaju frekvenciju upadne svjetlosti, bit će mnogo lakše tražiti one frekvencije koje su joj blizu koje bi se trebale pojaviti prilikom raspršivanja. Osim toga, teorija je sugerirala da se opažanja lakše izvode u čvrstim tijelima, budući da su molekuli u njima mnogo bliže nego u plinovima, a što je supstanca gušća, to je raspršenje veće.

Počela je mukotrpna potraga za najprikladnijim materijalima. Konačno je izbor pao na kvarcne kristale. Jednostavno zato što su veliki prozirni kvarcni kristali pristupačniji od bilo kojeg drugog.

Pripremni eksperimenti su trajali dvije godine, odabrani su najčistiji uzorci kristala, poboljšana tehnika i utvrđeni znaci po kojima je bilo moguće neosporno razlikovati raspršenje na molekulima kvarca od raspršenja na slučajnim inkluzijama, nehomogenostima kristala i nečistoćama.

Pamet i rad

U nedostatku moćne opreme za spektralnu analizu, naučnici su odabrali genijalno rješenje koje je trebalo da omogući korištenje postojećih instrumenata.

Glavna poteškoća u ovom radu bila je u tome što je slaba svjetlost uzrokovana molekularnim rasipanjem bila superponirana mnogo jačom svjetlošću raspršenom malim nečistoćama i drugim defektima u uzorcima kristala koji su dobiveni za eksperimente. Istraživači su odlučili iskoristiti činjenicu da raspršena svjetlost, nastala defektima u kristalu i refleksijama iz različitih dijelova instalacije, tačno odgovara frekvenciji upadne svjetlosti. Zanimalo ih je samo svjetlo čija je frekvencija promijenjena u skladu sa Mandelstamovom teorijom, tako da je zadatak bio da se na pozadini ove mnogo svjetlije svjetlosti istakne svjetlost promijenjene frekvencije uzrokovane molekularnim rasipanjem.

Kako bi osigurali da raspršena svjetlost ima veličinu koja se može detektovati, naučnici su odlučili da osvijetle kvarc najmoćnijim svjetlosnim uređajem koji im je dostupan: živinom lampom.

Dakle, svjetlost raspršena u kristalu mora se sastojati od dva dijela: slabe svjetlosti promijenjene frekvencije, zbog molekularnog raspršenja (proučavanje ovog dijela je bio cilj naučnika), i mnogo jače svjetlosti nepromijenjene frekvencije, uzrokovane vanjskim uzrocima (ovo dio je bio štetan, otežavao je istraživanje).

Ideja metode bila je privlačna zbog svoje jednostavnosti: potrebno je apsorbirati svjetlost konstantne frekvencije i propuštati samo svjetlost promijenjene frekvencije u spektralni aparat. Ali razlike u učestalosti bile su samo nekoliko hiljaditih procenta. Nijedna laboratorija na svijetu nije imala filter koji bi mogao odvojiti tako bliske frekvencije. Međutim, rješenje je pronađeno.

Raspršena svjetlost je propuštena kroz posudu koja je sadržavala pare žive. Kao rezultat toga, sva "štetna" svjetlost je "zaglavila" u posudi, a "korisna" svjetlost je prošla bez primjetnog slabljenja. Eksperimentatori su iskoristili jednu već poznatu okolnost. Atom materije je, kako tvrdi kvantna fizika, sposoban da emituje svetlosne talase samo na određenim frekvencijama. Istovremeno, ovaj atom je također sposoban apsorbirati svjetlost. Štaviše, samo svjetlosni valovi onih frekvencija koje on sam može emitovati.

U živinoj lampi, svjetlost emituje živina para, koja svijetli pod utjecajem električnog pražnjenja koje se javlja unutar lampe. Ako se ova svjetlost prođe kroz posudu koja također sadrži pare žive, ona će se skoro potpuno apsorbirati. Ono što teorija predviđa da će se desiti: atomi žive u posudi će apsorbovati svetlost koju emituju atomi žive u lampi.

Svjetlost iz drugih izvora, kao što je neonska lampa, proći će kroz živinu paru neoštećena. Atomi žive neće ni obratiti pažnju na to. Čak ni taj dio svijeta neće biti apsorbiran živina lampa, koji se raspršio u kvarcu sa promjenom talasne dužine.

Upravo su ovu zgodnu okolnost iskoristili Mandelstam i Landsberg.

Nevjerovatno otkriće

1927. započeli su odlučujući eksperimenti. Naučnici su osvetlili kvarcni kristal svetlošću živine lampe i obrađivali rezultate. I... bili su iznenađeni.

Rezultati eksperimenta bili su neočekivani i neobični. Ono što su naučnici otkrili nije bilo ono što su očekivali, a ne ono što je predviđala teorija. Otkrili su potpuno novi fenomen. Ali koji? I nije li ovo greška? Raspršena svjetlost nije otkrila očekivane frekvencije, već mnogo više i niže frekvencije. U spektru raspršene svjetlosti pojavila se čitava kombinacija frekvencija koje nisu bile prisutne u svjetlosti koja pada na kvarc. Jednostavno je bilo nemoguće objasniti njihov izgled optičkim nehomogenostima u kvarcu.

Počela je temeljna provjera. Eksperimenti su izvedeni besprijekorno. Bili su tako duhoviti, savršeni i inventivni da im se nije moglo ne diviti.

„Leonid Isaakovič je ponekad rešavao veoma teške tehničke probleme tako lepo, a ponekad briljantno jednostavno da je svako od nas nehotice postavljao pitanje: „Zašto mi to ranije nije palo na pamet?” – kaže jedan od zaposlenih.

Različiti kontrolni eksperimenti uporno su potvrđivali da nije bilo greške. Na fotografijama spektra raspršene svjetlosti uporno su se pojavljivale slabe, a opet prilično očigledne linije, koje ukazuju na prisustvo “dodatnih” frekvencija u raspršenoj svjetlosti.

Naučnici su dugi niz mjeseci tražili objašnjenje za ovaj fenomen. Gdje su se pojavile “vanzemaljske” frekvencije u raspršenoj svjetlosti?!

I došao je dan kada je Mandelštam bio pogođen neverovatnom pretpostavkom. Bilo je neverovatno otkriće, ista stvar koja se danas smatra jednim od najvažnijih otkrića 20. stoljeća.

Ali i Mandelstam i Landsberg su jednoglasno odlučili da se ovo otkriće može objaviti tek nakon solidne provjere, nakon iscrpnog prodiranja u dubinu fenomena. Počeli su završni eksperimenti.

Uz pomoć sunca

16. februara indijski naučnici C.N. Raman i K.S. Krišnan je ovom časopisu poslao telegram iz Kalkute Kratki opis njegovog otkrića.

Tih godina u časopis Nature stizala su pisma iz cijelog svijeta o raznim otkrićima. Ali nije svaka poruka predodređena da izazove uzbuđenje među naučnicima. Kada je izašlo izdanje sa pismom indijskih naučnika, fizičari su bili veoma uzbuđeni. Zanimanje je izazvao sam naslov beleške – „Nova vrsta sekundarnog zračenja“. Uostalom, optika je jedna od najstarijih nauka, u njoj nije bilo često moguće otkriti nešto nepoznato u 20. vijeku.

Može se zamisliti s kakvim su zanimanjem fizičari širom svijeta čekali nova pisma iz Kalkute.

Njihovo interesovanje u velikoj meri je podstakla i sama ličnost jednog od autora otkrića, Ramana. Ovo je čovjek čudne sudbine i izvanredne biografije, vrlo slične Ajnštajnovoj. Ajnštajn je u mladosti bio jednostavan profesor u gimnaziji, a potom i službenik patentnog zavoda. U tom periodu završio je najznačajnija svoja djela. Raman, briljantni fizičar, također nakon diplomiranja na univerzitetu, bio je primoran da deset godina služi na odsjeku za finansije i tek nakon toga pozvan je na odjel Univerziteta u Kalkuti. Raman je ubrzo postao priznati šef indijske škole fizičara.

Neposredno prije opisanih događaja, Raman i Krishnan su se zainteresirali za neobičan zadatak. U to vrijeme, strasti izazvane 1923. otkrićem američkog fizičara Comptona, koji je, proučavajući prolazak rendgenskih zraka kroz materiju, otkrio da neke od tih zraka, raspršujući se na strane iz prvobitnog smjera, povećavaju svoju valnu dužinu. , još nije splasnuo. Prevedeno na jezik optike, možemo reći da su rendgenski zraci, sudarajući se s molekulima tvari, promijenili svoju "boju".

Ovaj fenomen je lako objasniti zakonima kvantne fizike. Stoga je Comptonovo otkriće bio jedan od odlučujućih dokaza ispravnosti mlade kvantne teorije.

Odlučili smo probati nešto slično, ali u optici. otkrili indijski naučnici. Htjeli su da prođu svjetlost kroz supstancu i vide kako će se njeni zraci raspršiti na molekulima supstance i da li će se njihova talasna dužina promijeniti.

Kao što vidite, voljno ili nevoljno, indijski naučnici postavili su sebi isti zadatak kao i sovjetski naučnici. Ali njihovi ciljevi su bili drugačiji. U Kalkuti su tražili optičku analogiju Comptonovog efekta. U Moskvi - eksperimentalna potvrda Mandelstamovog predviđanja promjene frekvencije kada se svjetlost rasprši fluktuirajućim nehomogenostima.

Raman i Krishnan su osmislili složen eksperiment jer je očekivani učinak bio izuzetno mali. Eksperiment je zahtevao veoma jak izvor svetlosti. A onda su odlučili da koriste sunce, sakupljajući njegove zrake pomoću teleskopa.

Prečnik njegovog sočiva bio je osamnaest centimetara. Istraživači su prikupljenu svjetlost usmjerili kroz prizmu na posude koje su sadržavale tekućine i plinove koji su temeljito očišćeni od prašine i drugih zagađivača.

Ali bilo je beznadežno detektovati očekivano malo proširenje talasne dužine raspršene svetlosti koristeći belu sunčevu svetlost, koja sadrži skoro sve moguće talasne dužine. Stoga su naučnici odlučili koristiti svjetlosne filtere. Postavili su plavo-ljubičasti filter ispred sočiva i posmatrali rasejanu svetlost kroz žuto-zeleni filter. S pravom su odlučili da ono što će prvi filter propustiti zaglaviti u drugom. Na kraju krajeva, žuto-zeleni filter upija plavo-ljubičaste zrake koje prenosi prvi filter. I oba, postavljena jedno iza drugog, trebalo bi da apsorbuju svu upadnu svetlost. Ako neki zraci padnu u oko posmatrača, tada će se moći sa sigurnošću reći da nisu bili u upadnoj svjetlosti, već su rođeni u ispitivanoj tvari.

Kolumbo

Zaista, u raspršenoj svjetlosti, Raman i Krishnan su otkrili zrake koje prolaze kroz drugi filter. Snimili su dodatne frekvencije. Ovo bi u osnovi moglo biti optički efekat Compton. Odnosno, kada se rasprši po molekulima supstance koja se nalazi u posudama, plavo-ljubičasta svjetlost može promijeniti boju i postati žuto-zelena. Ali ovo je još trebalo dokazati. Mogu postojati i drugi razlozi koji uzrokuju pojavu žuto-zelenog svjetla. Na primjer, može se pojaviti kao rezultat luminiscencije - slabog sjaja koji se često pojavljuje u tekućinama i čvrstim tvarima pod utjecajem svjetlosti, topline i drugih uzroka. Očigledno, postojala je jedna stvar - ova svjetlost je ponovo rođena, nije bila sadržana u svjetlosti koja pada.

Naučnici su ponovili eksperiment sa šest različitih tečnosti i dve vrste para. Bili su uvjereni da ni luminiscencija ni drugi razlozi ovdje ne igraju ulogu.

Činjenica da se talasna dužina vidljive svjetlosti povećava kada se rasprši u materiji činilo se utvrđenom Ramanu i Krishnanu. Činilo se da je njihova potraga okrunjena uspjehom. Otkrili su optički analog Comptonovog efekta.

Ali da bi eksperimenti imali gotovu formu, a zaključci bili dovoljno uvjerljivi, bilo je potrebno uraditi još jedan dio posla. Nije bilo dovoljno da se otkrije promena talasne dužine. Bilo je neophodno izmjeriti veličinu ove promjene. Prvi korak pomogao je svjetlosni filter. Bio je nemoćan da uradi drugu. Ovdje je naučnicima bio potreban spektroskop - uređaj koji im omogućava mjerenje talasne dužine svjetlosti koja se proučava.

I istraživači su započeli drugi dio, ništa manje složen i mukotrpan. Ali ona je također zadovoljila njihova očekivanja. Rezultati su ponovo potvrdili zaključke prvog dijela rada. Međutim, ispostavilo se da je talasna dužina neočekivano velika. Mnogo više od očekivanog. Ovo nije smetalo istraživačima.

Kako se ovdje ne sjetiti Kolumba? Tražio je da pronađe morski put u Indiju i, nakon što je vidio zemlju, nije sumnjao da je postigao svoj cilj. Da li je imao razloga sumnjati u svoje samopouzdanje pri pogledu na crvene stanovnike i nepoznatu prirodu Novog svijeta?

Nije li istina da su Raman i Krishnan, u potrazi za otkrivanjem Comptonovog efekta u vidljivoj svjetlosti, mislili da su ga pronašli ispitivanjem svjetlosti koja prolazi kroz njihove tekućine i plinove?! Da li su sumnjali kada su merenja pokazala neočekivano veću promenu talasne dužine raspršenih zraka? Kakav su zaključak izvukli iz svog otkrića?

Prema indijskim naučnicima, pronašli su ono što su tražili. 23. marta 1928. telegram sa člankom pod naslovom “Optička analogija Komptonovog efekta” doleteo je u London. Naučnici su napisali: “Dakle, optička analogija Comptonovog efekta je očigledna, osim što imamo posla sa promjenom talasne dužine koja je mnogo veća...” Napomena: “mnogo veća...”

Ples atoma

Rad Ramana i Krišnana naišao je na aplauz među naučnicima. Svi su se s pravom divili njihovoj eksperimentalnoj umjetnosti. Za ovo otkriće Raman je 1930. godine dobio Nobelovu nagradu.

Uz pismo indijskih naučnika bila je priložena fotografija spektra, na kojoj su linije koje prikazuju frekvenciju upadne svjetlosti i svjetlost raspršena na molekulima supstance zauzele svoja mjesta. Ova fotografija je, prema Ramanu i Krišnanu, ilustrovala njihovo otkriće jasnije nego ikad.

Kada su Mandelstam i Landsberg pogledali ovu fotografiju, vidjeli su gotovo tačnu kopiju fotografije koju su dobili! Ali, nakon što su se upoznali s njenim objašnjenjem, odmah su shvatili da su Raman i Krishnan pogriješili.

Ne, indijski naučnici nisu otkrili Comptonov efekat, već potpuno drugačiji fenomen, isti onaj koji su sovjetski naučnici proučavali dugi niz godina...

Dok je uzbuđenje izazvano otkrićem indijskih naučnika raslo, Mandelstam i Landsberg su završavali kontrolne eksperimente i sumirali konačne odlučujuće rezultate.

I tako su 6. maja 1928. poslali članak u štampu. Uz članak je priložena fotografija spektra.

Istraživači su dali kratak pregled istorije problema detaljno tumačenje fenomen koji su otkrili.

Dakle, koji je to fenomen zbog kojeg su mnogi naučnici pate i razbijaju mozak?

Mandelštamova duboka intuicija i bistar analitički um odmah su rekli naučniku da otkrivene promene u frekvenciji raspršene svetlosti ne mogu biti uzrokovane onim međumolekularnim silama koje izjednačavaju nasumična ponavljanja gustine vazduha. Naučniku je postalo jasno da razlog nesumnjivo leži u samim molekulima supstance, da je taj fenomen uzrokovan unutarmolekularnim vibracijama atoma koji formiraju molekul.

Takve oscilacije se javljaju s mnogo većom frekvencijom od onih koje prate formiranje i resorpciju slučajnih nehomogenosti u mediju. Upravo te vibracije atoma u molekulima utiču na raspršenu svjetlost. Čini se da ga atomi obilježavaju, ostavljaju svoje tragove na njemu i šifriraju ga dodatnim frekvencijama.

Bila je to divna pretpostavka, odvažna invazija ljudske misli izvan kordona male tvrđave prirode - molekula. I ovo izviđanje je donijelo vrijedne podatke o njegovoj unutrašnjoj strukturi.

Ruku pod ruku

Dakle, dok smo pokušavali otkriti malu promjenu frekvencije raspršene svjetlosti uzrokovanu intermolekularnim silama, otkrivena je veća promjena frekvencije uzrokovana unutarmolekularnim silama.

Dakle, da bi se objasnio novi fenomen, koji je nazvan „Ramanovo rasipanje svjetlosti“, bilo je dovoljno dopuniti teoriju molekularnog raspršenja koju je stvorio Mandelstam podacima o utjecaju vibracija atoma unutar molekula. Novi fenomen otkriven je kao rezultat razvoja Mandelštamove ideje, koju je on formulirao još 1918. godine.

Da, ne bez razloga, kako je rekao akademik S.I. Vavilov, „Priroda je Leonidu Isaakoviču dala potpuno neobičan, pronicljiv, suptilan um, koji je odmah uočio i shvatio ono glavno pored čega je većina prolazila ravnodušno. Tako je shvaćena fluktuaciona suština rasejanja svetlosti i tako se pojavila ideja o promeni spektra pri rasejanju svetlosti, koja je postala osnova za otkriće Ramanovog rasejanja.”

Nakon toga, iz ovog otkrića su izvučene ogromne koristi i ono je dobilo vrijednu praktičnu primjenu.

U trenutku svog otkrića, činilo se da je to samo najvredniji doprinos nauci.

Šta je sa Ramanom i Krišnanom? Kako su reagovali na otkriće sovjetskih naučnika, a i na svoja? Da li su shvatili šta su otkrili?

Odgovor na ova pitanja sadržan je u sljedećem pismu Ramana i Krishnana, koje su poslali novinarima 9 dana nakon objavljivanja članka sovjetskih naučnika. Da, shvatili su da fenomen koji su primijetili nije Comptonov efekat. Ovo je Ramanovo rasipanje svjetlosti.

Nakon objavljivanja pisama Ramana i Krišnana i članaka Mandelstama i Landsberga, naučnicima širom svijeta postalo je jasno da je isti fenomen nezavisno i gotovo istovremeno napravljen i proučavan u Moskvi i Kalkuti. Ali moskovski fizičari su ga proučavali u kristalima kvarca, a indijski fizičari proučavali su ga u tečnostima i gasovima.

I ovaj paralelizam, naravno, nije bio slučajan. Ona govori o aktuelnosti problema i njegovom velikom naučnom značaju. Nije iznenađujuće da su rezultate bliske zaključcima Mandelštama i Ramana krajem aprila 1928. godine nezavisno dobili i francuski naučnici Rocard i Kaban. Nakon nekog vremena, naučnici su se prisjetili da je davne 1923. češki fizičar Smekal teoretski predvidio isti fenomen. Nakon rada Smekala, pojavila su se teorijska istraživanja Kramersa, Heisenberga i Schrödingera.

Očigledno jedini nedostatak naučne informacije može se objasniti činjenicom da su naučnici iz mnogih zemalja radili na rješavanju istog problema, a da to nisu ni znali.

Trideset sedam godina kasnije

Ramanovo istraživanje nije samo otvorilo novo poglavlje u nauci o svjetlosti. Istovremeno su dali moćno oružje tehnologije. Industrija ima odličan način za proučavanje svojstava materije.

Na kraju krajeva, frekvencije Ramanovog raspršivanja svjetlosti su otisci koji su na svjetlost postavljeni preko molekula medija koji raspršuje svjetlost. I ti otisci nisu isti u različitim supstancama. To je ono što je akademiku Mandelštamu dalo za pravo da ramansko rasipanje svjetlosti nazove „jezikom molekula“. Onima koji mogu pročitati tragove molekula na zracima svjetlosti i odrediti sastav raspršene svjetlosti, molekuli će, koristeći ovaj jezik, ispričati o tajnama njihove strukture.

Na negativu fotografije Ramanovog spektra nema ničega osim linija različite crne boje. Ali na osnovu ove fotografije stručnjak će izračunati frekvencije intramolekularnih vibracija koje su se pojavile u raspršenoj svjetlosti nakon što je prošla kroz supstancu. Fotografija će vam reći o mnogim dosad nepoznatim aspektima unutrašnjeg života molekula: o njihovoj strukturi, o silama koje vezuju atome u molekule, o relativnom kretanju atoma. Naučivši da dešifruju Ramanove spektrograme, fizičari su naučili da razumeju neobičan "jezik svetlosti" kojim molekuli govore o sebi. Tako je novo otkriće omogućilo da se prodre dublje u unutrašnju strukturu molekula.

Danas fizičari koriste Ramanovo raspršivanje za proučavanje strukture tekućina, kristala i staklastih supstanci. Hemičari koriste ovu metodu za određivanje strukture različitih jedinjenja.

Metode za proučavanje materije koristeći fenomen Ramanovog raspršenja svjetlosti razvili su zaposleni u laboratoriji P.N. Physical Institute. Lebedeva Akademije nauka SSSR-a, koju je vodio akademik Landsberg.

Ove metode omogućavaju da se u fabričkom laboratoriju brzo i precizno izvrše kvantitativne i kvalitativne analize avionskog benzina, proizvoda krekinga, naftnih derivata i mnogih drugih složenih organskih tečnosti. Da biste to učinili, dovoljno je osvijetliti tvar koja se proučava i pomoću spektrografa odrediti sastav svjetlosti koja se raspršuje. Čini se vrlo jednostavno. Ali prije nego što se pokazalo da je ova metoda zaista praktična i brza, naučnici su morali mnogo raditi na stvaranju precizne, osjetljive opreme. I zato.

Od ukupne količine svjetlosne energije koja ulazi u tvar koja se proučava, samo neznatan dio - otprilike jedan desetmilijardini dio - čini udio raspršene svjetlosti. A ramansko rasipanje rijetko čini čak dva ili tri posto ove vrijednosti. Očigledno, zbog toga je samo ramansko rasipanje dugo ostalo neprimjećeno. Nije iznenađujuće da su za dobijanje prvih Ramanovih fotografija bile potrebne ekspozicije u trajanju od desetina sati.

Savremena oprema stvorena u našoj zemlji omogućava dobijanje kombinovanog spektra čistih supstanci u roku od nekoliko minuta, a ponekad i sekundi! Čak i za analizu složenih smjesa, u kojima su pojedinačne tvari prisutne u količinama od nekoliko posto, obično je dovoljno vrijeme izlaganja ne duže od jednog sata.

Prošlo je trideset sedam godina otkako su Mandelstam i Landsberg, Raman i Krishnan otkrili, dešifrovali i razumjeli jezik molekula zabilježenih na fotografskim pločama. Od tada se širom svijeta radi naporan rad na sastavljanju “rječnika” jezika molekula, koji optičari nazivaju katalogom Ramanovih frekvencija. Kada se takav katalog sastavi, dekodiranje spektrograma će biti znatno olakšano i Ramanovo rasipanje će postati još potpunije u službi nauke i industrije.

Aktuelnost moje teme je u tome što će slušaocima biti zanimljiva i korisna jer mnogi gledaju u vedro plavo nebo i dive mu se, a malo ko zna zašto je tako plavo, šta mu daje takvu boju.

Skinuti:

Pregled:

1. Uvod. With. 3
2. Glavni dio. With. 4 -6

1. Nagađanja mojih drugova iz razreda

1. Pretpostavke antičkih naučnika
2. Moderna tačka gledišta
3. Različite boje neba
4. Zaključak.

1. Zaključak. With. 7
2. Književnost. With. 8

1. Uvod.

Volim kada je vreme vedro, sunčano, nebo je bez ijednog oblaka, a boja neba je plava. „Pitam se“, pomislio sam, „zašto je nebo plavo?“

Tema istraživanja:Zašto je nebo plavo?

Svrha studije:saznati zašto je nebo plavo?

Ciljevi istraživanja:

Saznajte pretpostavke drevnih naučnika.

Saznajte moderno naučno gledište.

Posmatrajte boju neba.

Predmet proučavanja- naučnopopularna literatura.

Predmet studija- plava boja neba.

Istraživačke hipoteze:

Recimo da su oblaci napravljeni od vodene pare i da je voda plava;

Ili sunce ima zrake koje boje nebo u ovu boju.

Plan studija:

1. Pogledajte enciklopedije;
2. Pronađite informacije na Internetu;
3. Prisjetite se proučavanih tema o svijetu oko vas;
4. Pitaj mamu;
5. Saznajte mišljenja drugova iz razreda.

Aktuelnost moje teme je u tome što će slušaocima biti zanimljiva i korisna jer mnogi gledaju u vedro plavo nebo i dive mu se, a malo ko zna zašto je tako plavo, šta mu daje takvu boju.

2. Glavni dio.

Nagađanja mojih drugova iz razreda.

Pitao sam se šta bi moji drugovi iz razreda odgovorili na pitanje: zašto je nebo plavo? Možda će se nečije mišljenje poklopiti sa mojim, ili će možda biti potpuno drugačije.

Anketirano je 24 učenika 3. razreda naše škole. Analiza odgovora je pokazala:

8 učenika sugerisalo je da je nebo plavo zbog vode koja isparava sa Zemlje;

4 učenika je odgovorilo da plava boja smiruje;

4 učenika misle da na boju neba utiču atmosfera i sunce;

3 učenika smatraju da je prostor mračan, a atmosfera bijela, što rezultira plavom bojom.

2 učenika vjeruju da se sunčeva zraka lomi u atmosferi i da nastaje plava boja.

2 učenika su predložila ovu opciju - plava boja neba - jer je hladno.

1 učenik - ovako funkcioniše priroda.

Zanimljivo je da se jedna od mojih hipoteza poklapa sa najčešćim mišljenjem momaka - oblaci se sastoje od vodene pare, a voda je plava.

Pretpostavke antičkih naučnika.

Kada sam počeo da tražim odgovor na svoje pitanje u literaturi, saznao sam da mnogi naučnici muče mozak u potrazi za odgovorom. Izneseno je mnogo hipoteza i pretpostavki.

Na primjer, starogrčki, kada ga pitaju - zašto je nebo plavo? - Odmah bih bez oklevanja odgovorio: "Nebo je plavo jer je napravljeno od najčistijeg gorskog kristala!" Nebo je nekoliko kristalnih sfera, ubačenih jedna u drugu sa neverovatnom preciznošću. A u sredini je Zemlja, sa morima, gradovima, hramovima, planinskim vrhovima, šumskim putevima, tavernama i tvrđavama.

To je bila teorija starih Grka, ali zašto su tako mislili? Nebo se nije moglo dotaknuti, moglo se samo gledati u njega. Gledajte i razmišljajte. I dajte razna nagađanja. U naše vrijeme takva nagađanja bi se zvala "naučna teorija", ali u doba starih Grka zvala su se nagađanja. I tako, nakon dugih promatranja i još dužih razmišljanja, stari Grci su odlučili da je to jednostavno i lijepo objašnjenje za tako čudnu pojavu kao što je plava boja neba.

Odlučio sam provjeriti zašto su tako razmišljali. Ako stavimo komad običnog stakla, vidjet ćemo da je prozirno. Ali ako složite cijelu hrpu takvih čaša i pokušate pogledati kroz njih, vidjet ćete plavičastu nijansu.

Ovo jednostavno objašnjenje boje neba trajalo je hiljadu i po godina.

Leonardo da Vinci je sugerisao da je nebo obojeno ovom bojom jer „...svetlo nad tamom postaje plavo...”.

Istog su mišljenja imali i neki drugi naučnici, ali je ipak kasnije postalo jasno da je ova hipoteza u osnovi pogrešna, jer ako pomiješate crno s bijelom, malo je vjerovatno da ćete dobiti plavu, jer kombinacija ovih boja daje samo sivu i njene nijanse.

Nešto kasnije, u 18. veku, verovalo se da boju nebu daju komponente vazduha. Prema ovoj teoriji, vjerovalo se da zrak sadrži mnogo nečistoća, jer bi čisti zrak bio crn. Nakon ove teorije, bilo je još mnogo pretpostavki i nagađanja, ali nijedna se nije mogla opravdati.

Moderna tačka gledišta.

Okrenuo sam se mišljenju savremenih naučnika. Savremeni naučnici su pronašli odgovor i dokazali zašto je nebo plavo.

Nebo je samo vazduh, onaj običan vazduh koji udišemo svake sekunde, koji se ne može videti ni dodirnuti, jer je providan i bestežinski. Ali mi udišemo prozirni vazduh, zašto postaje tako plava boja iznad naših glava?

Ispostavilo se da je cijela tajna u našoj atmosferi.

Sunčeve zrake moraju proći kroz ogroman sloj zraka prije nego što udare o tlo.

Sunčev zrak je bijel. A bijela boja je mješavina obojenih zraka. Poput male rime koja olakšava pamćenje duginih boja:

1. svaki (crveni)
2. lovac (narandžasta)
3. želje (žuta)
4. znati (zeleno)
5. gdje (plavo)
6. sjedi (plavo)
7. fazan (ljubičasta)

Zraka sunca, sudarajući se s česticama zraka, raspada se na zrake od sedam boja.

Crveni i narandžasti zraci su najduži i prolaze od sunca direktno u naše oči. A plavi zraci su najkraći, odbijaju se od čestica zraka u svim smjerovima i manje dopiru do tla od svih ostalih. Tako je nebo prožeto plavim zracima.

Različite boje neba.

Nebo nije uvijek plavo. Na primjer, noću, kada sunce ne šalje zrake, vidimo nebo ne plavo, atmosfera izgleda prozirna. A kroz prozirni vazduh čovek može da vidi planete i zvezde. A tokom dana, plava boja ponovo skriva kosmička tela od naših očiju.

Boja neba je crvena - na zalasku sunca, u oblačno vrijeme bijela ili siva.

Zaključci.

Dakle, nakon provedenog istraživanja mogu izvući sljedeće zaključke:

1. cela tajna je u boji neba u našoj atmosferi- u vazdušnoj ljusci planete Zemlje.
2. Zraka sunca koja prolazi kroz atmosferu raspada se na zrake od sedam boja.
3. Crveni i narandžasti zraci su najduži, a plavi najkraći..
4. Plavi zraci manje dopiru do Zemlje od drugih, a zahvaljujući tim zracima nebo je prožeto plavetnilom.
5. Nebo nije uvijek plavo.

Glavna stvar je da sada znam zašto je nebo plavo. Moja druga hipoteza je djelimično potvrđena; sunce ima zrake koje nebo boje u ovu boju. Pokazalo se da su nagađanja moja dva druga iz razreda najbliža tačnom odgovoru.

Jednostavno objašnjenje

Šta je raj?

Nebo je beskonačno. Za bilo koju naciju nebo je simbol čistoće, jer se vjeruje da tamo živi sam Bog. Ljudi, okrećući se prema nebu, traže kišu, ili obrnuto za sunce. Odnosno, nebo nije samo vazduh, nebo je simbol čistoće i nevinosti.

nebo - to je samo vazduh, taj običan vazduh koji udišemo svake sekunde, koji se ne može videti ni dodirnuti, jer je providan i bestežinski. Ali mi udišemo prozirni vazduh, zašto postaje tako plava boja iznad naših glava? Zrak sadrži nekoliko elemenata: dušik, kisik, ugljični dioksid, vodenu paru i razne čestice prašine koje su stalno u pokretu.

Sa stanovišta fizike

U praksi, kako kažu fizičari, nebo je samo vazduh obojen sunčevim zracima. Pojednostavljeno rečeno, sunce sija na Zemlju, ali za to sunčevi zraci moraju proći kroz ogroman sloj vazduha koji bukvalno obavija Zemlju. I baš kao što sunčeva zraka ima mnogo boja, odnosno sedam duginih boja. Za one koji ne znaju, vrijedi podsjetiti da su sedam duginih boja crvena, narandžasta, žuta, zelena, plava, indigo, ljubičasta.

Štaviše, svaka zraka ima sve ove boje i kada prođe kroz ovaj sloj zraka, raspršuje razne dugine boje u svim smjerovima, ali dolazi do najjačeg raspršivanja plave boje, zbog čega nebo dobiva plavu boju. Da ga ukratko opišem, plavo nebo je prskanje koje proizvodi snop obojen u ovu boju.

I na mjesecu

Nema atmosfere i stoga nebo na Mesecu nije plavo, već crno. Astronauti koji idu u orbitu vide crno, crno nebo na kojem svjetlucaju planete i zvijezde. Naravno, nebo na Mesecu izgleda veoma lepo, ali ipak ne biste želeli da vidite stalno crno nebo iznad glave.

Nebo mijenja boju

Nebo nije uvijek plavo; ima tendenciju da promijeni boju. Verovatno su svi primetili da je nekad beličasto, nekad plavo-crno... Zašto? Na primjer, noću, kada sunce ne šalje svoje zrake, vidimo nebo ne plavo, atmosfera nam se čini prozirnom. A kroz prozirni vazduh čovek može da vidi planete i zvezde. A tokom dana, plava boja će ponovo pouzdano sakriti tajanstveni prostor od znatiželjnih očiju.

Razne hipoteze Zašto je nebo plavo? (hipoteze Getea, Njutna, naučnika iz 18. veka, Rejlija)

Koje hipoteze nisu iznesene drugačije vrijeme objasniti boju neba. Posmatrajući kako dim na pozadini tamnog kamina poprima plavičastu boju, Leonardo da Vinci je napisao: "...svjetlo nad tamom postaje plavo, što je ljepše, to su svjetlost i tama izvrsniji." On se pridržavao otprilike ista tačka gledišta Goethe, što nije bilo samo širom svijeta poznati pesnik, ali i najveći prirodnjak svog vremena. Međutim, ovo objašnjenje boje neba pokazalo se neodrživim, jer, kako je kasnije postalo jasno, miješanjem crnog i bijelog mogu se dobiti samo sive tonove, a ne i obojeni. Plava boja dim iz kamina nastaje potpuno drugačijim procesom.

Nakon otkrića smetnji, posebno u tankim filmovima, Newton pokušao da primeni interferenciju da objasni boju neba. Da bi to učinio, morao je pretpostaviti da kapljice vode imaju oblik mjehurića tankih stijenki, poput mjehurića od sapuna. Ali pošto su kapljice vode sadržane u atmosferi zapravo sfere, ova hipoteza ubrzo je „pukla“ poput mjehurića od sapunice.

Naučnici 18. veka Marriott, Bouguer, Euler mislio da je plava boja neba objašnjena njegovom sopstvenom bojom komponente zrak. Ovo objašnjenje je čak dobilo izvesnu potvrdu kasnije, već u 19. veku, kada je ustanovljeno da je tečni kiseonik plav, a tečni ozon plav. O.B. je bio najbliži tačnom objašnjenju boje neba. Saussure. Vjerovao je da bi, kada bi zrak bio apsolutno čist, nebo bilo crno, ali zrak sadrži nečistoće koje odražavaju pretežno plavu boju (posebno vodenu paru i vodene kapljice). Do druge polovine 19. vijeka. Nagomilao se bogat eksperimentalni materijal o raspršenju svjetlosti u tekućinama i plinovima; posebno je otkrivena jedna od karakteristika raspršene svjetlosti koja dolazi s neba - njena polarizacija. Arago ga je prvi otkrio i istražio. To je bilo 1809. Kasnije su Babinet, Brewster i drugi naučnici proučavali polarizaciju nebeskog svoda. Pitanje boje neba toliko je privuklo pažnju naučnika da su eksperimenti na rasejanju svetlosti u tečnostima i gasovima, koji su imali mnogo širi značaj, izvedeni iz ugla gledanja „laboratorijske reprodukcije plava boja neba." Naslovi radova ukazuju na to: "Modeliranje plave boje neba" Brücke ili "O plavoj boji neba, polarizacija svjetlosti oblačnom materijom općenito" od Tyndalla. Uspjesi od ovih eksperimenata usmerili su misli naučnika na pravi put – da potraže uzrok plave boje neba u raspršenosti sunčevih zraka u atmosferi.

Prvi koji je stvorio harmoničnu, rigoroznu matematičku teoriju molekularnog raspršivanja svjetlosti u atmosferi bio je engleski naučnik Rayleigh. Vjerovao je da se raspršivanje svjetlosti ne događa na nečistoćama, kako su mislili njegovi prethodnici, već na samim molekulima zraka. Rayleighov prvi rad o rasejanju svetlosti objavljen je 1871. U svom konačnom obliku, njegova teorija rasejanja, zasnovana na elektromagnetnoj prirodi svetlosti ustanovljenoj do tada, izneta je u delu „O svetlosti sa neba, njenoj polarizaciji i boji ,” objavljen 1899. Za rad na polju Rayleighovog raspršivanja svjetlosti (njegova puno ime John William Strett, Lord Rayleigh III) često se naziva Rayleigh Rayleigher, za razliku od njegovog sina, Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV je nazvan Atmospheric Rayleigh zbog njegovog velikog doprinosa razvoju atmosferske fizike. Da bismo objasnili boju neba, iznijet ćemo samo jedan od zaključaka Rayleighove teorije; na druge ćemo se pozvati nekoliko puta u objašnjavanju različitih optičkih fenomena. Ovaj zaključak navodi da sjaj, ili intenzitet, raspršene svjetlosti varira obrnuto s četvrtom potencijom valne dužine svjetlosti koja pada na raspršenu česticu. Stoga je molekularno raspršenje izuzetno osjetljivo na najmanju promjenu talasne dužine svjetlosti. Na primjer, talasna dužina ljubičastih zraka (0,4 μm) je približno polovina talasne dužine crvenih zraka (0,8 μm). Stoga će se ljubičasti zraci raspršiti 16 puta jače od crvenih, a uz jednaki intenzitet upadnih zraka biće ih 16 puta više u raspršenoj svjetlosti. Sve ostale obojene zrake vidljivog spektra (plave, cijan, zelene, žute, narandžaste) bit će uključene u raspršenu svjetlost u količinama obrnuto proporcionalnim četvrtom stepenu valne dužine svake od njih. Ako se sada sve obojene raspršene zrake pomiješaju u ovom omjeru, tada će boja mješavine raspršenih zraka biti plava.

Direktna sunčeva svjetlost (tj. svjetlost koja izlazi direktno iz solarnog diska), gubeći uglavnom plave i ljubičaste zrake zbog raspršivanja, dobiva slabu žućkastu nijansu, koja se pojačava kako se Sunce spušta prema horizontu. Sada zraci moraju putovati sve dužom putanjom kroz atmosferu. Na dugoj putanji sve je uočljiviji gubitak kratkotalasnih, odnosno ljubičastih, plavih, cijan zraka, a na direktnom svjetlu Sunca ili Mjeseca, pretežno dugovalnih zraka - crvene, narandžaste, žute - stignu do površine Zemlje. Dakle, boja Sunca i Mjeseca prvo postaje žuta, a zatim narandžasta i crvena. Crvena boja Sunca i plava boja neba dvije su posljedice istog procesa raspršivanja. U direktnoj svjetlosti, nakon što prođe kroz atmosferu, ostaju pretežno dugotalasni zraci (crveno Sunce), dok difuzna svjetlost sadrži kratkotalasne zrake (plavo nebo). Dakle, Rayleighova teorija je vrlo jasno i uvjerljivo objasnila misteriju plavo nebo i crveno sunce.

termalno molekularno rasejanje neba