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Warum ist der Himmel blau? Verrückte Ideen

Die Farbe des Himmels ist bei verschiedenen Wetterbedingungen unterschiedlich und wechselt von weißlich zu intensiv blau. Die Theorie, die die Farbe des Himmels erklärt, wurde von Rayleigh entwickelt.

Nach dieser Theorie erklärt sich die Farbe des Himmels dadurch, dass die Sonnenstrahlen, die immer wieder von Luftmolekülen und kleinsten Staubpartikeln reflektiert werden, in der Atmosphäre gestreut werden. Lichtwellen unterschiedlicher Länge werden von Molekülen unterschiedlich gestreut: Luftmoleküle streuen überwiegend den kurzwelligen Teil des sichtbaren Sonnenspektrums, d.h. blaue, blaue und violette Strahlen, und da die Intensität des violetten Teils des Spektrums im Vergleich zu den blauen und blauen Teilen gering ist, erscheint der Himmel blau oder blau.

Die beträchtliche Helligkeit des Firmaments ist darauf zurückzuführen, dass die Erdatmosphäre eine beträchtliche Dicke aufweist und Licht von einer großen Anzahl von Molekülen gestreut wird.

In großen Höhen zum Beispiel beim Beobachten mit Raumschiffe verbleiben über dem Kopf des Beobachters verdünnte Schichten der Atmosphäre mit einer geringeren Anzahl von Molekülen, die das Licht streuen, und folglich nimmt die Helligkeit des Firmaments ab. Der Himmel erscheint dunkler, seine Farbe ändert sich mit zunehmender Höhe. Der Himmel erscheint dunkler, seine Farbe ändert sich mit zunehmender Höhe von Dunkelblau zu Dunkelviolett. Offensichtlich erscheint der Himmel in noch größeren Höhen und außerhalb der Atmosphäre für den Beobachter schwarz.

Wenn die Luft viele relativ große Partikel enthält, dann streuen diese Partikel auch längere Lichtwellen. In diesem Fall erhält der Himmel eine weißliche Farbe. Die großen Wassertropfen oder Wasserkristalle, aus denen die Wolken bestehen, streuen alle Spektralfarben ungefähr gleichmäßig, und der bewölkte Himmel hat daher eine blassgraue Farbe.

Dies wird durch die Beobachtungen bestätigt, bei denen die meteorologischen Bedingungen und die entsprechende Farbe des Himmels über der Stadt Nowokusnezk notiert wurden.

Die charakteristischen Schattierungen in der Farbe des Himmels vom 28. bis 29. November sind auf das Vorhandensein von Industrieemissionen zurückzuführen, die sich bei sinkender Temperatur und fehlendem Wind in der Luft konzentrieren.

Die Farbe des Himmels wird auch von der Natur und Farbe beeinflusst Erdoberfläche, sowie die Dichte der Atmosphäre.

Das Exponentialgesetz der Abnahme der Dichte der Atmosphäre mit der Höhe.

Die barometrische Formel beschreibt die Abnahme der Dichte der Atmosphäre mit zunehmender Höhe allgemein gesagt; es berücksichtigt nicht Wind, Konvektionsströmungen, Temperaturänderungen. Außerdem sollte die Höhe nicht zu groß sein, um die Abhängigkeit der Beschleunigung g von der Höhe vernachlässigen zu können.

Die barometrische Formel ist mit dem Namen des österreichischen Physikers Ludwig Boltzmann verbunden. Aber die ersten Hinweise auf die exponentielle Natur der Abnahme der Luftdichte mit der Höhe waren tatsächlich in Newtons Forschung über die Lichtbrechung in der Atmosphäre enthalten und wurden bei der Zusammenstellung einer aktualisierten Brechungstabelle verwendet.

Die angegebenen Grafiken zeigen, wie beim Studium der astronomischen Brechung Vorstellungen über die allgemeine Natur der Änderung des Brechungsindex der Atmosphäre mit der Höhe verfeinert wurden.

entspricht Keplers Theorie
Original Newtonsche Brechungstheorie
verfeinerte Newtonsche und moderne Theorie der Lichtbrechung in der Atmosphäre

Lichtbrechung in der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist ein optisch inhomogenes Medium, daher ist die Flugbahn eines Lichtstrahls in der Atmosphäre immer etwas krummlinig. Die Ablenkung von Lichtstrahlen beim Durchgang durch die Atmosphäre wird als Lichtbrechung in der Atmosphäre bezeichnet.

Es wird zwischen astronomischer und terrestrischer Refraktion unterschieden. Im ersten Fall wird die Krümmung von Lichtstrahlen betrachtet, die von Himmelskörpern zum irdischen Beobachter gelangen. Im zweiten Fall wird die Krümmung von Lichtstrahlen betrachtet, die von irdischen Objekten zum Beobachter kommen. In beiden Fällen kann der Betrachter aufgrund der Krümmung der Lichtstrahlen das Objekt in der falschen Richtung sehen, was der Realität entspricht; das Objekt kann verzerrt erscheinen. Es ist möglich, ein Objekt zu beobachten, selbst wenn es sich tatsächlich unterhalb der Horizontlinie befindet. So kann die Lichtbrechung in der Erdatmosphäre zu eigentümlichen optischen Täuschungen führen.

Nehmen wir an, die Atmosphäre besteht aus einer Reihe optisch einheitlicher horizontaler Schichten gleicher Dicke; der Brechungsindex springt von einer Schicht zur anderen und nimmt in der Richtung von den oberen Schichten zu den unteren allmählich zu. Eine solche rein spekulative Situation wird gezeigt.

In Wirklichkeit ändert sich die Dichte der Atmosphäre und damit ihr Brechungsindex mit der Höhe nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. Daher ist die Flugbahn des Lichtstrahls keine unterbrochene Linie, sondern eine gekrümmte Linie.

Angenommen, der in der Abbildung gezeigte Strahl geht von einem Himmelsobjekt zum Beobachter. Gäbe es keine Lichtbrechung in der Atmosphäre, dann wäre dieses Objekt für den Beobachter unter einem Winkel ά sichtbar. Aufgrund der Brechung sieht der Beobachter das Objekt nicht unter einem Winkel ά, sondern unter einem Winkel φ. Seit φ ά scheint das Objekt höher über dem Horizont zu sein, als es wirklich ist. Mit anderen Worten, die beobachtete Zenitentfernung des Objekts ist geringer als die tatsächliche Zenitentfernung. Die Differenz Ώ = ά - φ heißt Brechungswinkel.

Nach modernen Daten beträgt der maximale Brechungswinkel 35 ".

Wenn ein Beobachter den Sonnenuntergang beobachtet und sieht, wie der untere Rand des Sterns in Wirklichkeit den Horizont berührt dieser Moment dieser Rand liegt bereits 35" unter der Horizontlinie. Interessant ist, dass der obere Rand der Sonnenscheibe durch die Brechung schwächer angehoben wird - nur 29" . Daher scheint die untergehende Sonne vertikal leicht abgeflacht zu sein.

Erstaunliche Sonnenuntergänge

Bei der Lichtbrechung sind neben der systematischen Veränderung der Luftdichte mit der Höhe noch eine Reihe weiterer Faktoren zu berücksichtigen, von denen viele recht zufällig sind. Wir sprechen über den Einfluss von Konvektionsströmungen und Wind auf den Brechungsindex der Luft, Lufttemperatur an verschiedenen Punkten in der Atmosphäre über verschiedene Teile der Erdoberfläche.

Merkmale des Zustands der Atmosphäre und vor allem die Merkmale der Erwärmung der Atmosphäre in ihren unteren Schichten über verschiedene Teile der Erdoberfläche führen zu der Besonderheit der beobachteten Sonnenuntergänge.

Sackgasse. Manchmal scheint die Sonne nicht über dem Horizont unterzugehen, sondern über einer unsichtbaren Linie über dem Horizont. Dieses Phänomen wird ohne Bewölkung am Horizont beobachtet. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt auf die Spitze des Hügels steigen, können Sie ein noch seltsameres Bild beobachten: Jetzt geht die Sonne hinter der Horizontlinie unter, aber gleichzeitig stellt sich heraus, dass die Sonnenscheibe wie von einer Horizontalen geschnitten ist „blinder Streifen“, dessen Position in Bezug auf die Horizontlinie unverändert bleibt. Diese ungewöhnlichen Sonnenuntergänge sind laut Augenzeugen in verschiedenen geografischen Gebieten zu sehen, beispielsweise im Dorf Bolshoy Kamen im Primorsky-Territorium und in der Stadt Sotschi im Krasnodar-Territorium.

Ein solches Bild wird beobachtet, wenn sich herausstellt, dass die Luft in der Nähe der Erde selbst kalt ist und sich darüber eine Schicht relativ warmer Luft befindet. In diesem Fall ändert sich der Brechungsindex von Luft mit der Höhe ungefähr wie in der Grafik gezeigt; Der Übergang von der unteren kalten Luftschicht zur darüber liegenden warmen Luftschicht kann zu einem ziemlich starken Abfall des Brechungsindex führen. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass dieser Abfall schlagartig erfolgt und es daher eine klar definierte Grenzfläche zwischen kalter und warmer Schicht gibt, die sich in einer bestimmten Höhe h1 über der Erdoberfläche befindet. In der Figur bezeichnet nx den Brechungsindex von Luft in der kalten Schicht und nt bezeichnet den Brechungsindex von Luft in der warmen Schicht nahe der Grenze zur kalten.

Der Brechungsindex von Luft unterscheidet sich nur sehr wenig von Eins, daher werden zur besseren Übersicht entlang der vertikalen Achse in dieser Abbildung nicht die Werte des Brechungsindex selbst, sondern sein Überschuss über Eins, d. H. Differenz n-1.

Aus dem in Abb. 4b) dargestellten Bild der Brechungsindexänderung wurde der Strahlengang in Abb. 5 konstruiert, der einen Teil der Kugeloberfläche und die daran angrenzende Kaltluftschicht mit Dicke zeigt ho.

Wenn φ ausgehend von Null allmählich vergrößert wird, wird auch der Winkel α2 größer. Nehmen wir an, dass bei einem bestimmten Wert φ = φ´ der Winkel α2 gleich dem Grenzwinkel αο wird, der der Totalreflexion an der Grenze der kalten und warmen Schicht entspricht; in diesem Fall ist sin α1 = 1. Der Winkel αο entspricht dem Strahl BA in Fig. 5; sie bildet mit der Horizontalen einen Winkel β = 90˚ - φ´. Der Beobachter wird keine Strahlen empfangen, die an Punkten in die kalte Schicht eintreten, deren Winkelhöhe über dem Horizont kleiner ist als die Winkelhöhe von Punkt B, d.h. kleiner als der Winkel β. Damit ist der blinde Streifen erklärt.

Grüner Strahl. Ein grüner Strahl ist ein sehr spektakulärer grüner Lichtblitz, der manchmal bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang beobachtet wird. Die Dauer des Blitzes beträgt nur 1-2 Sekunden. Das Phänomen ist folgendes: Geht die Sonne bei klarem Himmel unter, dann kann man bei ausreichender Transparenz der Luft manchmal beobachten, wie der letzte sichtbare Punkt der Sonne seine Farbe schnell von blassgelb oder orangerot nach hellgrün ändert. Bei Sonnenaufgang ist das gleiche Phänomen zu beobachten, jedoch mit umgekehrte Reihenfolge Farbwechsel.

Das Aussehen des grünen Strahls lässt sich erklären, wenn wir die Änderung des Brechungsindex mit der Lichtfrequenz berücksichtigen.

Typischerweise steigt der Brechungsindex mit zunehmender Frequenz an. Strahlen mit einer höheren Brechungsfrequenz sind stärker. Das bedeutet, dass blaugrüne Strahlen im Vergleich zu roten Strahlen stärker gebrochen werden.

Nehmen wir an, dass Licht in der Atmosphäre gebrochen, aber nicht gestreut wird. In diesem Fall müssten die oberen und unteren Ränder der Sonnenscheibe in Horizontnähe in den Farben des Regenbogens eingefärbt werden. Lassen Sie es nur zwei Farben im Spektrum des Sonnenlichts geben - grün und rot; Die „weiße“ Sonnenscheibe kann in diesem Fall als übereinander liegende grüne und rote Scheibe betrachtet werden. Die Lichtbrechung in der Atmosphäre hebt die grüne Scheibe stärker über den Horizont als die rote. Daher müsste der Beobachter die untergehende Sonne sehen, wie in Abb. 6a). Der obere Rand der Sonnenscheibe wäre grün und der untere rot; im zentralen Teil der Scheibe würde eine Mischung von Farben beobachtet werden, d.h. Weiß würde erscheinen.

In Wirklichkeit kann die Lichtstreuung in der Atmosphäre nicht ignoriert werden. Sie führt dazu, dass Strahlen mit höherer Frequenz effizienter aus dem von der Sonne kommenden Lichtbündel ausfallen. Der grüne Rand oben auf der Scheibe ist also nicht sichtbar, und die gesamte Scheibe sieht nicht weiß, sondern rötlich aus. Wenn aber fast die gesamte Sonnenscheibe den Horizont verlassen hat, nur noch ihr oberster Rand übrig ist und gleichzeitig das Wetter klar und ruhig, die Luft sauber ist, dann sieht der Beobachter in diesem Fall den hellgrünen Rand der Sonne zusammen mit einer Streuung hellgrüner Strahlen

Freude zu sehen und zu verstehen
ist das schönste Geschenk der Natur.
Albert Einstein

Geheimnis des Himmelblaus

Warum ist der Himmel blau? ...

Es gibt keinen Menschen, der nicht mindestens einmal in seinem Leben darüber nachgedacht hat. Mittelalterliche Denker versuchten, den Ursprung der Farbe des Himmels zu erklären. Einige von ihnen schlugen vor, dass Blau die wahre Farbe der Luft oder einiger ihrer Gase sei. Andere dachten, die wahre Farbe des Himmels sei schwarz, so wie er nachts aussieht. Tagsüber kommt zum Weiß die schwarze Farbe des Himmels hinzu - Sonnenstrahlen, und es stellt sich heraus ... blau.

Jetzt werden Sie vielleicht keine Person treffen, die, um blaue Farbe zu bekommen, Schwarz und Weiß mischen würde. Und es gab eine Zeit, da waren die Gesetze der Farbmischung noch unklar. Sie wurden erst vor dreihundert Jahren von Newton installiert.

Newton interessierte sich auch für das Geheimnis des azurblauen Himmels. Er begann damit, alle bisherigen Theorien zurückzuweisen.

Erstens, argumentierte er, ergibt eine Mischung aus Weiß und Schwarz niemals Blau. Zweitens ist Blau überhaupt nicht die wahre Farbe der Luft. Wenn dies der Fall wäre, würden Sonne und Mond bei Sonnenuntergang nicht rot erscheinen, wie sie wirklich sind, sondern blau. Die Gipfel ferner schneebedeckter Berge hätten so ausgesehen.

Stellen Sie sich vor, die Luft sei gefärbt. Auch wenn es sehr schwach ist. Dann würde eine dicke Schicht davon wie farbiges Glas wirken. Und wenn Sie durch farbiges Glas schauen, erscheinen alle Objekte in der gleichen Farbe wie dieses Glas. Warum erscheinen uns ferne schneebedeckte Gipfel rosa und überhaupt nicht blau?

Im Streit mit seinen Vorgängern war die Wahrheit auf Newtons Seite. Er bewies, dass die Luft nicht gefärbt ist.

Aber das Rätsel des azurblauen Himmels löste er trotzdem nicht. Er war verwirrt vom Regenbogen, einem der schönsten, poetischsten Naturphänomene. Warum taucht es plötzlich auf und verschwindet genauso plötzlich? Newton konnte sich mit dem vorherrschenden Aberglauben nicht zufrieden geben: Ein Regenbogen ist ein Zeichen von oben, es deutet darauf hin gutes Wetter. Er suchte nach der materiellen Ursache jedes Phänomens. Er fand auch die Ursache des Regenbogens.

Ein Regenbogen entsteht durch Lichtbrechung in Regentropfen. Als Newton dies erkannte, konnte er die Form des Regenbogenbogens berechnen und die Abfolge der Farben im Regenbogen erklären. Seine Theorie konnte nicht nur das Auftreten eines doppelten Regenbogens erklären, aber dies gelang erst drei Jahrhunderte später mit Hilfe einer sehr komplexen Theorie.

Der Erfolg der Regenbogentheorie faszinierte Newton. Er schloss fälschlicherweise, dass die blaue Farbe des Himmels und des Regenbogens auf dieselbe Ursache zurückzuführen seien. Ein Regenbogen leuchtet wirklich auf, wenn die Sonnenstrahlen einen Schwarm Regentropfen durchbrechen. Aber das Blau des Himmels ist nicht nur im Regen sichtbar! Im Gegenteil, bei klarem Wetter, wenn es nicht einmal ein Hauch von Regen gibt, ist der Himmel besonders blau. Wie konnte der große Wissenschaftler das nicht bemerken? Newton dachte, dass die kleinsten Wasserbläschen, die nach seiner Theorie nur den blauen Teil des Regenbogens bilden, bei jedem Wetter in der Luft schweben. Aber das war eine Täuschung.

Erste Entscheidung

Fast 200 Jahre sind vergangen, und ein anderer englischer Wissenschaftler, Rayleigh, griff dieses Thema auf, ohne Angst zu haben, dass selbst der große Newton der Aufgabe nicht gewachsen war.

Rayleigh studierte Optik. Und Menschen, die ihr Leben dem Studium des Lichts gewidmet haben, verbringen viel Zeit im Dunkeln. Fremdlicht stört die subtilsten Experimente, deshalb sind die Fenster des optischen Labors fast immer mit schwarzen, undurchdringlichen Vorhängen verhängt.

Rayleigh blieb stundenlang allein in seinem düsteren Labor, während Lichtstrahlen aus den Instrumenten entwichen. Im Strahlengang wirbelten sie wie lebende Staubpartikel. Sie waren hell erleuchtet und heben sich dadurch von einem dunklen Hintergrund ab. Der Wissenschaftler folgte, vielleicht lange nachdenklich, ihren fließenden Bewegungen, so wie ein Mensch die Funken in einem Kamin beobachtet.

Waren es nicht diese Staubpartikel, die in den Lichtstrahlen tanzten, die Rayleigh eine neue Idee über den Ursprung der Himmelsfarbe nahelegten?

Schon in der Antike war bekannt, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Diese wichtige Entdeckung könnte von einem primitiven Menschen gemacht worden sein, der beobachtete, wie die Sonnenstrahlen durch die Ritzen einer Hütte brachen und auf die Wände und den Boden fielen.

Aber ihn störte kaum der Gedanke, warum er Lichtstrahlen sieht, wenn er sie von der Seite betrachtet. Und hier ist etwas zu denken. Schließlich ist Sonnenlicht ein Strahl von der Ritze bis zum Boden. Das Auge des Betrachters befindet sich abseits und sieht dennoch dieses Licht.

Wir sehen auch das Licht eines Suchscheinwerfers, der auf den Himmel gerichtet ist. Das bedeutet, dass ein Teil des Lichts irgendwie vom direkten Weg abweicht und zu unserem Auge gelangt.

Was bringt ihn dazu, vom Weg abzukommen? Es stellt sich heraus, dass die gleichen Staubpartikel die Luft füllen. Von einem Staubkorn gestreute Strahlen treten in unser Auge ein, die, wenn sie auf Hindernisse treffen, von der Straße abbiegen und sich in einer geraden Linie von dem Streukorn zu unserem Auge ausbreiten.

„Färben diese Staubpartikel den Himmel blau?“ dachte Rayleigh eines Tages. Er rechnete nach, und aus der Vermutung wurde Gewissheit. Er fand eine Erklärung für die blaue Farbe des Himmels, die roten Dämmerungen und den blauen Dunst! Nun, natürlich streuen die kleinsten Staubpartikel, deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, das Sonnenlicht, und zwar umso stärker, je kürzer die Wellenlänge ist, verkündete Rayleigh 1871. Und da violette und blaue Strahlen im sichtbaren Sonnenspektrum die kürzeste Wellenlänge haben, streuen sie am stärksten und verleihen dem Himmel eine blaue Farbe.

Die Sonne und die schneebedeckten Gipfel gehorchten Rayleighs Berechnung. Sie bestätigten sogar die Theorie des Wissenschaftlers. Bei Sonnenauf- und -untergang, wenn das Sonnenlicht die größte Dichte der Luft durchdringt, werden violette und blaue Strahlen am stärksten gestreut, sagt Rayleighs Theorie. Gleichzeitig weichen sie vom direkten Weg ab und fallen dem Betrachter nicht ins Auge. Der Beobachter sieht hauptsächlich rote Strahlen, die viel schwächer streuen. Daher erscheint uns die Sonne bei Sonnenauf- und -untergang rot. Aus dem gleichen Grund erscheinen auch die Gipfel entfernter schneebedeckter Berge rosa.

Anschauen klarer Himmel, sehen wir blau-blaue Strahlen, die durch Streuung von einer geraden Bahn abweichen und in unsere Augen fallen. Und auch der Dunst, den wir manchmal in Horizontnähe sehen, erscheint uns blau.

Ärgerliche Kleinigkeit

Ist das nicht eine schöne Erklärung? Rayleigh selbst war davon so hingerissen, die Wissenschaftler waren so erstaunt über die Harmonie der Theorie und Rayleighs Sieg über Newton, dass keiner von ihnen eine einfache Sache bemerkte. Und diese Kleinigkeit dürfte ihre Einschätzung jedoch komplett geändert haben.

Wer will leugnen, dass abseits der Stadt, wo viel weniger Staub in der Luft liegt, das Blau des Himmels besonders klar und leuchtend ist? Rayleigh selbst fiel es schwer, dies zu leugnen. Also... streuen Staubpartikel nicht Licht? Dann was?

Er hat noch einmal alle seine Berechnungen überarbeitet und sich vergewissert, dass seine Gleichungen korrekt waren, aber das bedeutet, dass Staubpartikel wirklich keine Streupartikel sind. Darüber hinaus sind die in der Luft vorhandenen Staubpartikel viel größer als die Wellenlänge des Lichts, und Rayleighs Berechnungen überzeugten Rayleigh, dass eine große Ansammlung von ihnen das Blau des Himmels nicht verstärkt, sondern im Gegenteil schwächt. Die Streuung von Licht durch große Partikel hängt schwach von der Wellenlänge ab und verursacht daher keine Änderung seiner Farbe.

Wenn Licht von großen Partikeln gestreut wird, bleiben sowohl das gestreute als auch das durchgelassene Licht weiß, sodass das Erscheinen großer Partikel in der Luft dem Himmel eine weißliche Farbe verleiht und sich ansammelt eine große Anzahl Große Tröpfchen bestimmen die weiße Farbe von Wolken und Nebel. Dies lässt sich leicht an einer normalen Zigarette überprüfen. Der Rauch, der seitlich aus dem Mundstück austritt, erscheint immer weißlich, und der Rauch, der an seinem brennenden Ende aufsteigt, hat eine bläuliche Farbe.

Die kleinsten Rauchpartikel, die aus dem brennenden Ende einer Zigarette aufsteigen, sind kleiner als die Wellenlänge des Lichts und streuen gemäß der Theorie von Rayleigh überwiegend Violett und Blau. Beim Passieren schmaler Kanäle in der Dicke des Tabaks bleiben Rauchpartikel jedoch zusammen (koagulieren) und vereinigen sich zu größeren Klumpen. Viele von ihnen werden größer als die Lichtwellenlänge und streuen alle Lichtwellenlängen ungefähr gleich. Deshalb erscheint der seitlich aus dem Mundstück kommende Rauch weißlich.

Ja, es war sinnlos, eine auf Staubpartikeln basierende Theorie zu argumentieren und zu verteidigen.

So tauchte das Geheimnis der blauen Farbe des Himmels erneut vor Wissenschaftlern auf. Aber Rayleigh gab nicht auf. Wenn die blaue Farbe des Himmels umso reiner und leuchtender sei, je reiner die Atmosphäre sei, so argumentierte er, dann könne die Farbe des Himmels nicht auf etwas anderem als den Molekülen der Luft selbst beruhen. Luftmoleküle, schrieb er in seinen neuen Artikeln, seien die kleinsten Teilchen, die das Licht der Sonne streuen!

Rayleigh war diesmal sehr vorsichtig. Bevor er über seine neue Idee berichtete, beschloss er, sie zu testen, die Theorie irgendwie mit Erfahrung zu überprüfen.

Die Chance bot sich 1906. Rayleigh wurde von dem amerikanischen Astrophysiker Abbott unterstützt, der am Observatorium auf dem Mount Wilson das blaue Leuchten des Himmels untersuchte. Abbott verarbeitete die Ergebnisse der Messung der Helligkeit des Himmelsglühens auf der Grundlage der Rayleigh-Streuungstheorie und berechnete die Anzahl der Moleküle, die in jedem Kubikzentimeter Luft enthalten sind. Es ist eine riesige Zahl geworden! Es genügt zu sagen, dass, wenn Sie diese Moleküle an alle Erdbewohner verteilen, jeder mehr als 10 Milliarden dieser Moleküle erhalten wird. Kurz gesagt, Abbott fand heraus, dass jeder Kubikzentimeter Luft bei normaler atmosphärischer Temperatur und normalem Druck 27 Milliarden mal eine Milliarde Moleküle enthält.

Die Anzahl der Moleküle in einem Kubikzentimeter eines Gases kann bestimmt werden verschiedene Wege auf der Grundlage völlig unterschiedlicher und unabhängiger Phänomene. Alle führen zu eng übereinstimmenden Ergebnissen und ergeben eine Zahl, die als Loschmidt-Zahl bezeichnet wird.

Diese Zahl ist den Wissenschaftlern gut bekannt und diente mehr als einmal als Maß und Kontrolle zur Erklärung der in Gasen auftretenden Phänomene.

Und nun stimmte die Zahl, die Abbot bei der Messung des Himmelsglühens erhielt, mit großer Genauigkeit mit der Zahl von Loschmidt überein. Aber er verwendete die Rayleigh-Streuungstheorie in seinen Berechnungen. Somit wurde eindeutig bewiesen, dass die Theorie richtig ist, dass molekulare Lichtstreuung wirklich existiert.

Es schien, dass Rayleighs Theorie durch die Erfahrung zuverlässig bestätigt wurde; alle Gelehrten hielten es für tadellos.

Es wurde allgemein anerkannt und fand Eingang in alle Lehrbücher der Optik. Man konnte aufatmen: Endlich wurde eine Erklärung für das Phänomen gefunden – so vertraut und gleichzeitig mysteriös.

Umso überraschender, dass 1907 auf den Seiten einer bekannten wissenschaftlichen Zeitschrift erneut die Frage gestellt wurde: Warum ist der Himmel blau?!

Disput

Wer wagte es, die allgemein akzeptierte Rayleigh-Theorie in Frage zu stellen?

Seltsamerweise war es einer der leidenschaftlichsten Fans und Bewunderer von Rayleigh. Vielleicht hat niemand Rayleigh so geschätzt und verstanden, kannte seine Arbeit nicht so gut, interessierte sich nicht für seine wissenschaftliche Arbeit wie der junge russische Physiker Leonid Mandelstam.

- In der Natur des Geistes von Leonid Isaakovich - erinnerte sich später an einen anderen sowjetischen Wissenschaftler, den Akademiemitglied N.D. Papaleksi - hatte viel mit Rayleigh gemeinsam. Und es ist kein Zufall, dass die Wege ihres wissenschaftlichen Schaffens oft parallel verliefen und sich immer wieder kreuzten.

Diesmal bekreuzigten sie sich bei der Frage nach der Herkunft der Himmelsfarbe. Zuvor interessierte sich Mandelstam hauptsächlich für Funktechnik. Zu Beginn unseres Jahrhunderts war dies ein völlig neues Wissenschaftsgebiet, und nur wenige Menschen verstanden es. Nach der Entdeckung von A.S. Popov (1895) waren nur wenige Jahre vergangen, und es gab unendlich viel Arbeit. Pro kurzer Zeitraum Mandelstam hat viel ernsthafte Forschung auf dem Gebiet der elektromagnetischen Schwingungen in Bezug auf funktechnische Geräte durchgeführt. 1902 verteidigte er seine Dissertation und promovierte im Alter von 23 Jahren. Naturwissenschaft Universität Straßburg.

Mandelstam befasste sich mit Fragen der Anregung von Radiowellen und studierte natürlich die Arbeiten von Rayleigh, der eine anerkannte Autorität in der Erforschung von Schwingungsprozessen war. Und der junge Arzt lernte unfreiwillig das Problem kennen, den Himmel zu färben.

Aber Mandelstam, der sich mit dem Problem der Himmelsfärbung vertraut gemacht hatte, zeigte nicht nur den Irrtum oder, wie er selbst sagte, die "Unzulänglichkeit" der allgemein anerkannten Rayleigh-Theorie der molekularen Lichtstreuung, sondern enthüllte nicht nur das Geheimnis des Blaus Farbe des Himmels, sondern legte auch den Grundstein für Forschungen, die zu einer der wichtigsten Entdeckungen der Physik des 20. Jahrhunderts führten.

Und alles begann mit einem Streit in Abwesenheit mit einem der größten Physiker, dem Vater der Quantentheorie, M. Planck. Als Mandelstam mit Rayleighs Theorie bekannt wurde, fesselte sie ihn mit ihrer Zurückhaltung und ihren inneren Paradoxien, die der alte, sehr erfahrene Rayleigh zur Überraschung des jungen Physikers nicht bemerkte. Die Unzulänglichkeit von Rayleighs Theorie wurde besonders deutlich bei der Analyse einer anderen Theorie, die auf ihrer Grundlage von Planck aufgebaut wurde, um die Dämpfung von Licht zu erklären, wenn es durch ein optisch homogenes transparentes Medium geht.

In dieser Theorie wurde davon ausgegangen, dass die Moleküle der Substanz, durch die Licht hindurchgeht, die Quellen von Sekundärwellen sind. Um diese Sekundärwellen zu erzeugen, argumentierte Planck, wird ein Teil der Energie der vorbeilaufenden Welle verbraucht, die dann abgeschwächt wird. Wir sehen, dass diese Theorie auf der Rayleigh-Theorie der molekularen Streuung basiert und sich auf ihre Autorität verlässt.

Der einfachste Weg, die Essenz der Materie zu verstehen, ist die Betrachtung der Wellen auf der Wasseroberfläche. Trifft eine Welle auf stationäre oder schwimmende Objekte (Pfähle, Baumstämme, Boote etc.), so streuen kleine Wellen von diesen Objekten in alle Richtungen. Das ist nichts als Streuung. Ein Teil der Energie der einfallenden Welle wird für die Anregung von Sekundärwellen aufgewendet, die ganz analog zum Streulicht in der Optik sind. In diesem Fall wird die Anfangswelle geschwächt - sie zerfällt.

Schwimmende Objekte können viel kleiner sein als die Wellenlänge, die durch Wasser wandert. Auch kleine Körner verursachen Sekundärwellen. Wenn die Größe der Partikel abnimmt, werden die von ihnen gebildeten Sekundärwellen natürlich schwächer, aber sie nehmen immer noch die Energie der Hauptwelle auf.

So stellte sich Planck den Prozess der Abschwächung einer Lichtwelle beim Durchgang durch ein Gas vor, aber die Rolle der Körner in seiner Theorie spielten Gasmoleküle.

Mandelstam interessierte sich für diese Arbeit von Planck.

Mandelstams Gedankengang lässt sich auch am Beispiel von Wellen auf der Wasseroberfläche erklären. Man muss es sich nur genauer überlegen. So sind selbst kleine Körner, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, Quellen von Sekundärwellen. Aber was passiert, wenn man diese Körner so dick gießt, dass sie die gesamte Wasseroberfläche bedecken? Dann wird sich herausstellen, dass sich die einzelnen Sekundärwellen, verursacht durch zahlreiche Körner, so addieren, dass sie die seitlich und zurücklaufenden Wellenanteile vollständig auslöschen und die Streuung aufhört. Es wird nur eine vorwärtslaufende Welle geben. Sie wird vorwärts rennen, ohne überhaupt zu schwächen. Das einzige Ergebnis des Vorhandenseins der gesamten Körnermasse wird eine gewisse Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Primärwelle sein. Besonders wichtig ist, dass dies alles nicht davon abhängt, ob die Körner stehen oder sich auf der Wasseroberfläche bewegen. Das Kornaggregat wirkt einfach als Last auf der Wasseroberfläche und verändert die Dichte seiner oberen Schicht.

Mandelstam führte eine mathematische Berechnung für den Fall durch, dass die Anzahl der Moleküle in der Luft so groß ist, dass selbst in einem so kleinen Bereich wie der Wellenlänge des Lichts sehr viele vorhanden sind große Nummer Moleküle. Es stellte sich heraus, dass sich in diesem Fall von einzelnen zufällig bewegten Molekülen angeregte sekundäre Lichtwellen genauso addieren wie die Wellen im Beispiel mit Körnern. Das bedeutet, dass sich die Lichtwelle in diesem Fall ohne Streuung und Dämpfung, aber mit etwas geringerer Geschwindigkeit ausbreitet. Dies widerlegte die Theorie von Rayleigh, der glaubte, dass die Bewegung streuender Teilchen in allen Fällen für die Streuung von Wellen sorgt, und widerlegte damit die darauf basierende Theorie von Planck.

So wurde Sand unter der Grundlage der Streutheorie entdeckt. Das ganze majestätische Gebäude erzitterte und drohte einzustürzen.

Zufall

Aber was ist mit der Bestimmung der Loschmidt-Zahl aus Messungen des blauen Himmelsscheins? Immerhin bestätigte das Experiment die Rayleigh-Streutheorie!

„Dieser Zufall muss als zufällig angesehen werden“, schrieb Mandelstam 1907 in seinem Werk „On Optically Homogeneous and Turbid Media“.

Mandelstam zeigte, dass die zufällige Bewegung von Molekülen ein Gas nicht homogen machen kann. Im Gegensatz dazu gibt es in einem realen Gas immer kleinste Verdünnungen und Verdichtungen, die durch chaotische thermische Bewegung entstehen. Sie führen zur Lichtstreuung, da sie die optische Gleichmäßigkeit der Luft verletzen. In derselben Arbeit schrieb Mandelstam:

„Ist das Medium optisch inhomogen, wird das einfallende Licht in der Regel auch seitlich gestreut.“

Da aber die Dimensionen der durch chaotische Bewegung entstehenden Inhomogenitäten kleiner sind als die Wellenlänge von Lichtwellen, werden die dem violetten und blauen Teil des Spektrums entsprechenden Wellen überwiegend gestreut. Und das führt insbesondere zur blauen Farbe des Himmels.

Damit war das Rätsel des azurblauen Himmels endgültig gelöst. Der theoretische Teil wurde von Rayleigh entwickelt. Die physikalische Natur von Streuern wurde von Mandelstam festgestellt.

Mandelstams großes Verdienst liegt darin, dass er bewies, dass die Annahme einer vollkommenen Homogenität eines Gases unvereinbar ist mit der Tatsache, dass Licht darin gestreut wird. Er erkannte, dass die blaue Farbe des Himmels beweist, dass die Homogenität von Gasen nur scheinbar ist. Genauer gesagt scheinen Gase nur dann homogen zu sein, wenn sie mit groben Instrumenten wie Barometern, Waagen oder anderen Instrumenten untersucht werden, die von vielen Milliarden Molekülen gleichzeitig beeinflusst werden. Aber der Lichtstrahl fühlt sich unvergleichlich an kleinere Mengen Moleküle, gemessen in nur Zehntausenden. Und dies reicht aus, um unbestreitbar festzustellen, dass die Dichte eines Gases ständig kleinen lokalen Änderungen unterliegt. Daher ist ein homogenes Medium aus unserer „groben“ Sicht tatsächlich inhomogen. Aus „Lichtsicht“ erscheint es wolkig und streut daher Licht.

Zufällige lokale Änderungen der Eigenschaften von Materie, die aus der thermischen Bewegung von Molekülen resultieren, werden heute als Fluktuationen bezeichnet. Nachdem er den Fluktuationsursprung der molekularen Lichtstreuung aufgeklärt hatte, ebnete Mandelstam den Weg für eine neue Methode zur Untersuchung von Materie – die Fluktuations- oder statistische Methode, die später von Smoluchovsky, Lorentz, Einstein und ihm selbst zu einer neuen Hauptabteilung der Physik entwickelt wurde – der statistischen Physik.

Der Himmel muss schimmern!

So wurde das Geheimnis der blauen Farbe des Himmels gelüftet. Aber das Studium der Lichtstreuung hörte hier nicht auf. Mandelstam machte mit seinem geschärften Instinkt als Wissenschaftler auf die fast unmerklichen Änderungen der Luftdichte aufmerksam und erklärte die Färbung des Himmels durch schwankende Streuung des Lichts. Er entdeckte ein neues, noch subtileres Merkmal dieses Prozesses.

Luftinhomogenitäten werden schließlich durch zufällige Schwankungen ihrer Dichte verursacht. Die Größe dieser zufälligen Inhomogenitäten, die Gerinnseldichte, variiert mit der Zeit. Daher, argumentierte der Wissenschaftler, sollte sich auch die Intensität mit der Zeit ändern – die Stärke des Streulichts! Denn je dichter die Molekülcluster, desto intensiver das an ihnen gestreute Licht. Und da diese Gerinnsel zufällig erscheinen und verschwinden, sollte der Himmel, einfach gesagt, flackern! Die Stärke seines Leuchtens und seine Farbe sollten sich ständig ändern (aber sehr schwach)! Aber hat jemand schon mal so ein Flackern bemerkt? Natürlich nicht.

Dieser Effekt ist so subtil, dass Sie ihn mit bloßem Auge nicht sehen können.

Keiner der Wissenschaftler beobachtete auch eine solche Veränderung im Leuchten des Himmels. Mandelstam selbst hatte auch keine Gelegenheit, die Schlussfolgerungen seiner Theorie zu überprüfen. Die Organisation der komplexesten Experimente wurde zuerst durch die mageren Bedingungen des zaristischen Russlands und dann durch die Schwierigkeiten der ersten Jahre der Revolution, der ausländischen Intervention und des Bürgerkriegs behindert.

1925 wurde Mandelstam Leiter einer Abteilung an der Moskauer Universität. Hier traf er den herausragenden Wissenschaftler und erfahrenen Experimentator Grigory Samuilovich Landsberg. Und so setzten sie, verbunden durch tiefe Freundschaft und gemeinsame wissenschaftliche Interessen, den Angriff auf die Geheimnisse fort, die in den schwachen Strahlen des diffusen Lichts verborgen waren.

Die optischen Laboratorien der Universität waren damals noch sehr arm an Instrumenten. Die Universität verfügte nicht über ein einziges Instrument, das in der Lage war, das Flackern des Himmels oder jene kleinen Unterschiede in den Frequenzen des einfallenden und gestreuten Lichts zu erkennen, die die Theorie als Ergebnis dieses Flackerns vorhersagte.

Dies hielt die Forscher jedoch nicht auf. Sie gaben die Idee auf, den Himmel im Labor zu imitieren. Dies würde eine bereits subtile Erfahrung nur erschweren. Sie beschlossen, nicht die Streuung von weißem, komplexem Licht zu untersuchen, sondern die Streuung von Strahlen einer genau definierten Frequenz. Wenn sie die Frequenz des einfallenden Lichts genau kennen, wird es viel einfacher sein, nach jenen Frequenzen in der Nähe zu suchen, die bei der Streuung entstehen sollten. Darüber hinaus legte die Theorie nahe, dass Beobachtungen in Festkörpern einfacher zu machen seien, da die Moleküle in ihnen viel näher beieinander liegen als in Gasen, und je dichter die Substanz, desto größer die Streuung.

Eine akribische Suche nach den am besten geeigneten Materialien begann. Schließlich fiel die Wahl auf Quarzkristalle. Ganz einfach, weil große transparente Quarze günstiger sind als alle anderen.

Vorbereitende Experimente dauerten zwei Jahre, es wurden die reinsten Kristallproben ausgewählt, die Technik wurde verbessert, es wurden Anzeichen festgestellt, anhand derer es möglich war, die Streuung durch Quarzmoleküle eindeutig von der Streuung durch zufällige Einschlüsse, Kristallinhomogenitäten und Verunreinigungen zu unterscheiden.

Witz und Arbeit

Mangels leistungsstarker Spektralanalysegeräte wählten die Wissenschaftler einen ausgeklügelten Workaround, der es ermöglichen sollte, die vorhandenen Instrumente zu nutzen.

Die Hauptschwierigkeit bei dieser Arbeit bestand darin, dass das schwache Licht, das durch molekulare Streuung verursacht wurde, von einem viel stärkeren Licht überlagert wurde, das von kleinen Verunreinigungen und anderen Defekten der Kristallproben gestreut wurde, die für Experimente erhalten werden konnten. Die Forscher entschieden sich, die Tatsache auszunutzen, dass Streulicht, das durch Kristalldefekte und Reflexionen von verschiedenen Teilen des Aufbaus gebildet wird, genau der Frequenz des einfallenden Lichts entspricht. Sie interessierten sich nur für Licht mit einer nach Mandelstams Theorie veränderten Frequenz, also galt es, das durch molekulare Streuung verursachte Licht mit veränderter Frequenz vor dem Hintergrund dieses viel helleren Lichts zu isolieren.

Damit das Streulicht einen messbaren Wert hat, entschieden sich die Wissenschaftler, den Quarz mit dem stärksten ihnen zur Verfügung stehenden Leuchtmittel zu beleuchten: einer Quecksilberlampe.

Das in einem Kristall gestreute Licht muss also aus zwei Teilen bestehen: einem schwachen Licht mit einer veränderten Frequenz aufgrund von molekularer Streuung (die Untersuchung dieses Teils war das Ziel der Wissenschaftler) und einem viel stärkeren Licht mit einer unveränderten Frequenz, das durch Fremdlicht verursacht wird Ursachen (dieser Teil war schädlich, er erschwerte die Forschung.

Die Idee des Verfahrens war wegen seiner Einfachheit attraktiv: Es ist notwendig, Licht einer konstanten Frequenz zu absorbieren und nur Licht einer veränderten Frequenz in den Spektralapparat passieren zu lassen. Aber die Frequenzunterschiede betrugen nur wenige Tausendstel Prozent. Kein Labor der Welt hatte einen Filter, der in der Lage war, so nahe Frequenzen zu trennen. Es wurde jedoch eine Lösung gefunden.

Streulicht wurde durch ein Gefäß mit Quecksilberdampf geleitet. Infolgedessen "steckte" das gesamte "schädliche" Licht im Gefäß fest, und das "nützliche" Licht ging ohne merkliche Schwächung durch. In diesem Fall nutzten die Experimentatoren einen bereits bekannten Umstand aus. Ein Materieatom ist laut Quantenphysik in der Lage, Lichtwellen nur ganz bestimmter Frequenzen auszusenden. Dieses Atom ist jedoch auch in der Lage, Licht zu absorbieren. Und nur Lichtwellen jener Frequenzen, die er selbst aussenden kann.

In einer Quecksilberlampe wird Licht durch Quecksilberdampf emittiert, der unter dem Einfluss einer elektrischen Entladung leuchtet, die im Inneren der Lampe auftritt. Wenn dieses Licht durch ein Gefäß geleitet wird, das auch Quecksilberdampf enthält, wird es fast vollständig absorbiert. Was die Theorie vorhersagt, wird passieren: Die Quecksilberatome im Gefäß absorbieren das von den Quecksilberatomen in der Lampe emittierte Licht.

Licht von anderen Quellen, wie z. B. einer Neonlampe, wird den Quecksilberdampf unbeschadet passieren. Merkuratome werden ihm nicht einmal Beachtung schenken. Dieser Teil der Welt wird nicht verschlungen Quecksilberlampe, das in Quarz mit einer Wellenlängenänderung gestreut wird.

Diesen günstigen Umstand nutzten Mandelstam und Landsberg aus.

Erstaunliche Entdeckung

1927 begannen entscheidende Experimente. Die Wissenschaftler beleuchteten den Quarzkristall mit dem Licht einer Quecksilberlampe und verarbeiteten die Ergebnisse. Und ... sie waren überrascht.

Die Ergebnisse des Experiments waren unerwartet und ungewöhnlich. Wissenschaftler haben überhaupt nicht das gefunden, was sie erwartet hatten, nicht das, was von der Theorie vorhergesagt wurde. Sie entdeckten ein völlig neues Phänomen. Aber was? Und ist das nicht ein Fehler? Unerwartete Frequenzen wurden im Streulicht gefunden, aber viel höhere und niedrigere Frequenzen. Im Spektrum des Streulichts tauchte eine ganze Kombination von Frequenzen auf, die nicht in dem auf Quarz einfallenden Licht lagen. Es war einfach unmöglich, ihr Aussehen durch optische Inhomogenitäten im Quarz zu erklären.

Eine gründliche Überprüfung begann. Die Versuche wurden einwandfrei durchgeführt. Sie waren so witzig, perfekt und erfinderisch konzipiert, dass es unmöglich war, sie nicht zu bewundern.

- Leonid Isaakovich hat manchmal sehr schwierige technische Probleme so schön und manchmal genial einfach gelöst, dass jeder von uns unwillkürlich eine Frage hatte: „Warum ist mir das nicht schon früher eingefallen?“ - sagt einer der Mitarbeiter.

Eine Vielzahl von Kontrollexperimenten bestätigte hartnäckig, dass kein Fehler vorlag. In den Fotografien des Spektrums des gestreuten Lichts erschienen schwache und dennoch ziemlich deutliche Linien anhaltend, was auf das Vorhandensein von "zusätzlichen" Frequenzen im gestreuten Licht hinweist.

Seit vielen Monaten suchen Wissenschaftler nach einer Erklärung für dieses Phänomen. Woher kamen die „fremden“ Frequenzen im Streulicht?!

Und es kam der Tag, an dem Mandelstam eine erstaunliche Einsicht dämmerte. Es war erstaunliche Entdeckung, die heute als eine der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts gilt.

Aber sowohl Mandelstam als auch Landsberg kamen zu dem einstimmigen Beschluss, dass diese Entdeckung nur nach einer soliden Überprüfung, nach einem erschöpfenden Eindringen in die Tiefen des Phänomens veröffentlicht werden könne. Die letzten Experimente haben begonnen.

Mit Hilfe der Sonne

Am 16. Februar haben die indischen Wissenschaftler Ch.N. Raman und K.S. Krishnan schickte ein Telegramm aus Kalkutta an diese Zeitschrift mit kurze Beschreibung seiner Entdeckung.

In jenen Jahren strömten aus aller Welt Briefe über die unterschiedlichsten Entdeckungen an die Zeitschrift „Priroda“. Aber nicht jeder Bericht ist dazu bestimmt, unter Wissenschaftlern für Aufregung zu sorgen. Als die Ausgabe mit dem Brief indischer Wissenschaftler vergriffen war, waren die Physiker sehr aufgeregt. Schon der Titel der Notiz – „Eine neue Art von Sekundärstrahlung“ – erregte Interesse. Schließlich ist die Optik eine der ältesten Wissenschaften, in ihr war im 20. Jahrhundert nicht oft etwas Unbekanntes zu entdecken.

Man kann sich vorstellen, mit welchem Interesse die Physiker der ganzen Welt die neuen Briefe aus Kalkutta erwartet haben.

Ihr Interesse wurde nicht zuletzt durch die Persönlichkeit eines der Autoren der Entdeckung, Raman, genährt. Dies ist ein Mann mit merkwürdigem Schicksal und einer herausragenden Biografie, die der von Einstein sehr ähnlich ist. Einstein war in seiner Jugend einfacher Gymnasiallehrer, dann Angestellter des Patentamtes. In dieser Zeit vollendete er die bedeutendsten seiner Werke. Raman, ein brillanter Physiker, wurde ebenfalls nach seinem Universitätsabschluss gezwungen, zehn Jahre lang in der Abteilung für Finanzen zu dienen, und wurde erst danach an die Abteilung der Universität von Kalkutta berufen. Raman wurde bald zum anerkannten Oberhaupt der indischen Physikschule.

Kurz vor den beschriebenen Ereignissen wurden Raman und Krishnan von einer merkwürdigen Aufgabe hingerissen. Dann entdeckten die Leidenschaften, die 1923 durch die Entdeckung des amerikanischen Physikers Compton verursacht wurden, der beim Studium des Durchgangs von Röntgenstrahlen durch Materie noch nicht abgeklungen war, dass ein Teil dieser Strahlen, der von der ursprünglichen Richtung weg gestreut wird, ihre Wellenlänge erhöht. Übersetzt in die Sprache der Augenoptiker können wir sagen, dass Röntgenstrahlen, die mit den Molekülen einer Substanz kollidieren, ihre „Farbe“ verändert haben.

Dieses Phänomen ließ sich leicht durch die Gesetze der Quantenphysik erklären. Damit war Comptons Entdeckung einer der entscheidenden Beweise für die Richtigkeit der jungen Quantentheorie.

Etwas Ähnliches, aber bereits in der Optik, haben wir uns entschieden, es zu versuchen. Entdecken Sie indische Wissenschaftler. Sie wollten Licht durch eine Substanz leiten und sehen, wie sich dessen Strahlen an den Molekülen der Substanz streuen und ob sich ihre Wellenlänge ändert.

Wie Sie sehen können, stellen sich indische Wissenschaftler absichtlich oder unabsichtlich der gleichen Aufgabe wie sowjetische Wissenschaftler. Aber ihre Ziele waren andere. Kalkutta suchte nach einer optischen Analogie des Compton-Effekts. In Moskau - eine experimentelle Bestätigung von Mandelstams Vorhersage einer Frequenzänderung, wenn Licht durch fluktuierende Inhomogenitäten gestreut wird.

Raman und Krishnan entwarfen ein schwieriges Experiment, da die erwartete Wirkung äußerst gering sein sollte. Für das Experiment wurde eine sehr helle Lichtquelle benötigt. Und dann beschlossen sie, die Sonne zu nutzen und ihre Strahlen mit einem Teleskop zu sammeln.

Der Durchmesser seiner Linse betrug achtzehn Zentimeter. Die Forscher richteten das gesammelte Licht durch ein Prisma auf Gefäße, in denen Flüssigkeiten und Gase platziert wurden, die gründlich von Staub und anderen Verunreinigungen gereinigt wurden.

Aber die erwartete kleine Wellenlänge des gestreuten Lichts mit weißem Sonnenlicht zu erkennen, das fast alle möglichen Wellenlängen enthält, war hoffnungslos. Daher entschieden sich die Wissenschaftler, Lichtfilter zu verwenden. Sie setzten einen Blau-Violett-Filter vor die Linse und beobachteten das Streulicht durch einen Gelb-Grün-Filter. Sie haben zu Recht entschieden, dass das, was durch den ersten Filter geht, im zweiten stecken bleibt. Immerhin absorbiert der Gelb-Grün-Filter die vom ersten Filter durchgelassenen blau-violetten Strahlen. Und beide, hintereinander platziert, müssen das gesamte einfallende Licht absorbieren. Fallen jedoch einige Strahlen in das Auge des Beobachters, so kann man mit Sicherheit sagen, dass sie nicht im einfallenden Licht, sondern in der untersuchten Substanz entstanden sind.

Kolumbien

Tatsächlich fanden Raman und Krishnan Strahlen in gestreutem Licht, die durch den zweiten Filter gingen. Sie fixierten die zusätzlichen Frequenzen. Könnte prinzipiell sein optischer Effekt Compton. Das heißt, das blau-violette Licht könnte, wenn es an den Molekülen der Substanz in den Gefäßen gestreut wird, seine Farbe ändern und gelb-grün werden. Aber das musste noch bewiesen werden. Es könnte andere Gründe geben, die das Erscheinen von gelbgrünem Licht verursachen. Zum Beispiel könnte es als Ergebnis von Lumineszenz erscheinen – ein schwaches Leuchten, das häufig in Flüssigkeiten und Feststoffen unter dem Einfluss von Licht, Wärme und anderen Ursachen auftritt. Offensichtlich gab es eine Sache - dieses Licht wurde wiedergeboren, es war nicht im einfallenden Licht enthalten.

Die Wissenschaftler wiederholten ihr Experiment mit sechs verschiedenen Flüssigkeiten und zwei Arten von Dämpfen. Dabei haben sie darauf geachtet, dass weder Lumineszenz noch andere Ursachen eine Rolle spielen.

Die Tatsache, dass die Wellenlänge des sichtbaren Lichts zunimmt, wenn es in Materie gestreut wird, schien Raman und Krishnan erwiesen. Ihre Suche schien von Erfolg gekrönt zu sein. Sie entdeckten eine optische Analogie zum Compton-Effekt.

Aber damit die Experimente eine fertige Form haben und die Schlussfolgerungen überzeugend genug sind, musste noch ein Teil der Arbeit erledigt werden. Es reichte nicht aus, eine Änderung der Wellenlänge zu erkennen. Es war notwendig, das Ausmaß dieser Änderung zu messen. Der erste half, einen Lichtfilter herzustellen. Er war machtlos, das zweite zu tun. Hier brauchten die Wissenschaftler ein Spektroskop – ein Gerät, mit dem Sie die Wellenlänge des untersuchten Lichts messen können.

Und die Forscher begannen mit dem zweiten Teil, nicht weniger komplex und mühsam. Aber sie erfüllte auch ihre Erwartungen. Die Ergebnisse bestätigten erneut die Schlussfolgerungen des ersten Teils der Arbeit. Die Wellenlänge erwies sich jedoch als unerwartet groß. Viel mehr als erwartet. Das störte die Forscher nicht.

Wie sollte man sich hier nicht an Columbus erinnern? Er suchte zu finden Seeweg nach Indien und als er das Land sah, hatte er keinen Zweifel, dass er das Ziel erreicht hatte. Hatte er Grund, beim Anblick der rothäutigen Bewohner und der ungewohnten Natur der Neuen Welt an seiner Zuversicht zu zweifeln?

Ist es nicht wahr, dass Raman und Krishnan, die versuchten, den Compton-Effekt im sichtbaren Licht zu entdecken, beschlossen, ihn zu finden, indem sie das Licht untersuchten, das durch ihre Flüssigkeiten und Gase ging?! Zögerten sie, als die Messungen eine unerwartet große Änderung der Wellenlänge der gestreuten Strahlen zeigten? Welche Schlüsse zogen sie aus ihrer Entdeckung?

Laut indischen Wissenschaftlern fanden sie, wonach sie suchten. Am 23. März 1928 flog ein Telegramm mit einem Artikel mit dem Titel „The Optical Analogy of the Compton Effect“ nach London. Die Wissenschaftler schrieben: „Damit ist die optische Analogie des Compton-Effekts offensichtlich, außer dass wir es mit einer viel größeren Wellenlängenänderung zu tun haben ...“ Anmerkung: „viel größer ...“

Tanz der Atome

Die Arbeit von Raman und Krishnan wurde von Wissenschaftlern mit Standing Ovations aufgenommen. Alle bewunderten zu Recht ihre experimentelle Kunst. Für diese Entdeckung erhielt Raman 1930 den Nobelpreis.

Dem Brief der indischen Wissenschaftler war ein Foto des Spektrums beigefügt, auf dem die Linien, die die Frequenz des einfallenden Lichts und des an den Molekülen der Substanz gestreuten Lichts darstellen, ihren Platz einnahmen. Dieses Foto veranschaulichte laut Raman und Krishnan ihre Entdeckung deutlicher als je zuvor.

Als Mandelstam und Landsberg sich dieses Foto ansahen, sahen sie eine fast exakte Kopie des Fotos, das sie gemacht hatten! Aber nachdem sie ihre Erklärung kennengelernt hatten, erkannten sie sofort, dass Raman und Krishnan sich geirrt hatten.

Nein, indische Wissenschaftler haben den Compton-Effekt nicht entdeckt, sondern ein völlig anderes Phänomen, dasselbe, das sowjetische Wissenschaftler seit vielen Jahren untersuchen ...

Während die Aufregung über die Entdeckung indischer Wissenschaftler zunahm, beendeten Mandelstam und Landsberg Kontrollexperimente und fassten die letzten entscheidenden Ergebnisse zusammen.

Und am 6. Mai 1928 schickten sie einen Artikel zum Druck. Dem Artikel war ein Foto des Spektrums beigefügt.

Die Forscher skizzierten kurz die Geschichte des Problems ausführliche Deutung Phänomen, das sie entdeckt haben.

Was war also dieses Phänomen, das viele Wissenschaftler leiden und sich den Kopf brechen ließ?

Mandelstams tiefe Intuition und sein klarer analytischer Verstand veranlassten den Wissenschaftler sofort, dass die beobachteten Änderungen in der Frequenz des gestreuten Lichts nicht durch jene intermolekularen Kräfte verursacht werden können, die die zufälligen Wiederholungen der Luftdichte ausgleichen. Dem Wissenschaftler wurde klar, dass die Ursache zweifellos in den Molekülen der Substanz selbst liegt, dass das Phänomen durch intramolekulare Schwingungen der Atome verursacht wird, die das Molekül bilden.

Solche Schwankungen treten viel häufiger auf als diejenigen, die die Bildung und Resorption zufälliger Inhomogenitäten im Medium begleiten. Es sind diese Schwingungen von Atomen in Molekülen, die das gestreute Licht beeinflussen. Atome markieren es gleichsam, hinterlassen ihre Spuren, verschlüsseln es mit zusätzlichen Frequenzen.

Es war eine wunderschöne Vermutung, eine gewagte Invasion des menschlichen Denkens jenseits der Absperrung einer kleinen Festung der Natur – Moleküle. Und diese Erkundung brachte wertvolle Informationen über seine innere Struktur.

Hand in Hand

Wenn man also versuchte, eine kleine Frequenzänderung von gestreutem Licht zu erkennen, die durch intermolekulare Kräfte verursacht wurde, wurde eine größere Frequenzänderung gefunden, die durch intramolekulare Kräfte verursacht wurde.

Um das neue Phänomen zu erklären, das als "Raman-Streuung des Lichts" bezeichnet wurde, reichte es daher aus, die von Mandelstam geschaffene Theorie der molekularen Streuung mit Daten über die Wirkung von Schwingungen von Atomen im Inneren von Molekülen zu ergänzen. Das neue Phänomen wurde als Ergebnis der Entwicklung von Mandelstams Idee entdeckt, die er bereits 1918 formuliert hatte.

Ja, nicht ohne Grund, denn Akademiemitglied S.I. Vavilov: „Die Natur hat Leonid Isaakovich mit einem völlig ungewöhnlichen, scharfsinnigen, subtilen Verstand ausgestattet, der die Hauptsache sofort bemerkte und verstand, an der die Mehrheit gleichgültig vorbeiging. So wurde das Fluktuationswesen der Lichtstreuung verstanden, und so entstand die Idee einer Änderung des Spektrums während der Lichtstreuung, die zur Grundlage für die Entdeckung der Raman-Streuung wurde.

Anschließend wurden enorme Vorteile aus dieser Entdeckung gezogen, sie erhielt wertvolle praktische Anwendung.

Im Moment der Entdeckung schien es nur der wertvollste Beitrag zur Wissenschaft zu sein.

Was ist mit Raman und Krishnan? Wie haben sie auf die Entdeckung sowjetischer Wissenschaftler und auch auf ihre eigene reagiert? Haben sie verstanden, was sie entdeckt haben?

Die Antwort auf diese Fragen ist im folgenden Brief von Raman und Krishnan enthalten, den sie 9 Tage nach der Veröffentlichung des Artikels durch sowjetische Wissenschaftler an die Presse schickten. Ja, sie verstanden, dass das Phänomen, das sie beobachteten, nicht der Compton-Effekt war. Dies ist Raman-Streuung von Licht.

Nach der Veröffentlichung der Briefe von Raman und Krishnan und der Artikel von Mandelstam und Landsberg wurde Wissenschaftlern auf der ganzen Welt klar, dass das gleiche Phänomen unabhängig und fast gleichzeitig in Moskau und Kalkutta durchgeführt und untersucht wurde. Aber Moskauer Physiker untersuchten es in Quarzkristallen, während indische Physiker es in Flüssigkeiten und Gasen untersuchten.

Und diese Parallelität war natürlich kein Zufall. Sie spricht über die Dringlichkeit des Problems, seine große wissenschaftliche Bedeutung. Es ist nicht verwunderlich, dass Ergebnisse, die den Schlussfolgerungen von Mandelstam und Raman Ende April 1928 nahe kamen, auch unabhängig von den französischen Wissenschaftlern Rocard und Kaban erzielt wurden. Nach einiger Zeit erinnerten sich die Wissenschaftler daran, dass der tschechische Physiker Smekal 1923 dasselbe Phänomen theoretisch vorhergesagt hatte. Nach der Arbeit von Smekal erschienen die theoretischen Forschungen von Kramers, Heisenberg und Schrödinger.

Scheinbar nur ein Nachteil wissenschaftliche Informationen Man kann sich die Tatsache erklären, dass Wissenschaftler aus vielen Ländern an der Lösung des gleichen Problems arbeiteten, ohne es zu wissen.

Siebenunddreißig Jahre später

Untersuchungen zur Raman-Streuung haben nicht nur ein neues Kapitel in der Wissenschaft des Lichts aufgeschlagen. Sie gaben jedoch mächtige Waffe Technik. Die Industrie hat eine hervorragende Möglichkeit erhalten, die Eigenschaften von Materie zu untersuchen.

Schließlich sind die Frequenzen der Raman-Streuung von Licht Abdrücke, die dem Licht von den Molekülen des Mediums, das das Licht streut, überlagert werden. Und in verschiedenen Substanzen sind diese Prägungen nicht gleich. Dies gab Akademiker Mandelstam das Recht, die Raman-Lichtstreuung als „Sprache der Moleküle“ zu bezeichnen. Diejenigen, die die Spuren von Molekülen auf den Lichtstrahlen lesen können, bestimmen die Zusammensetzung von Streulicht, Moleküle, die diese Sprache verwenden, werden die Geheimnisse ihrer Struktur erzählen.

Auf dem Negativ einer Fotografie des Kombinationsspektrums sind nichts als Linien unterschiedlicher Schwärze. Aber aus diesem Foto wird der Spezialist die Frequenzen der intramolekularen Schwingungen berechnen, die im gestreuten Licht auftraten, nachdem es die Substanz passiert hatte. Das Bild erzählt von vielen bisher unbekannten Aspekten des Innenlebens von Molekülen: von ihrem Aufbau, von den Kräften, die Atome zu Molekülen binden, von den Relativbewegungen der Atome. Indem sie lernten, Raman-Spektrogramme zu entziffern, haben Physiker gelernt, die besondere „Lichtsprache“ zu verstehen, die Moleküle verwenden, um sich selbst zu beschreiben. Die neue Entdeckung ermöglichte es also, tiefer in die innere Struktur von Molekülen einzudringen.

Heute nutzen Physiker die Raman-Streuung, um die Struktur von Flüssigkeiten, Kristallen und glasartigen Substanzen zu untersuchen. Chemiker verwenden diese Methode, um die Struktur verschiedener Verbindungen zu bestimmen.

Methoden zur Untersuchung von Materie unter Verwendung des Phänomens der Raman-Streuung von Licht wurden von Mitarbeitern des Labors der P.N. Lebedew-Akademie der Wissenschaften der UdSSR unter der Leitung von Akademiker Landsberg.

Diese Methoden ermöglichen die schnelle und genaue Durchführung quantitativer und qualitativer Analysen von Flugbenzin, Crackprodukten, Ölraffinerieprodukten und vielen anderen komplexen organischen Flüssigkeiten in einem Werkslabor. Dazu genügt es, die zu untersuchende Substanz zu beleuchten und die Zusammensetzung des von ihr gestreuten Lichts mit einem Spektrographen zu bestimmen. Es scheint sehr einfach. Aber bevor sich diese Methode als wirklich praktisch und schnell herausstellte, mussten Wissenschaftler hart arbeiten, um genaue, empfindliche Geräte zu entwickeln. Und deshalb.

Von der gesamten Lichtenergie, die in die untersuchte Substanz eindringt, entfällt nur ein unbedeutender Teil – etwa ein Zehnmilliardstel – auf den Anteil des Streulichts. Und die Raman-Streuung macht selten auch nur zwei oder drei Prozent dieses Wertes aus. Anscheinend blieb deshalb die Raman-Streuung selbst lange unbemerkt. Und es ist nicht verwunderlich, dass die Aufnahme der ersten Fotografien der Raman-Streuung mehrere zehn Stunden dauernde Belichtungen erforderte.

Moderne Geräte, die in unserem Land hergestellt wurden, ermöglichen es, innerhalb weniger Minuten und manchmal sogar Sekunden ein Raman-Spektrum reiner Substanzen zu erhalten! Auch für die Analyse komplexer Gemische, in denen einzelne Substanzen in Mengen von mehreren Prozent enthalten sind, reicht in der Regel eine Einwirkzeit von nicht mehr als einer Stunde aus.

Siebenunddreißig Jahre sind vergangen, seit Mandelstam und Landsberg, Raman und Krishnan die auf Fotoplatten aufgezeichnete Sprache der Moleküle entdeckt, entziffert und verstanden haben. Seitdem wird weltweit hartnäckig daran gearbeitet, ein „Wörterbuch“ der Sprache der Moleküle zu erstellen, das Optiker den Katalog der Raman-Frequenzen nennen. Wenn ein solcher Katalog erstellt wird, wird die Interpretation der Spektrogramme stark erleichtert, und die Raman-Lichtstreuung wird noch umfassender in den Dienst von Wissenschaft und Industrie gestellt.

Die Relevanz meines Themas liegt darin, dass es für die Zuhörer interessant und nützlich sein wird, weil so viele Menschen den klaren blauen Himmel betrachten, ihn bewundern und nur wenige wissen, warum er so blau ist, was ihm eine solche Farbe verleiht.

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Vorschau:

Einführung. Mit. 3
Hauptteil. Mit. 4-6

Vorschläge von meinen Mitschülern

Die Vermutungen der antiken Wissenschaftler
Moderne Sicht
verschiedene Farben des Himmels
Fazit.

Fazit. Mit. 7
Literatur. Mit. acht

1. Einleitung.

Ich mag es, wenn das Wetter klar und sonnig ist, der Himmel keine einzige Wolke hat und die Farbe des Himmels blau ist. „Ich frage mich“, dachte ich, „warum ist der Himmel blau?“

Forschungsthema:Warum ist der Himmel blau?

Zweck der Studie:Finden Sie heraus, warum der Himmel blau ist?

Forschungsschwerpunkte:

Lernen Sie die Annahmen antiker Wissenschaftler kennen.

Finden Sie den modernen wissenschaftlichen Standpunkt heraus.

Beobachten Sie die Farbe des Himmels.

Studienobjekt- Populärwissenschaftliche Literatur.

Gegenstand der Studie- blaue Farbe des Himmels.

Forschungshypothesen:

Nehmen wir an, Wolken bestehen aus Wasserdampf und Wasser ist blau;

Oder die Sonne hat Strahlen, die den Himmel in einer solchen Farbe malen.

Studienplan:

Enzyklopädien anzeigen;
Suchen Sie Informationen im Internet;
Erinnern Sie sich an die Themen, die auf der ganzen Welt untersucht wurden;
Frag Mutter;
Holen Sie sich die Meinung von Mitschülern ein.

2. Der Hauptteil.

Vorschläge von meinen Mitschülern.

Ich fragte mich, was meine Klassenkameraden auf die Frage sagen würden: Warum ist der Himmel blau? Vielleicht stimmt die Meinung von jemandem mit meiner überein, oder vielleicht wird sie ganz anders sein.

Befragt wurden 24 Schülerinnen und Schüler der 3. Klasse unserer Schule. Die Analyse der Antworten ergab:

8 Schüler schlugen vor, dass der Himmel wegen des Wassers, das von der Erde verdunstet, blau ist;

4 Schüler antworteten, dass die Farbe Blau beruhigt;

4 Schüler denken, dass die Farbe des Himmels von der Atmosphäre und der Sonne beeinflusst wird;

3 Schüler glauben, dass der Weltraum dunkel und die Atmosphäre weiß ist, was zu einer blauen Farbe führt.

2 Schüler glauben, dass ein Sonnenstrahl in der Atmosphäre gebrochen wird und eine blaue Farbe entsteht.

2 Studenten schlugen diese Option vor - die blaue Farbe des Himmels - weil es kalt ist.

1 Schüler - so geht das in der Natur.

Es ist merkwürdig, dass eine meiner Hypothesen mit der häufigsten Meinung der Jungs übereinstimmt - Wolken bestehen aus Wasserdampf und Wasser ist blau.

Vermutungen antiker Wissenschaftler.

Als ich anfing, in der Literatur nach der Antwort auf meine Frage zu suchen, stellte ich fest, dass sich viele Wissenschaftler den Kopf zerbrachen, um eine Antwort zu finden. Viele Hypothesen und Annahmen wurden erfunden.

Zum Beispiel ein alter Grieche auf die Frage: Warum ist der Himmel blau? - Ich würde sofort ohne Zögern antworten: „Der Himmel ist blau, weil er aus reinstem Bergkristall besteht!“ Der Himmel besteht aus wenigen Kristallkugeln, die mit erstaunlicher Genauigkeit ineinander gefügt sind. Und in der Mitte ist die Erde, mit Meeren, Städten, Tempeln, Berggipfeln, Waldwegen, Tavernen und Festungen.

Das war die Theorie der alten Griechen, aber warum dachten sie so? Den Himmel konnte man nicht berühren, man konnte ihn nur anschauen. Anschauen und nachdenken. Und bauen Sie verschiedene Vermutungen auf. Heutzutage würde man solche Vermutungen "wissenschaftliche Theorie" nennen, aber in der Ära der alten Griechen nannte man sie genau das - Vermutungen. Und nach vielen Beobachtungen und noch mehr Überlegungen entschieden die alten Griechen, dass dies eine einfache und schöne Erklärung für ein so seltsames Phänomen wie die blaue Farbe des Himmels war.

Ich beschloss zu überprüfen, warum sie so dachten. Wenn wir ein Stück gewöhnliches Glas hineinlegen, werden wir sehen - es ist durchsichtig. Stapelt man aber einen ganzen Stapel solcher Gläser und versucht, durchzuschauen, sieht man einen Blaustich.

Diese einfache Erklärung für die Farbe des Himmels gibt es seit anderthalbtausend Jahren.

Leonardo da Vinci schlug vor, den Himmel in dieser Farbe zu malen, weil "... Helligkeit über Dunkelheit blau wird ...".

Einige andere Wissenschaftler waren der gleichen Meinung, aber später wurde klar, dass diese Hypothese grundlegend falsch war, denn wenn Sie Schwarz mit Weiß mischen, erhalten Sie wahrscheinlich kein Blau, da die Kombination dieser Farben nur Grau und seine Schattierungen ergibt .

Etwas später im 18. Jahrhundert glaubte man, dass die Farbe des Himmels durch die Bestandteile der Luft gegeben sei. Nach dieser Theorie wurde angenommen, dass die Luft viele Verunreinigungen enthält, da reine Luft schwarz wäre. Nach dieser Theorie gab es noch viele Annahmen und Vermutungen, aber keine konnte sich rechtfertigen.

Moderne Sicht.

Ich wandte mich der Meinung moderner Wissenschaftler zu. Moderne Wissenschaftler haben die Antwort gefunden und bewiesen, warum der Himmel blau ist.

Der Himmel ist nur Luft, diese gewöhnliche Luft, die wir jede Sekunde atmen, die man nicht sehen und berühren kann, weil sie durchsichtig und schwerelos ist. Aber wir atmen durchsichtige Luft, warum nimmt sie über uns eine so blaue Farbe an?

Das ganze Geheimnis lag in unserer Atmosphäre.

Die Sonnenstrahlen müssen eine riesige Luftschicht passieren, bevor sie die Erde erreichen.

Der Strahl der Sonne ist weiß. Und Weiß ist eine Mischung aus farbigen Strahlen. Wie in einem Abzählreim, an dem man sich leicht die Farben des Regenbogens merken kann:

jeder (rot)
Jäger (orange)
Wünsche (gelb)
wissen (grün)
wo (blau)
sitzend (blau)
Fasan (lila)

Ein Sonnenstrahl, der mit Luftpartikeln kollidiert, zerfällt in Strahlen von sieben Farben.

Die roten und orangefarbenen Strahlen sind die längsten und gehen von der Sonne direkt in unsere Augen. Und die blauen Strahlen sind die kürzesten, prallen von Luftpartikeln in alle Richtungen ab und erreichen den Boden von allen anderen am wenigsten. So wird der Himmel von blauen Strahlen durchdrungen.

Verschiedene Farben des Himmels.

Der Himmel ist nicht immer blau. Zum Beispiel sehen wir nachts, wenn die Sonne keine Strahlen aussendet, dass der Himmel nicht blau ist, die Atmosphäre scheint transparent zu sein. Und durch die transparente Luft kann eine Person Planeten und Sterne sehen. Und tagsüber verbirgt die blaue Farbe wieder kosmische Körper vor unseren Augen.

Die Farbe des Himmels ist rot - bei Sonnenuntergang, in wolkiges Wetter weiß oder grau.

Schlussfolgerungen.

Nach meiner Recherche kann ich also folgendes Fazit ziehen:

das ganze Geheimnis liegt in der Farbe des Himmels in unserer Atmosphäre- in der Lufthülle des Planeten Erde.
Der Sonnenstrahl, der die Atmosphäre durchdringt, zerfällt in Strahlen von sieben Farben.
Die roten und orangefarbenen Balken sind die längsten und die blauen Balken die kürzesten..
Blaue Strahlen erreichen die Erde weniger als andere und der Himmel wird dank dieser Strahlen mit blauer Farbe durchdrungen.
Der Himmel ist nicht immer blau.

Hauptsache, ich weiß jetzt, warum der Himmel blau ist. Teilweise bestätigte sich meine zweite Hypothese, die Sonne hat Strahlen, die den Himmel in dieser Farbe färben. Die Vermutungen meiner beiden Klassenkameraden kamen der richtigen Antwort am nächsten.

Einfache Erklärung

Was ist der Himmel?

Der Himmel ist unendlich. Für jede Nation ist der Himmel ein Symbol der Reinheit, weil man glaubt, dass Gott selbst dort lebt. Menschen, die sich dem Himmel zuwenden, bitten um Regen oder umgekehrt um die Sonne. Das heißt, der Himmel ist nicht nur Luft, der Himmel ist ein Symbol für Reinheit und Reinheit.

Himmel - es ist nur Luft, diese gewöhnliche Luft, die wir jede Sekunde atmen, die man nicht sehen und berühren kann, weil sie durchsichtig und schwerelos ist. Aber wir atmen durchsichtige Luft, warum nimmt sie über uns eine so blaue Farbe an? Luft enthält mehrere Elemente, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, verschiedene Staubpartikel, die ständig in Bewegung sind.

Aus physikalischer Sicht

In der Praxis ist der Himmel, wie die Physiker sagen, nur Luft, die von den Sonnenstrahlen gefärbt wird. Einfach gesagt, die Sonne scheint auf die Erde, aber dafür müssen die Sonnenstrahlen eine riesige Luftschicht passieren, die die Erde buchstäblich umhüllt. Und so hat der Sonnenstrahl viele Farben, oder besser gesagt die sieben Farben des Regenbogens. Für diejenigen, die es nicht wissen, sei daran erinnert, dass die sieben Farben des Regenbogens Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett sind.

Darüber hinaus hat jeder Strahl all diese Farben, und wenn er durch diese Luftschicht geht, spritzt er verschiedene Farben des Regenbogens in alle Richtungen, aber die blaue Farbe breitet sich am meisten aus, wodurch der Himmel eine blaue Farbe annimmt. Kurz gesagt, der blaue Himmel ist ein Spray, das einen in dieser Farbe gemalten Strahl abgibt.

Und auf dem Mond

Es gibt keine Atmosphäre und deshalb ist der Himmel auf dem Mond nicht blau, sondern schwarz. Astronauten, die in den Orbit gehen, sehen einen schwarzschwarzen Himmel, an dem Planeten und Sterne funkeln. Natürlich sieht der Himmel auf dem Mond sehr schön aus, aber einen ständig schwarzen Himmel über meinem Kopf möchte ich trotzdem nicht sehen.

Der Himmel verfärbt sich

Der Himmel ist nicht immer blau, er neigt dazu, seine Farbe zu ändern. Dass es mal weißlich, mal bläulich-schwarz ist, ist wohl jedem aufgefallen... Woran liegt das? Nachts zum Beispiel, wenn die Sonne ihre Strahlen nicht aussendet, sehen wir den Himmel nicht blau, die Atmosphäre erscheint uns durchsichtig. Und durch die transparente Luft kann eine Person Planeten und Sterne sehen. Und tagsüber wird die blaue Farbe den mysteriösen Raum wieder zuverlässig vor neugierigen Blicken verbergen.

Verschiedene Hypothesen Warum ist der Himmel blau? (die Hypothesen von Goethe, Newton, Wissenschaftler des XVIII Jahrhunderts, Rayleigh)

Welche Hypothesen wurden nicht aufgestellt? andere Zeit um die Farbe des Himmels zu erklären. Leonardo da Vinci beobachtete, wie der Rauch vor dem Hintergrund eines dunklen Kamins eine bläuliche Farbe annahm, und schrieb: „... Helligkeit über Dunkelheit wird blau, je schöner, desto ausgezeichneter sind Licht und Dunkelheit.“ Er hielt sich ungefähr an dasselbe Standpunkt. Goethe, das war nicht nur weltweit berühmter Dichter, sondern auch der größte Naturforscher seiner Zeit. Diese Erklärung der Himmelsfarbe stellte sich jedoch als unhaltbar heraus, da, wie sich später herausstellte, durch das Mischen von Schwarz und Weiß nur Grautöne, aber keine Farben entstehen können. Blaue Farbe Rauch von einem Kamin wird durch einen völlig anderen Prozess verursacht.

Nach der Entdeckung von Interferenzen, insbesondere in dünnen Schichten, Newton versuchte, Interferenzen anzuwenden, um die Farbe des Himmels zu erklären. Dazu musste er zugeben, dass die Wassertropfen die Form von dünnwandigen Bläschen haben, wie Seifenblasen. Da es sich bei den in der Atmosphäre enthaltenen Wassertröpfchen jedoch um Kugeln handelt, „platzt“ diese Hypothese bald wie eine Seifenblase.

Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts Mariotte, Bouguer, Euler dachte, dass die blaue Farbe des Himmels auf seine eigene Farbe zurückzuführen sei Bestandteile Luft. Diese Erklärung wurde später, bereits im 19. Jahrhundert, sogar bestätigt, als festgestellt wurde, dass flüssiger Sauerstoff eine blaue Farbe und flüssiges Ozon blau ist. O. B. kam einer korrekten Erklärung der Farbe des Himmels am nächsten. Saussure. Er glaubte, wenn die Luft absolut sauber wäre, wäre der Himmel schwarz, aber die Luft enthält Verunreinigungen, die überwiegend blau reflektieren (insbesondere Wasserdampf und Wassertröpfchen). In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Über die Streuung von Licht in Flüssigkeiten und Gasen hat sich eine Fülle von experimentellem Material angesammelt, insbesondere wurde eine der Eigenschaften des vom Himmel kommenden Streulichts, seine Polarisation, entdeckt. Arago war der Erste, der es entdeckte und erforschte. Das war 1809. Später beschäftigten sich Babinet, Brewster und andere Wissenschaftler mit Studien zur Polarisierung des Firmaments. Die Frage nach der Farbe des Himmels erregte die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler so sehr, dass die laufenden Experimente zur Streuung von Licht in Flüssigkeiten und Gasen, die eine viel breitere Bedeutung hatten, unter dem Gesichtspunkt der „Laborreproduktion des Lichts“ durchgeführt wurden blaue Farbe des Himmels.“ Darauf deuten auch die Titel der Arbeiten hin: „Simulation der blauen Farbe des Himmels „Brücke“ oder „Über die blaue Farbe des Himmels die Polarisation des Lichts durch bewölkte Materie im Allgemeinen“ von Tyndall Der Erfolg dieser Experimente lenkte die Gedanken der Wissenschaftler auf den richtigen Weg - die Ursache für die blaue Farbe des Himmels in der Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre zu suchen.

Rayleigh, ein englischer Wissenschaftler, war der erste, der eine kohärente, rigorose mathematische Theorie der molekularen Lichtstreuung in der Atmosphäre aufstellte. Er glaubte, dass die Lichtstreuung nicht an Verunreinigungen auftritt, wie seine Vorgänger dachten, sondern an den Luftmolekülen selbst. Rayleighs erste Arbeit über die Lichtstreuung wurde 1871 veröffentlicht. In seiner endgültigen Form wurde seine Streutheorie, die auf der damals etablierten elektromagnetischen Natur des Lichts beruhte, in der Arbeit „On light from the sky, its polarization und Farbe", veröffentlicht 1899 Für seine Arbeit über die Streuung von Rayleigh-Licht (sein Vollständiger Name John William Strett, Lord Rayleigh III) wird oft als Rayleigh the Scatterer bezeichnet, im Gegensatz zu seinem Sohn Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV wird wegen seines großen Beitrags zur Entwicklung der Atmosphärenphysik Rayleigh Atmospheric genannt. Um die Farbe des Himmels zu erklären, werden wir nur eine der Schlussfolgerungen aus Rayleighs Theorie anführen; wir werden uns mehrmals auf andere beziehen, wenn wir verschiedene optische Phänomene erklären. Diese Schlussfolgerung besagt, dass die Helligkeit oder Intensität des gestreuten Lichts umgekehrt mit der vierten Potenz der Wellenlänge des auf das streuende Teilchen einfallenden Lichts variiert. Daher ist die molekulare Streuung äußerst empfindlich gegenüber der geringsten Änderung der Lichtwellenlänge. Beispielsweise ist die Wellenlänge violetter Strahlen (0,4 Mikrometer) etwa halb so lang wie die Wellenlänge roter Strahlen (0,8 Mikrometer). Daher werden violette Strahlen 16-mal stärker gestreut als rote, und bei gleicher Intensität der einfallenden Strahlen befinden sich 16-mal mehr davon im gestreuten Licht. Alle anderen farbigen Strahlen des sichtbaren Spektrums (Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange) werden im gestreuten Licht in Mengen enthalten sein, die umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge von jedem von ihnen sind. Wenn nun alle farbigen Streustrahlen in diesem Verhältnis gemischt werden, dann ist die Farbe der Streustrahlenmischung blau.

Direktes Sonnenlicht (d. h. Licht, das direkt von der Sonnenscheibe ausstrahlt), das hauptsächlich blaue und violette Strahlen durch Streuung verliert, erhält einen schwachen gelblichen Farbton, der sich intensiviert, wenn die Sonne zum Horizont hinabsteigt. Nun müssen die Strahlen einen immer längeren Weg in der Atmosphäre zurücklegen. Auf einem langen Weg macht sich der Verlust kurzwelliger, also violetter, blauer, blauer Strahlen immer deutlicher bemerkbar, und im direkten Licht von Sonne oder Mond erreichen überwiegend langwellige Strahlen die Erdoberfläche - rote, Orange Gelb. Daher wird die Farbe von Sonne und Mond zuerst gelb, dann orange und rot. Die rote Farbe der Sonne und die blaue Farbe des Himmels sind zwei Folgen desselben Streuprozesses. Bei direktem Licht, nachdem es die Dicke der Atmosphäre passiert hat, bleiben hauptsächlich langwellige Strahlen (rote Sonne) zurück, kurzwellige Strahlen (blauer Himmel) fallen in Streulicht. Also erklärte Rayleighs Theorie das Rätsel sehr klar und überzeugend blauer Himmel und rote Sonne.

Himmel thermische molekulare Streuung