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では、なぜ空は青いのでしょうか？クレイジーなアイデア

空の色は気象条件によって異なり、白っぽいものから濃い青まで変化します。空の色を説明する理論はレイリーによって開発されました。

この理論によれば、空の色は、太陽の光が空気の分子や小さな塵の粒子から繰り返し反射され、大気中に散乱するという事実によって説明されます。異なる長さの光波は分子によって異なる方法で散乱されます。空気分子は主に可視太陽スペクトルの短波長部分を散乱します。青、藍、紫の光線があり、スペクトルの紫部分の強度が青や青の部分に比べて低いため、空は青または青に見えます。

空の著しい明るさは、地球の大気がかなりの厚さを持ち、光が膨大な数の分子によって散乱されるという事実によって説明されます。

たとえば高地で観察する場合、宇宙船観察者の頭上には、光を散乱する分子が少なく希薄な大気層が残り、その結果、空の明るさが減少します。空は暗く見え、高度が上がるにつれて色が変わります。空はより暗く見え、高度が上がるにつれてその色は濃い青から濃い紫に変わります。明らかに、さらに高い高度や大気圏外では、観察者には空が黒く見えます。

空気に比較的大きな粒子が多数含まれている場合、これらの粒子もより長い光波を散乱します。この場合、空は白っぽくなります。雲を構成する大きな水滴、または水の結晶は、すべてのスペクトル色をほぼ均等に散乱するため、曇り空は淡い灰色になります。

これは、ノヴォクズネツク市の上空の気象条件とそれに対応する空の色が記録された観測によって確認されています。

11月28日と29日の空の色の特徴的な色合いは、気温の低下と風の不足によって空気中に集中する産業排出物の存在によるものです。

空の色も性格や色に影響される地球の表面、大気の密度も同様です。

高度に応じて大気密度が減少する指数法則。

気圧の公式は、高度による大気密度の減少を表します。概要; 風、対流、温度変化は考慮されていません。さらに、加速度 g の高さへの依存性を無視できるように、高さが高すぎてはなりません。

気圧計算式は、オーストリアの物理学者ルートヴィヒボルツマンの名前に関連付けられています。しかし、高度に応じて空気密度が指数関数的に減少するという性質を示す最初の兆候は、実際には大気中の光の屈折に関するニュートンの研究に含まれており、更新された屈折表の編集に使用されました。

提示されたグラフは、天体の屈折を研究する過程で、高さによる大気の屈折率の変化の一般的な性質に関するアイデアがどのように洗練されたかを示しています。

ケプラーの理論に相当する
ニュートンのオリジナルの屈折理論
大気中の光の屈折に関する洗練されたニュートン理論と現代理論

大気中の光の屈折

大気は光学的に不均質な媒体であるため、大気中での光線の軌道は常にある程度の曲線になります。光線が大気中を通過するときに曲がることを、大気中での光の屈折といいます。

天体屈折と地球屈折があります。最初のケースでは、天体から地上の観測者に届く光線の曲率が考慮されます。 2 番目のケースでは、地球上の物体から観察者に届く光線の曲率が考慮されます。どちらの場合も、光線の曲がりにより、観察者は現実とは異なる方向にオブジェクトを見る可能性があります。オブジェクトが歪んで見える場合があります。実際に地平線の後ろにある物体であっても観察することは可能です。したがって、地球の大気中での光の屈折は、奇妙な目の錯覚を引き起こす可能性があります。

大気が等しい厚さの光学的に均質な水平層のセットで構成されていると仮定します。屈折率は、ある層から別の層へ急激に変化し、上の層から下の層の方向に徐々に増加します。この純粋に推測的な状況が示されています。

実際には、大気の密度、したがってその屈折率は、高さとともに急激に変化するのではなく、連続的に変化します。したがって、光線の軌跡は破線ではなく曲線となる。

図に示されている光線が何らかの天体から観測者に到達すると仮定します。大気中に光の屈折がなければ、観察者にはこの物体が角度 ά で見えることになります。屈折により、観察者は物体を角度 ά で見るのではなく、角度 φ で見ることになります。 φ ά なので、物体は実際よりも地平線よりも高く見えます。言い換えれば、観測された物体の天頂距離は実際の天頂距離よりも短いということです。差 Ώ = ά – φ は屈折角と呼ばれます。

最新のデータによると、最大屈折角は 35 インチです。

観察者が夕日を見て、発光体の下端がどのように地平線に触れたかを見ると、実際にはこの瞬間この端はすでに地平線から 35 インチ下にあります。興味深いことに、太陽円盤の上端は屈折による上昇が少なく、わずか 29 インチしかありません。そのため、夕日は垂直に少し平らになって見えます。

素晴らしい夕日

光の屈折を考慮するときは、高さによる空気密度の体系的な変化に加えて、多くの追加要因を考慮する必要がありますが、その多くは本質的に非常にランダムです。私たちは、対流と風の空気の屈折率、地表のさまざまな部分の大気中のさまざまな地点での気温への影響について話しています。

大気の状態の特徴、そして何よりも、地球の表面のさまざまな部分の下層における大気の加熱の特徴が、観察される夕日のユニークさにつながります。

ブラインドレーン。時々、太陽が地平線の後ろではなく、地平線の上にある目に見えない線の後ろに沈むように見えます。この現象は、地平線上に雲がないときに観察されます。この時期に丘の頂上に登ると、さらに奇妙な光景を観察することができます。太陽が地平線の彼方に沈みますが、同時に太陽円盤が水平の「ブラインドストリップ」によって遮られているように見えます。地平線に対する位置は変わりません。目撃者によると、こうした異常な夕日は、沿海地方のボリショイ・カメン村やクラスノダール地方のソチなど、地理的に異なる地域で見られるという。

この写真は、地球自体の近くの空気が冷たく、その上に比較的暖かい空気の層がある場合に観察されます。この場合、空気の屈折率は高さとともにほぼグラフに示すように変化します。下層の冷たい空気層からその上にある暖かい空気層への移行により、屈折率がかなり急激に低下する可能性があります。話を簡単にするために、この衰退は突然起こり、したがって、地球の表面から一定の高さ h1 の位置に、寒層と暖層の間に明確に定義された境界面が存在すると仮定します。図中、nx は冷たい層の空気の屈折率を示し、nt は冷たい層との境界付近の暖かい層の屈折率を示します。

空気の屈折率は単一とほとんど変わらないため、より明確にするために、この図の縦軸は屈折率自体の値ではなく、単一を超える超過を示します。違いn-1。

図４ｂ）に示された屈折率の変化の図は、図５の光線経路を構築する際に使用された。図５は、地球の表面の一部とそれに隣接する厚さｈ０の冷たい空気の層を示している。

φをゼロから徐々に大きくすると、角度α2も増加します。特定の値 φ = φ´ で、角度 α2 が冷たい層と暖かい層の境界での全内部反射に対応する限界角度 αο に等しくなる、と仮定します。この場合、sin α1 = 1 です。角度 αο は、図 5 のビーム BA に対応します。水平線と角度 β = 90˚ - φ´ を形成します。観測者は、地平線からの角高さが点 B の角高さより小さい点で冷たい層に入る光線を受け取りません。角度βより小さい。これは盲点を説明します。

緑色の光線。緑色の光線は、非常に壮観な緑色の光のフラッシュであり、日没や日の出時に観察されることがあります。フラッシュ持続時間はわずか 1 ～ 2 秒です。この現象は次のとおりです。太陽が晴れた空に沈む場合、空気が十分に透明であれば、太陽の最後に見える点の色が淡い黄色またはオレンジがかった赤色から明るい緑色に急速に変化する様子を観察できることがあります。日の出時にも同じ現象が観察されますが、逆の順序で交互の色。

緑色の光線の出現は、光の周波数による屈折率の変化を考慮することで説明できます。

通常、屈折率は周波数が増加するにつれて増加します。屈折周波数が高い光線はより強力です。これは、青緑色の光線が赤色の光線に比べて強い屈折を受けることを意味します。

大気中で光の屈折はあるが、光の散乱はないと仮定します。この場合、地平線に近い太陽円盤の上端と下端は虹の色で着色されなければなりません。太陽光のスペクトルには緑と赤の 2 色だけがあるとします。この場合、「白い」太陽円盤は、緑と赤の円盤が重なった形と考えることができます。大気中での光の屈折により、緑色の円盤は赤色の円盤よりも地平線の上に大きく持ち上げられます。したがって、観察者は図に示すように夕日を見なければなりません。 6a) 。太陽円盤の上端は緑色、下端は赤色になります。円盤の中央部分では、色の混合が観察されます。白色が観察されます。

実際には、大気中での光の散乱を無視することはできません。これは、より高い周波数の光線が太陽から来る光線からより効率的に除去されるという事実につながります。そのため、円盤上部の緑色の境界線は見えなくなり、円盤全体が白ではなく赤みがかって見えます。しかし、太陽円盤のほぼ全体が地平線の外に出て、その最上端だけが残り、天気が晴れて穏やかで、空気がきれいであれば、この場合、観察者は太陽の明るい緑色の端を見ることができます。明るい緑色の光線の散乱とともに

見て理解する喜び
それは自然の最も美しい贈り物です。
アルバート・アインシュタイン

空の青の謎

なぜ空は青いのでしょうか？...

人生で一度でもこのことを考えたことがない人はいないでしょう。中世の思想家はすでに空の色の起源を説明しようとしました。彼らの中には、青が空気またはその構成ガスの本当の色であると示唆する人もいました。空の本当の色は夜に見える黒だと考える人もいます。日中は、空の黒と白が組み合わさります。太陽の光、そしてそれは…青であることがわかりました。

さて、おそらく、青い絵の具を手に入れたいのに、黒と白を混ぜるという人には会わないでしょう。そして、色の混合の法則がまだ明確ではなかった時代がありました。ちょうど 300 年前にニュートンによって設置されました。

ニュートンも紺碧の空の謎に興味を持つようになりました。彼はこれまでの理論をすべて否定することから始めました。

まず、白と黒を混ぜても青は決して生まれないと彼は主張した。第二に、青は空気の本当の色ではありません。もしそうなら、日没時の太陽と月は実際には赤く見えず、青く見えることになります。遠くの雪山の頂上はこんな感じです。

空気が色付いていると想像してください。たとえそれが非常に弱いとしても。そうすれば、その厚い層は塗装されたガラスのように機能します。そして、塗装されたガラスを通して見ると、すべての物体はこのガラスと同じ色に見えるでしょう。私たちの目には、遠くにある雪の峰がまったく青に見えず、ピンク色に見えるのはなぜでしょうか。

前任者との論争では、真実はニュートンの側にあった。彼は空気には色がないことを証明した。

しかし、それでも彼は蒼天の謎を解くことはできなかった。彼は、自然界で最も美しく詩的な現象の 1 つである虹に当惑しました。なぜ突然現れたり、突然消えたりするのでしょうか？ニュートンは、一般に広まっている迷信に満足できませんでした。虹は天からのしるしであり、予告するものです。いい天気。彼はあらゆる現象の物質的な原因を見つけようとしました。彼は虹の理由も見つけました。

虹は雨滴の光の屈折の結果です。これを理解したニュートンは、虹の弧の形状を計算し、虹の色の順序を説明することができました。彼の理論では二重の虹の出現だけを説明することはできませんでしたが、これは非常に複雑な理論の助けを借りてわずか 3 世紀後に行われました。

虹理論の成功はニュートンに催眠術をかけました。彼は空の青さと虹の色が同じ理由によるものであると誤って判断しました。虹が実際に現れるのは、太陽の光が雨粒の群れを突き抜けたときです。しかし、空の青さは雨の中でだけ見えるわけではありません。逆に、雨が降っていない晴天のときは、空が特に青く見えます。どうして偉大な科学者はこれに気付かなかったのでしょうか？ニュートンは、彼の理論によれば、虹の青い部分だけを形成する小さな水の泡が、どんな天候でも空気中に浮遊すると考えました。しかし、これは妄想でした。

最初の解決策

ほぼ 200 年が経過し、別の英国の科学者がこの問題に取り組みました。レイリーは、この課題が偉大なニュートンでさえも及ばないことを恐れませんでした。

レイリーは光学を勉強しました。そして、光の研究に人生を捧げる人は、多くの時間を暗闇の中で過ごします。外来光は最も精緻な実験の妨げとなるため、光学実験室の窓はほとんどの場合、黒い透過不可能なカーテンで覆われています。

レイリーは、機器から光線が漏れる中、一人で薄暗い研究室に何時間も留まり続けた。光線の経路では、それらは生きた塵の斑点のように渦巻いていました。それらは明るく照らされていたため、暗い背景に対して目立ちました。科学者は、人が暖炉の中で火花が飛び交うのを眺めるのと同じように、彼らの滑らかな動きを思慮深く観察して長い時間を費やしたのかもしれません。

レイリーに空の色の起源についての新しい考えを示唆したのは、光線の中で踊るこれらの塵の斑点ではなかったでしょうか?

古代でも、光は直進することが知られていました。この重要な発見は、原始人が小屋の隙間から太陽光線が壁や床に降り注ぐ様子を観察してなされた可能性があります。

しかし、横から見るとなぜ光線が見えるのかということを彼が気にしたことはおそらくないだろう。そしてここで考えるべきことがある。結局のところ、日光は亀裂から床に差し込みます。観察者の目は横にありますが、それでもこの光が見えます。

空に向けられたスポットライトからの光も見えます。これは、光の一部が何らかの理由で直接の経路から逸脱し、私たちの目に向けられていることを意味します。

何が彼を迷わせてしまうのでしょうか？これらは、空気中に満ちているまさに塵の粒であることがわかりました。塵や光線によって散乱された光線は私たちの目に入り、障害物に遭遇すると道路から外れ、散乱する塵の点から私たちの目にまで直線的に広がります。

「空を青く染めているのは、この塵の粒でしょうか？」 ――レイリーはある日こう思った。彼は計算を行ったところ、推測が確信に変わりました。彼は、空の青い色、夜明けの赤い色、霞の青い色の説明を見つけました。もちろん、光の波長よりもサイズが小さい小さな塵の粒子は太陽光を散乱し、その波長が短いほどより強く散乱する、とレイリーは 1871 年に発表しました。そして、可視太陽スペクトルの紫色と青色の光線は最も波長が短いため、最も強く散乱され、空に青色を与えます。

太陽と雪の山はレイリーのこの計算に従いました。彼らは科学者の理論を裏付けさえしました。レイリーの理論によれば、太陽光が最も厚い空気を通過する日の出と日没のとき、紫と青の光線が最も強く散乱されるという。同時に、それらはまっすぐな道から外れてしまい、観察者の目に留まりません。観察者には主に赤い光線が見えますが、それよりもはるかに弱く散乱されます。日の出や日の入りのときに太陽が赤く見えるのはこのためです。同じ理由で、遠くの雪山の頂上もピンク色に見えます。

見つめている晴天、私たちは、直線の経路から散乱して目に入る青青色の光線を見ます。そして、地平線近くに時々見えるもやも私たちには青く見えます。

迷惑な些細なこと

とても美しい説明ではありませんか？レイリー自身もそれに非常に夢中になっており、科学者たちは理論の調和とニュートンに対するレイリーの勝利に非常に驚いていたため、誰も1つの単純なことに気づきませんでした。しかし、この些細なことで彼らの評価は一変したはずだ。

都市から遠く離れた場所では、空気中の塵がはるかに少なく、空の青い色が特に澄んでいて明るいことを誰が否定するでしょうか。レイリー自身もこれを否定するのは困難でした。したがって...光を散乱させるのは塵の粒子ではないでしょうか? じゃあ何？

彼はすべての計算を再度見直し、方程式が正しいことを確信しましたが、これは散乱粒子が確かに塵粒子ではないことを意味しました。さらに、空気中に存在する塵の粒子は光の波長よりもはるかに長く、それらが大量に蓄積しても空の青さは強化されず、逆に弱くなることが計算によりレイリーに確信されました。大きな粒子による光の散乱は波長に弱く依存するため、色の変化は引き起こされません。

光が大きな粒子で散乱されると、散乱光も透過光も白色のままであるため、空気中の大きな粒子の出現により空が白っぽくなり、蓄積すると大量大きな水滴は雲や霧の白い色を引き起こします。これは普通のタバコで簡単に確認できます。吸い口から出る煙は常に白っぽく見え、燃焼端から立ち上る煙は青みがかっています。

紙巻きタバコの燃え端から立ち上る煙の最小の粒子は光の波長より小さく、レイリーの理論によれば、主に紫と青の色を散乱します。しかし、タバコの厚さの狭い溝を通過すると、煙の粒子が互いにくっつき（凝固し）、より大きな塊に結合します。それらの多くは光の波長よりも大きくなり、光のすべての波長をほぼ均等に散乱します。マウスピースから出る煙が白っぽく見えるのはこのためです。

そうです、塵のようなものに基づいて理論を議論したり擁護したりすることは無駄でした。

それで、空の青い色の謎が再び科学者たちの前に生じました。しかしレイリーは諦めなかった。もし空の青い色が大気が純粋であればあるほどより純粋で明るいのであれば、空の色は空気自体の分子以外の何物によって引き起こされることはあり得ない、と彼は推論した。彼は新しい記事の中で、空気分子は太陽の光を散乱させる最小の粒子であると書いています。

今回のレイリーはとても慎重だった。新しいアイデアを報告する前に、彼は理論を経験と何らかの方法で比較するために、それをテストすることにしました。

その機会は 1906 年に訪れました。レイリーは、ウィルソン山天文台で空の青い輝きを研究していたアメリカの天体物理学者アボットによって助けられました。アボットは、空の明るさの測定結果をレイリー散乱理論に基づいて処理することにより、空気 1 立方センチメートルあたりに含まれる分子の数を計算しました。すごい数になったことが判明しました！これらの分子を地球上に住むすべての人々に配布すると、全員が 100 億個以上のこれらの分子を手に入れることになると言えば十分でしょう。つまり、アボットは、通常の大気温度および常圧における空気 1 立方センチメートルあたりに、10 億倍の 270 億個の分子が含まれていることを発見しました。

気体1立方センチメートル中の分子の数を求めることができる違う方法全く異なる独立した現象に基づいています。それらはすべて厳密に一致する結果につながり、ロシュミット数と呼ばれる数値を与えます。

この数値は科学者にはよく知られており、ガス内で起こる現象を説明する際の尺度や制御として何度も役立ってきました。

そのため、アボットが空の輝きを測定したときに得た数値は、ロシュミットの数値と非常に正確に一致しました。しかし、計算ではレイリー散乱理論を使用しました。したがって、これは理論が正しく、光の分子散乱が実際に存在することを明らかに証明しました。

レイリーの理論は経験によって確実に確認されているように見えました。すべての科学者はそれが完璧であると考えました。

それは一般に受け入れられ、すべての光学教科書に掲載されました。とてもよく知られていると同時に謎に満ちた現象の説明がついに見つかったのだ。

1907 年に有名な科学雑誌のページで、「空はなぜ青いのか?!」という疑問が再び提起されたことは、さらに驚くべきことです。

紛争

一般に受け入れられているレイリー理論に敢えて疑問を呈したのは誰でしょうか?

奇妙なことに、これはレイリーの最も熱烈な崇拝者であり崇拝者の一人でした。おそらく、ロシアの若い物理学者レオニード・マンデルシュタムほどレイリーを高く評価し、理解し、彼の研究を熟知し、彼の科学的研究に興味を持った人は誰もいなかったのでしょう。

「レオニード・イサーコビッチの精神の性格だ」と、別のソ連の科学者、アカデミアン・NDは後に回想した。パパレクシ - レイリーと多くの共通点がありました。そして、彼らの科学的創造性の道がしばしば並行し、繰り返し交差したことは偶然ではありません。

今回も空の色の由来について二人は頭を悩ませた。それ以前は、マンデルシュタムは主に無線工学に興味を持っていました。私たちの世紀の初め、これはまったく新しい科学分野であり、それを理解している人はほとんどいませんでした。 A.S.の発見後ポポフ（1895年）はまだ数年しか経っていなかったが、仕事の終わりには終わりがなかった。後ろに短い期間マンデルシュタムは、無線工学装置に関連した電磁振動の分野で多くの本格的な研究を実施しました。 1902 年に彼は博士論文の弁論を行い、23 歳で博士号を取得しました。自然哲学ストラスブール大学。

マンデルシュタムは、電波の励起の問題を扱う一方で、当然のことながら、振動過程の研究の権威として認められていたレイリーの著作を研究しました。そして若い医師は必然的に空の色の問題を知るようになりました。

しかし、空の色の問題に精通したマンデルシュタムは、一般に受け入れられているレイリーの分子光散乱理論の誤謬、あるいは彼自身が言ったように「不適切」を示しただけでなく、その秘密を明らかにしただけでなく、空の青い色の特徴であるだけでなく、20 世紀の物理学の最も重要な発見の 1 つにつながる研究の基礎も築きました。

それはすべて、偉大な物理学者の一人、量子論の父である M. プランクとの欠席中の論争から始まりました。マンデルシュタムがレイリーの理論を知ったとき、その寡黙さと内部矛盾に彼は魅了されましたが、若い物理学者が驚いたことに、経験豊富な老レイリーはそれに気づきませんでした。レイリー理論の不十分さは、光学的に均質な透明媒体を通過するときの光の減衰を説明するためにプランクによって構築された別の理論を分析したときに特に明らかになりました。

この理論では、光が通過する物質の分子そのものが二次波の発生源であるという基礎がとられました。これらの二次波を生成するには、通過する波のエネルギーの一部が消費され、減衰するとプランクは主張しました。この理論は分子散乱のレイリー理論に基づいており、その権威に依存していることがわかります。

物事の本質を理解する最も簡単な方法は、水面の波を見ることです。波が静止または浮遊する物体 (杭、丸太、ボートなど) に遭遇すると、小さな波がこれらの物体から全方向に散乱します。これでは散乱以外の何ものでもありません。入射波のエネルギーの一部は二次波の励起に費やされ、これは光学における散乱光に非常に似ています。この場合、最初の波は弱くなり、消えていきます。

浮遊物体は、水中を伝わる波長よりもはるかに小さい場合があります。小さな粒子でも二次波を引き起こします。もちろん、粒子サイズが小さくなると、粒子が形成する二次波は弱まりますが、それでも主波のエネルギーを奪います。

これは、プランクが光波が気体を通過する際に弱まる過程を想像した方法の大まかですが、彼の理論における粒子の役割は気体分子によって演じられました。

マンデルシュタムはプランクのこの作品に興味を持ちました。

マンデルシュタムの一連の思考は、水面の波の例を使って説明することもできます。もっと注意深く観察する必要があります。したがって、水面に浮いている小さな粒子も二次波の発生源となります。しかし、これらの粒が水面全体を覆うほど厚く注がれたらどうなるでしょうか? すると、多数の粒子によって引き起こされる個々の二次波が積み重なり、側面や後方に走る波の部分が完全に消滅し、散乱が止まることがわかります。残るのは前進する波だけだ。全く衰えずに突っ走っていきます。粒子全体が存在することによる唯一の結果は、一次波の伝播速度がわずかに低下することです。特に重要なのは、これらすべてが穀物が静止しているかどうか、または水面に沿って移動しているかどうかに依存しないことです。粒子の集合体は単純に水面上の負荷として作用し、上層の密度を変化させます。

マンデルシュタムは、空気中の分子の数が非常に多く、光の波長のような小さな領域にも非常に多くの分子が存在する場合について数学的計算を行いました。大きな数分子。この場合、個々の無秩序に動く分子によって励起された二次光波が、粒子の例の波と同じように合計されることが判明しました。これは、この場合、光波は散乱や減衰なしで、わずかに遅い速度で伝播することを意味します。これは、あらゆる場合において散乱粒子の動きが波の散乱を保証すると信じていたレイリーの理論に反駁し、したがってそれに基づくプランクの理論を反駁しました。

このようにして、飛散理論の基礎のもとに砂が発見されたのです。荘厳な建物全体が揺れ始め、倒壊の恐れがありました。

偶然

しかし、空の青い輝きの測定からロシュミット数を決定する場合はどうなるでしょうか? 結局のところ、経験によってレイリー散乱理論が確認されました。

「この偶然は偶然と考えるべきだ」とマンデルシュタムは 1907 年に著書『光学的に均質で混濁した媒体について』に書いています。

マンデルシュタムは、分子のランダムな動きによってガスを均一にすることはできないことを示しました。それどころか、実際の気体では、無秩序な熱運動の結果として常に小さな希薄化と圧縮が形成されます。それらは空気の光学的均一性を乱すため、光の散乱を引き起こすのです。同じ著作の中で、マンデルシュタムは次のように書いています。

「媒体が光学的に不均質である場合、一般的に言って、入射光も側面に散乱されます。」

しかし、カオス的な運動の結果として生じる不均一性のサイズは光の波の長さよりも小さいため、スペクトルの紫と青の部分に対応する波が主に散乱します。そして、これは特に空の青色につながります。

こうして、ついに紺碧の空の謎が解けた。理論的な部分はレイリーによって開発されました。散乱体の物理的性質はマンデルスタムによって確立されました。

マンデルシュタムの大きな功績は、気体が完全に均一であるという仮定が気体中での光の散乱という事実と矛盾することを証明したという事実にある。彼は、空の青い色は、ガスの均一性が見かけ上だけであることを証明していることに気づきました。より正確に言うと、気圧計、体重計、または一度に何十億もの分子の影響を受けるその他の機器など、粗末な機器で検査した場合にのみ、ガスが均一であるように見えます。でも光線は比べものにならないほどに感じられる少量の分子はわずか数万個で測定されます。そしてこれは、ガスの密度が局所的に小さな変化を継続的に受けていることを疑いの余地なく証明するのに十分です。したがって、私たちの「大まかな」観点から均質である媒体は、実際には異質です。「光の観点」からは曇って見えるため、光が散乱します。

分子の熱運動に起因する物質の性質のランダムな局所的変化は、現在では「ゆらぎ」と呼ばれています。分子光散乱のゆらぎの起源を解明したマンデルシュタムは、物質を研究する新しい方法、つまりゆらぎまたは統計的方法への道を切り開きました。この方法は、後にスモルコウスキー、ローレンツ、アインシュタイン、そして彼自身によって新しい大きな物理学の部門として開発されました。統計物理学。

空がきらめくはずです！

それで、空の青い色の謎が明らかになりました。しかし、光散乱の研究はそこで終わりませんでした。マンデルシュタムは、空気密度のほとんど知覚できない変化に注目し、光の変動散乱によって空の色を説明し、科学者としての鋭い感覚をもって、このプロセスのさらに微妙な新しい特徴を発見しました。

結局のところ、空気の不均一性は密度のランダムな変動によって引き起こされます。これらのランダムな不均一性の大きさと塊の密度は時間の経過とともに変化します。したがって、科学者は、強度 (散乱光の強さ) も時間の経過とともに変化するはずだと推論しました。結局のところ、分子の塊の密度が高くなるほど、それらに散乱される光の強度も強くなります。そして、これらの塊が無秩序に現れたり消えたりするので、簡単に言うと、空がきらめくはずです。その輝きの強さと色は常に変化するはずです (ただし、非常に弱いです)。しかし、そのようなちらつきに気づいた人はいますか? もちろん違います。

この効果は非常に微妙であるため、肉眼では認識できません。

科学者の誰も空の輝きのそのような変化を観察していません。マンデルシュタム自身には、彼の理論の結論を検証する機会がありませんでした。複雑な実験の組織化は、まず帝政ロシアの貧弱な状況によって妨げられ、次に革命の最初の数年間の困難、外国の介入、内戦によって妨げられた。

1925 年、マンデルシュタムはモスクワ大学の学部長に就任しました。ここで彼は、優れた科学者で熟練した実験者のグリゴリー・サムイロヴィッチ・ランズバーグと会いました。そして、深い友情と共通の科学的関心によって結ばれ、彼らは共に散乱光のかすかな光線に隠された秘密への攻撃を続けた。

当時の大学の光学研究室はまだ機器が非常に貧弱でした。大学には空のちらつきや、理論がこのちらつきの結果であると予測した入射光と散乱光の周波数の小さな違いを検出できる機器はひとつもありませんでした。

しかし、これでも研究者たちは止まりませんでした。彼らは実験室環境で空をシミュレートするという考えを放棄しました。これでは、すでに微妙な体験がさらに複雑になるだけです。彼らは、白色の複雑な光の散乱ではなく、厳密に定義された 1 つの周波数の光線の散乱を研究することにしました。入射光の周波数を正確に知っていれば、散乱中に発生するはずのそれに近い周波数を探すのがはるかに簡単になります。さらに、この理論は、固体中の分子は気体中よりもはるかに接近しており、物質の密度が高くなるほど散乱も大きくなるため、固体中での観察が容易であることを示唆しました。

最適な素材を求めて、綿密な調査が始まりました。最終的には水晶が選択されました。それは単純に、大きな透明な水晶が他の水晶よりも手頃な価格だからです。

準備実験は 2 年間続き、最も純粋な結晶サンプルが選択され、技術が改良され、石英分子上の散乱とランダムな内包物、結晶の不均質性、不純物上の散乱を疑いなく区別できる兆候が確立されました。

機知と仕事

スペクトル分析用の強力な機器が不足していたため、科学者たちは既存の機器の使用を可能にする独創的な回避策を選択しました。

この研究の主な困難は、分子散乱によって引き起こされる弱い光に、実験のために得られた結晶サンプル内の小さな不純物やその他の欠陥によって散乱される非常に強い光が重ね合わされることでした。研究者らは、結晶の欠陥や設備のさまざまな部分からの反射によって形成される散乱光が入射光の周波数と正確に一致するという事実を利用することにしました。彼らはマンデルシュタムの理論に従って周波数が変化した光にのみ興味を持っていたため、その課題は、このより明るい光を背景にして、分子散乱によって引き起こされた周波数が変化した光を強調することでした。

散乱光が検出可能な大きさであることを確認するために、科学者たちは、利用可能な最も強力な照明装置である水銀ランプで石英を照らすことにしました。

したがって、結晶内で散乱される光は 2 つの部分で構成されているはずです。分子の散乱によって周波数が変化した弱い光 (この部分の研究が科学者の目標でした)、および外部の原因によって引き起こされた周波数が変化していないはるかに強い光 (これは一部は有害であり、研究が困難でした）。

この方法のアイデアは、そのシンプルさゆえに魅力的でした。一定の周波数の光を吸収し、変化した周波数の光だけを分光装置に通す必要があります。しかし、周波数の差はわずか数千分の 1 パーセントでした。これほど近い周波数を分離できるフィルターを持った研究室は世界中にありませんでした。ただし、解決策は見つかりました。

散乱光は水銀蒸気の入った容器を通過しました。その結果、「有害な」光はすべて容器内に「閉じ込められ」、「有用な」光は目立った減衰なく通過しました。実験者たちは、すでに知られている状況を利用しました。量子物理学が主張するように、物質の原子は非常に特定の周波数でのみ光波を放射することができます。同時に、この原子は光を吸収することもできます。しかも、彼自身が発することができるのはその周波数の光波だけです。

水銀ランプでは、ランプ内で発生する放電の影響で光る水銀蒸気によって光が放出されます。この光が水銀蒸気を含む容器を通過すると、ほぼ完全に吸収されます。理論が予測していることが起こります。容器内の水銀原子は、ランプ内の水銀原子が発する光を吸収します。

ネオンランプなどの他の光源からの光は、水銀蒸気を無害に通過します。水銀原子はそれに注意さえしません。世界のその部分すら吸収されない水銀灯、波長の変化とともに石英内で散乱します。

マンデルシュタムとランズバーグはこの都合の良い状況を利用した。

驚くべき発見

1927 年に決定的な実験が始まりました。科学者たちは水銀灯の光で水晶を照らし、その結果を処理しました。そして...彼らは驚きました。

実験の結果は予想外で珍しいものでした。科学者たちが発見したものは、彼らが期待していたものではなく、理論で予測されたものでもありませんでした。彼らは全く新しい現象を発見しました。しかし、どれでしょうか？そして、これは間違いではないでしょうか？散乱光は予想された周波数を明らかにしませんでしたが、はるかに高い周波数と低い周波数を明らかにしました。周波数の完全な組み合わせが、石英に入射する光には存在しない散乱光のスペクトルに現れました。石英の光学的不均一性によってその外観を説明することはまったく不可能でした。

徹底したチェックが始まりました。実験は完璧に行われました。それらは非常に機知に富み、完璧で、創意に富んだものであったため、賞賛せずにはいられませんでした。

「レオニード・イサーコビッチは、時には非常に難しい技術的問題を非常に美しく、時には見事に簡単に解決したため、私たち一人一人が思わず「なぜこれまで思いつかなかったのですか?」という質問をしました。 – 従業員の一人は言います。

さまざまな対照実験により、エラーがないことが何度も確認されました。散乱光のスペクトルの写真では、弱いながらも非常に明白な線が持続的に現れ、散乱光に「余分な」周波数が存在することを示しています。

何ヶ月もの間、科学者たちはこの現象の説明を探してきました。散乱光のどこに「エイリアン」の周波数が現れたのでしょうか?!

そしてマンデルシュタムが驚くべき推測に襲われる日がやって来た。そうだった驚くべき発見、現在20世紀で最も重要な発見の1つと考えられているのと同じことです。

しかし、マンデルシュタム氏とランズバーグ氏は、現象の深部を徹底的に調査し、しっかりとしたチェックを行った後にのみこの発見を出版できるという満場一致の決定に達した。最後の実験が始まりました。

太陽の助けを借りて

2月16日、インドの科学者C.N. ラマンとK.S. クリシュナンはカルカッタから本誌に次のような電報を送った。簡単な説明彼の発見について。

当時、ネイチャー誌には世界中からさまざまな発見に関する手紙が殺到しました。しかし、すべてのメッセージが科学者たちの間で興奮を引き起こす運命にあるわけではありません。インドの科学者からの手紙に関する問題が出たとき、物理学者たちは非常に興奮しました。「新しいタイプの二次放射線」というメモのタイトルだけでも興味を呼び起こしました。結局のところ、光学は最も古い科学の 1 つであり、20 世紀には光学で未知のものを発見できることはほとんどありませんでした。

世界中の物理学者がカルカッタからの新たな手紙をどれほどの関心をもって待っていたか想像できるだろう。

彼らの関心は、この発見の著者の一人、ラマンのまさに人柄によって大いに刺激されました。この人は、アインシュタインとよく似た、数奇な運命と並外れた伝記を持った人物です。若い頃のアインシュタインは、単なる体育館の教師で、その後は特許庁の職員でした。彼が最も重要な作品を完成させたのはこの期間でした。優秀な物理学者であるラマンも大学卒業後、10年間財務局で勤務することを強制され、その後初めてカルカッタ大学の学部に招待されました。ラマンはすぐにインドの物理学者学派の名門頭として認められるようになった。

説明された出来事の少し前に、ラマンとクリシュナンは興味深い仕事に興味を持ち始めました。当時、1923 年にアメリカの物理学者コンプトンの発見によって引き起こされた情熱は、物質を通る X 線の通過を研究中に、これらの線の一部が元の方向から側面に散乱し、その波長が増加することを発見しました。、まだ収まっていませんでした。光学の言葉に翻訳すると、X線が物質の分子に衝突すると、その「色」が変化すると言えます。

この現象は量子物理学の法則によって簡単に説明できます。したがって、コンプトンの発見は、若い量子理論の正しさの決定的な証明の 1 つでした。

私たちは同様のことを光学分野で試してみることにしました。インドの科学者によって発見されました。彼らは、光を物質に通過させ、その光線が物質の分子上でどのように散乱するか、またその波長が変化するかどうかを確認したいと考えていました。

おわかりのとおり、インドの科学者は、自発的か否かにかかわらず、ソ連の科学者と同じ課題を自らに課しました。しかし、彼らの目標は違っていました。カルカッタでは、コンプトン効果の光学的類似点を探していました。モスクワにて - 変動する不均一性によって光が散乱されるときの周波数の変化についてのマンデルシュタームの予測が実験的に確認されました。

ラマンとクリシュナンは、期待される効果が非常に小さかったため、複雑な実験を計画しました。実験には非常に明るい光源が必要でした。そして彼らは太陽を利用し、望遠鏡を使ってその光を集めることにしました。

レンズの直径は18センチメートルでした。研究者らは、集めた光をプリズムを通して、塵やその他の汚染物質を徹底的に取り除いた液体や気体が入った容器に向けた。

しかし、考えられるほぼすべての波長を含む白色太陽光を使用して、予想される散乱光の小さな波長拡張を検出することは絶望的でした。したがって、科学者は光フィルターを使用することにしました。彼らはレンズの前に青紫色のフィルターを置き、黄緑色のフィルターを通して散乱光を観察しました。彼らは、最初のフィルターが通過したものが 2 番目のフィルターに引っかかると正しく判断しました。結局のところ、黄緑フィルターは、最初のフィルターが透過した青紫光線を吸収します。そして、両方を前後に配置すると、すべての入射光を吸収するはずです。いくつかの光線が観察者の目に入る場合、それらは入射光の中でではなく、研究中の物質の中で生まれたと自信を持って言うことができます。

コロンバス

実際、ラマンとクリシュナンは散乱光の中で、2 番目のフィルターを通過する光線を検出しました。彼らは余分な周波数を録音しました。これは基本的に次のとおりである可能性があります光学効果コンプトン。つまり、青紫光は、血管内にある物質の分子上で散乱すると、色が変化して黄緑色になる可能性があります。しかし、これはまだ証明する必要がありました。黄緑色のライトが表示される原因は他にもある可能性があります。たとえば、光、熱、その他の原因の影響下で液体や固体によく現れるかすかな輝きであるルミネッセンスの結果として現れる可能性があります。明らかに、一つのことがありました - この光は再び生まれました、それは落ちる光に含まれていませんでした。

科学者たちは、6 つの異なる液体と 2 種類の蒸気を使って実験を繰り返しました。彼らは、ここでは発光も他の理由も関係ないと確信していました。

可視光が物質中で散乱すると波長が長くなるという事実は、ラマンとクリシュナンにとって確立されたものであると思われました。彼らの捜索は成功したかに見えた。彼らはコンプトン効果の光学的類似物を発見しました。

しかし、実験を完成形にし、十分に説得力のある結論を得るには、もう 1 つの作業を行う必要がありました。波長の変化を検出するには十分ではありませんでした。この変化の大きさを測定する必要がありました。最初のステップは光フィルターによって助けられました。彼には二番目のことをする力がなかった。ここで科学者たちは分光器、つまり研究対象の光の波長を測定できる装置を必要としていました。

そして研究者たちは、同様に複雑で骨の折れる第二部を開始した。しかし、彼女は彼らの期待にも応えました。その結果、研究の最初の部分の結論が再び確認されました。しかし、その波長は思いのほか大きかった。予想をはるかに上回りました。研究者たちはこれに悩まされませんでした。

ここでコロンブスを思い出さないわけがありません。彼は見つけようとしました海路インドに行き、その土地を見たとき、彼は目標を達成したことに何の疑いもありませんでした。赤い住民と新大陸の見慣れない性質を見て、彼に自信を疑う理由はあったのだろうか？

ラマンとクリシュナンが、可視光でコンプトン効果を発見する探求の中で、液体や気体を通過する光を調べることでそれを発見したと考えたのは本当ではないでしょうか?! 散乱線の波長に予期せぬ大きな変化が測定で示されたとき、彼らは疑問を抱きましたか? 彼らはその発見からどのような結論を導き出したのでしょうか?

インドの科学者らによると、彼らは探していたものを見つけたという。 1928 年 3 月 23 日、「コンプトン効果の光学的アナロジー」というタイトルの記事を含む電報がロンドンに届きました。科学者たちは次のように書いています。「したがって、コンプトン効果の光学的類似性は明らかですが、はるかに大きな波長の変化を扱っている点が異なります...」注: 「はるかに大きな...」

原子の踊り

ラマンとクリシュナンの研究は科学者の間で称賛の声を上げた。誰もが彼らの実験的な芸術を賞賛しました。この発見により、ラマンは 1930 年にノーベル賞を受賞しました。

インドの科学者からの手紙にはスペクトルの写真が添付されており、その写真には入射光の周波数と物質の分子上で散乱する光を表す線が描かれていた。ラマンとクリシュナンによれば、この写真は彼らの発見をこれまで以上に明確に示しているという。

マンデルシュタムとランズバーグがこの写真を見たとき、彼らは受け取った写真のほぼ正確なコピーを見ました。しかし、彼女の説明を聞いた彼らは、ラマンとクリシュナンが間違っていることにすぐに気づきました。

いいえ、インドの科学者はコンプトン効果を発見したのではなく、ソ連の科学者が長年研究してきたものと同じ、まったく別の現象を発見しました...

インドの科学者の発見によって引き起こされた興奮が高まっている一方で、マンデルシュタムとランズバーグは制御実験を終了し、最終的な決定的な結果をまとめていました。

そして、1928 年 5 月 6 日、彼らは印刷用に記事を送りました。記事にはスペクトルの写真が添付されていました。

この問題の歴史を簡単に概説すると、研究者らは次のように述べた。詳細な解釈彼らが発見した現象。

それでは、多くの科学者を苦しみ、頭を悩ませたこの現象は何だったのでしょうか?

マンデルシュタムの深い直観と明晰な分析心は、検出された散乱光の周波数の変化が、空気密度のランダムな繰り返しを等しくする分子間力によって引き起こされるものではないことを科学者に即座に告げました。その理由は間違いなく物質の分子自体の内部にあり、この現象は分子を構成する原子の分子内振動によって引き起こされることが科学者に明らかになりました。

このような振動は、媒体内のランダムな不均一性の形成と吸収に伴う振動よりもはるかに高い周波数で発生します。散乱光に影響を与えるのは、分子内の原子の振動です。原子はそれにマークを付け、痕跡を残し、追加の周波数で暗号化しているようです。

それは美しい推測であり、分子という自然の小さな要塞の非常線を超えた人間の思考への大胆な侵入でした。そして、この偵察により、その内部構造に関する貴重な情報がもたらされました。

手をつないで

そこで、分子間力によって引き起こされる散乱光の周波数の小さな変化を検出しようとしたところ、分子内力によって引き起こされる大きな周波数の変化が発見されました。

したがって、「光のラマン散乱」と呼ばれるこの新しい現象を説明するには、マンデルシュタムが作成した分子散乱理論を、分子内の原子の振動の影響に関するデータで補足するだけで十分でした。この新しい現象は、1918 年にマンデリスタムによって定式化されたアイデアの発展の結果として発見されました。

はい、アカデミアンS.I.が言ったように、理由がないわけではありません。ヴァヴィロフ、「自然はレオニード・イサーコビッチに、まったく珍しい、洞察力に富んだ繊細な心を与え、大多数が無関心で通り過ぎる主要なことにすぐに気づき、理解しました。こうして光散乱のゆらぎの本質が理解され、光散乱時のスペクトル変化という考え方が生まれ、これがラマン散乱発見の基礎となった。」

その後、この発見から多大な利益が得られ、貴重な実用化が図られました。

発見された時点では、それは科学への最も貴重な貢献にしか見えませんでした。

ラマンとクリシュナンはどうですか？彼らはソ連の科学者の発見、そして自分たちの発見に対してどのように反応したのでしょうか? 彼らは自分たちが発見したことを理解しましたか？

これらの疑問に対する答えは、ソ連の科学者による論文発表の9日後に報道機関に送ったラマンとクリシュナンからの次の手紙に含まれている。そうです、彼らは自分たちが観察した現象がコンプトン効果ではないことに気づきました。これが光のラマン散乱です。

ラマンとクリシュナンの手紙とマンデルシュタムとランズバーグの論文の出版後、同じ現象がモスクワとカルカッタで独立してほぼ同時に行われ、研究されていたことが世界中の科学者に明らかになった。しかし、モスクワの物理学者は石英結晶でそれを研究し、インドの物理学者は液体と気体でそれを研究した。

そしてもちろん、この並行性は偶然ではありませんでした。彼女はこの問題の関連性とその大きな科学的重要性について語ります。 1928 年 4 月末のマンデルスタムとラマンの結論に近い結果が、フランスの科学者ロカールとカバンによっても独立して得られたことは驚くべきことではありません。しばらくして、科学者たちは、1923 年にチェコの物理学者スメカルが同じ現象を理論的に予測していたことを思い出しました。スメカルの研究に続いて、クラマース、ハイゼンベルク、シュレディンガーによる理論研究が登場しました。

どうやら唯一の欠点は科学情報それは、多くの国の科学者が知らず知らずのうちに同じ問題の解決に取り組んでいたという事実によって説明できます。

37年後

ラマン研究は、光の科学に新たな章を開いただけではありません。同時に彼らは与えた強力な武器テクノロジー。産業界は物質の特性を研究する優れた方法を持っています。

結局のところ、光のラマン散乱の周波数は、光を散乱する媒体の分子によって光に重ね合わされた痕跡です。そして、これらの痕跡は物質が異なれば同じではありません。これが、学者マンデルシュタムに、光のラマン散乱を「分子の言語」と呼ぶ権利を与えたものです。光線上の分子の痕跡を読み取り、散乱光の組成を決定できる人には、分子はこの言語を使用してその構造の秘密について語ります。

ラマンスペクトル写真のネガには、さまざまな黒さの線だけがあります。しかし、専門家はこの写真から、物質を通過した後の散乱光に現れる分子内振動の周波数を計算することになる。この写真は、分子の構造、原子を分子に結合させる力、原子の相対運動など、これまで知られていなかった分子の内部生活の多くの側面について教えてくれます。ラマンスペクトログラムの解読を学ぶことで、物理学者は分子が自身について語る独特の「光の言語」を理解することを学びました。したがって、この新しい発見により、分子の内部構造にさらに深く侵入することが可能になりました。

現在、物理学者はラマン散乱を使用して、液体、結晶、ガラス状物質の構造を研究しています。化学者はこの方法を使用して、さまざまな化合物の構造を決定します。

光のラマン散乱現象を利用して物質を研究する方法は、P.N. Physical Institute の研究室の従業員によって開発されました。ランズバーグ学者が所長を務めたソ連のレベデフ科学アカデミー。

これらの方法により、工場の実験室で、航空ガソリン、分解生成物、石油製品、その他多くの複雑な有機液体の定量的および定性分析を迅速かつ正確に実行できます。これを行うには、研究対象の物質を照らし、分光器を使用してそれによって散乱された光の組成を決定するだけで十分です。とてもシンプルに思えます。しかし、この方法が本当に便利で高速であることが判明するまで、科学者は正確で高感度の装置を作成するために多くの労力を費やす必要がありました。だからこそ。

研究対象の物質に入る光エネルギーの総量のうち、散乱光の割合を占めるのはほんのわずか、約 100 億分の 1 だけです。そして、ラマン散乱がこの値の 2 ～ 3% を占めることはほとんどありません。どうやらこれが、ラマン散乱自体が長い間注目されなかった理由のようです。最初のラマン写真を取得するのに数十時間にわたる露光が必要だったのは驚くべきことではありません。

私たちの国で作られた最新の装置を使用すると、数分以内、場合によっては数秒以内に純粋な物質の組み合わせスペクトルを取得することができます。個々の物質が数パーセントの量で存在する複雑な混合物の分析の場合でも、通常は 1 時間以内の暴露時間で十分です。

写真乾板に記録された分子の言語がマンデルシュタムとランズバーグ、ラマンとクリシュナンによって発見され、解読され、理解されてから 37 年が経過しました。それ以来、眼鏡屋がラマン周波数のカタログと呼ぶ、分子の言語の「辞書」を編纂するための懸命な作業が世界中で行われてきました。このようなカタログが編集されると、スペクトログラムの解読が大幅に容易になり、ラマン散乱が科学と産業にさらに完全に役立つようになるでしょう。

私のトピックの関連性は、多くの人が澄んだ青い空を見て賞賛しますが、なぜ空がそんなに青いのか、何がそのような色を与えているのかを知っている人はほとんどいないため、それがリスナーにとって興味深く有益であるという事実にあります。

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プレビュー:

導入。と。 3
主要部分。と。 4 -6

クラスメイトの推測

古代科学者の推測
現代的な視点
空のさまざまな色
結論。

結論。と。 7
文学。と。 8

1. はじめに。

晴れていて、雲一つなく、空の色が青いときが好きです。「空はなぜ青いのだろう？」と私は思いました。

研究テーマ:なぜ空は青いのでしょうか？

研究の目的：なぜ空が青いのか分かりますか？

研究目的：

古代の科学者の仮定を調べてください。

現代科学の視点を学びましょう。

空の色を観察してください。

研究対象- 人気の科学文献。

研究テーマ- 空の青い色。

研究仮説:

雲は水蒸気でできており、水は青いとします。

あるいは、太陽の光が空をこの色に染めます。

研究計画：

百科事典を見る;
インターネットで情報を検索します。
あなたの周りの世界について研究したトピックを思い出してください。
お母さんに聞いてください。
クラスメイトの意見を聞いてみましょう。

2. メイン部分。

クラスメイトの推測。

「空はなぜ青いのですか?」という質問にクラスメートは何と答えるだろうかと考えました。もしかしたら、誰かの意見が私の意見と一致するかもしれませんし、あるいは全く異なる意見になるかもしれません。

本校3年生24名を対象に調査を実施した。回答を分析すると次のことがわかりました。

8 人の生徒は、空が青いのは地球から蒸発した水のせいだと言いました。

4 人の学生が青は心を落ち着かせる色だと答えました。

4 人の生徒は、空の色は大気と太陽の影響を受けると考えています。

3 人の生徒は、宇宙は暗く、大気は白いため、色は青になると信じています。

2 人の生徒は、太陽光線が大気中で屈折して青色が形成されると信じています。

2 人の学生が、寒いので空の青という選択肢を提案しました。

生徒 1 人 - これが自然の仕組みです。

興味深いのは、私の仮説の 1 つが、雲は水蒸気で構成されており、水は青いという、メンバーの最も一般的な意見と一致していることです。

古代の科学者の推測。

自分の疑問に対する答えを文献から探し始めたとき、多くの科学者が答えを求めて頭を悩ませていることを知りました。多くの仮説と仮定が立てられました。

たとえば、古代ギリシャ人は、「なぜ空は青いのですか?」と尋ねました。 - 私なら迷わず「空が青いのは、最も純粋な水晶でできているからです！」と答えます。空はいくつかの水晶球であり、驚くべき精度で互いに挿入されています。そしてその真ん中には地球があり、海、都市、寺院、山頂、林道、居酒屋、要塞があります。

これは古代ギリシャ人の理論でしたが、なぜ彼らはそう考えたのでしょうか？空には触れることができず、ただ眺めるだけでした。観察して反省してください。と、いろいろ推測してみます。私たちの時代では、そのような推測は「科学理論」と呼ばれますが、古代ギリシャ人の時代には、それは推測と呼ばれていました。そこで、古代ギリシャ人は、長い観察とさらに長い考察を経て、これが空の青い色のような奇妙な現象の単純で美しい説明であると判断しました。

なぜそう思ったのか調べてみることにしました。普通のガラスを置くと透明であることがわかります。しかし、そのようなガラスを何枚も重ねて覗いてみると、青みがかった色が見えるでしょう。

空の色のこの単純な説明は 1500 年間続きました。

レオナルド・ダ・ヴィンチは、空がこの色に塗られているのは、「...暗闇の上の光が青くなるから...」と示唆しました。

他の何人かの科学者も同じ意見を持っていましたが、それでも後になって、この仮説が根本的に間違っていることが明らかになりました。なぜなら、黒と白を混ぜると青になる可能性は低く、これらの色の組み合わせでは灰色とその色合いしか得られないからです。

18 世紀の少し後、空の色は空気の成分によって与えられると信じられていました。この理論によれば、純粋な空気は黒色であるため、空気には多くの不純物が含まれていると考えられていました。この理論の後、さらに多くの仮定や推測がありましたが、どれも正当化できませんでした。

現代的な視点。

私は現代の科学者の意見に目を向けました。現代の科学者はその答えを見つけ、空が青い理由を証明しました。

空は単なる空気であり、私たちが毎秒呼吸する普通の空気であり、透明で無重力であるため、見ることも触れることもできません。しかし、私たちは透明な空気を吸っているのに、なぜ頭の上があんなに青い色になるのでしょうか？

その秘密はすべて私たちの大気中にあることが判明しました。

太陽光線は地面に当たる前に巨大な空気層を通過しなければなりません。

太陽光線は白いです。そして、白い色は色のついた光線の混合物です。虹の色を覚えやすくする小さな韻のように:

各（赤）
ハンター（オレンジ）
願い事（黄色）
知っています（緑）
どこ（青）
座っている（青）
キジ（紫）

太陽の光が空気の粒子と衝突すると、7 色の光に分かれます。

赤とオレンジの光線は最も長く、太陽から直接私たちの目に届きます。そして、青色の光線は最も短く、空気の粒子からあらゆる方向に反射し、他の光線よりも地面に到達する量が少なくなります。したがって、空は青い光線で満たされます。

空のさまざまな色。

空はいつも青いわけではありません。たとえば、太陽が光を出さない夜には、空は青くなく、大気は透明に見えます。そして、透明な空気を通して、人は惑星や星を見ることができます。そして日中は、再び青色が宇宙天体を私たちの目から隠します。

空の色は赤いです - 夕暮れ時、曇った天気白かグレー。

結論。

したがって、調査を行った結果、次の結論を導き出すことができます。

すべての秘密は私たちの大気中の空の色にあります- 地球の空気の殻の中。
大気中を通過する太陽の光線は 7 色の光線に分かれます。
赤とオレンジの光線が最も長く、青の光線が最も短いです。.
青い光線は他の光線よりも地球に到達することが少なく、これらの光線のおかげで空は青で満たされます。
空はいつも青いわけではありません。

重要なことは、空が青い理由がわかったということです。私の 2 番目の仮説は部分的に裏付けられました。太陽には空をこの色に染める光線があります。クラスメイト 2 人の推測が最も正解に近いことが判明しました。

簡単な説明

天国とは何ですか？

空は無限です。どの国にとっても、空は神ご自身が住んでいると信じられているため、純粋さの象徴です。人々は空に向かって雨を求め、またその逆に太陽を求めます。つまり、空は単なる空気ではなく、純粋さと無邪気さの象徴です。

空 -それは単なる空気であり、私たちが毎秒呼吸するその普通の空気は、透明で無重力であるため、見ることも触れることもできません。しかし、私たちは透明な空気を吸っているのに、なぜ頭の上があんなに青い色になるのでしょうか？空気には、窒素、酸素、二酸化炭素、水蒸気、および常に運動しているさまざまな粉塵粒子などの複数の要素が含まれています。

物理学の観点から

実際には、物理学者が言うように、空は太陽の光によって色付けされた空気にすぎません。簡単に言うと、太陽は地球を照らしますが、そのためには太陽光線が文字通り地球を包み込む巨大な空気の層を通過する必要があります。そして、一筋の太陽の光に多くの色があるのと同じように、虹にも 7 色の色があります。知らない人のために、虹の 7 色は赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫であることを思い出してください。

さらに、それぞれの光線はこれらすべての色を持っており、この空気の層を通過すると、さまざまな色の虹が四方八方に吹き付けられますが、最も強い散乱は青色であり、そのために空は青色になります。簡単に説明すると、青空はこの色の光線によって生み出される飛沫です。

そして月では

大気がないため、月の空は青ではなく黒です。軌道に乗る宇宙飛行士は、惑星や星が輝く真っ黒な空を目にします。もちろん、月の空はとても美しいですが、それでも頭の上に常に黒い空があるのは望ましくありません。

空の色が変わる

空は常に青いわけではなく、色が変化する傾向があります。皆さんも気づいたことがあると思いますが、時には白っぽくなったり、時には青黒くなったりするのですが…なぜでしょうか？たとえば、太陽が光を出さない夜には、空は青くなく、大気は透明に見えます。そして、透明な空気を通して、人は惑星や星を見ることができます。そして日中は、青色が再び神秘的な空間を好奇の目から確実に隠します。

さまざまな仮説空はなぜ青いのか？ (ゲーテ、ニュートン、18世紀の科学者、レイリーの仮説)

どのような仮説が提唱されていないのか違う時間空の色を説明します。レオナルド・ダ・ヴィンチは、暗い暖炉を背景にした煙がどのように青みがかった色になるかを観察して、「...暗闇の上の光は青くなり、より美しく、光と闇はより優れています。」と書きました。同じ視点 ゲーテ、それは世界中だけではありませんでした有名な詩人、そして彼の時代で最も偉大な自然科学者でもありました。しかし、空の色のこの説明は支持できないことが判明しました。後で明らかになったように、黒と白を混ぜると灰色の色調しか生成できず、色付きの色調は生成されません。青色暖炉からの煙はまったく異なるプロセスによって発生します。

特に薄膜における干渉の発見に続いて、 ニュートン空の色を説明するために干渉を適用しようとしました。これを行うには、水滴がシャボン玉のような壁の薄い泡の形状をしていると仮定する必要がありました。しかし、大気中に含まれる水滴は実際には球であるため、この仮説はすぐにシャボン玉のように「破裂」します。

18世紀の科学者マリオット、ブーゲー、オイラー空の青い色はそれ自体の色で説明されると考えたコンポーネント空気。この説明は後になって、液体酸素は青色、液体オゾンは青色であることが確立された 19 世紀にはすでにある程度の確証さえ得られました。 O.B. は空の色の正しい説明に最も近づきました。ソシュール。彼は、空気が完全に純粋であれば空は黒くなるだろうと信じていましたが、空気には主に青色を反射する不純物 (特に水蒸気と水滴) が含まれています。 19世紀後半までに。液体や気体における光の散乱については豊富な実験資料が蓄積されており、特に空から来る散乱光の特徴の 1 つである偏光が発見されました。アラゴはそれを最初に発見し、探検しました。これは 1809 年のことでした。その後、バビネ、ブリュースター、その他の科学者が大空の偏光を研究しました。空の色の問題は科学者の注目を集めたため、より広い意味を持つ液体や気体中の光の散乱に関する実験が「実験室での再現」という観点から行われた。作品のタイトルはこれを示しています：「空の青い色のモデル化」「ブリュッケ」またはティンダルによる「空の青い色について、一般的に曇り物質による光の偏光」。これらの実験は、科学者の考えを正しい方向に導き、空の青色の原因を大気中の太陽光線の散乱に求めることを目的としました。

大気中の分子光散乱に関する調和のとれた厳密な数学理論を最初に作成したのは、英国の科学者レイリーでした。彼は、光の散乱は、先人たちが考えていたような不純物ではなく、空気の分子自体で起こると信じていました。光散乱に関するレイリーの最初の研究は 1871 年に出版されました。その最終的な形で、その時までに確立された光の電磁的性質に基づいた彼の散乱理論は、「空からの光、その偏光と色について」という著作で説明されました。」、1899 年に出版レイリー光散乱の分野での研究に対して (彼のフルネームジョン・ウィリアム・ストレット、ロード・レイリー三世）は、息子のロード・レイリー四世とは対照的に、レイリー・ザ・散乱者と呼ばれることが多いです。レイリー IV は、大気物理学の発展への多大な貢献から大気レイリーと呼ばれています。空の色を説明するために、レイリー理論の結論の 1 つだけを紹介しますが、さまざまな光学現象を説明する際に他の結論を何度か参照します。この結論は、散乱光の明るさ、つまり強度は、散乱粒子に入射する光の波長の 4 乗に反比例して変化すると述べています。したがって、分子散乱は光の波長のわずかな変化に非常に敏感です。例えば、紫光線の波長（0.4 μm）は、赤色光の波長（0.8 μm）の約半分です。したがって、紫色の光線は赤色の光線よりも 16 倍強く散乱され、入射光線の強度が等しい場合、散乱光には 16 倍多くの光線が含まれます。可視スペクトルの他のすべての色光線 (青、シアン、緑、黄、オレンジ) は、それぞれの波長の 4 乗に反比例する量で散乱光に含まれます。すべての色の散乱線がこの比率で混合される場合、散乱線の混合物の色は青になります。

直射日光（つまり、太陽円盤から直接放射される光）は、散乱により主に青と紫の光線を失い、弱い黄色がかった色合いになり、太陽が地平線に沈むにつれてその色合いが強くなります。現在、光線は大気中をますます長く進む必要があります。長い光路では、短波長の光線、つまり紫、青、シアンの光線の損失がますます顕著になり、太陽や月の直接光では、主に長波長の光線（赤、オレンジ、黄色）が失われます。地球の表面に到達します。したがって、太陽と月の色は最初に黄色になり、次にオレンジ色、赤になります。太陽の赤い色と空の青い色は、同じ散乱プロセスの 2 つの結果です。直接光では、大気を通過した後、主に長波長の光線が残ります (赤い太陽) が、拡散光には短波長の光線が含まれます (青い空)。レイリーの理論は非常に明確かつ説得力を持って謎を説明しました青空そして赤い太陽。

空の熱分子散乱

では、なぜ空は青いのでしょうか？ クレイジーなアイデア