Städtische Haushaltsbildungseinrichtung

„Kislovskaya-Sekundarschule“, Bezirk Tomsk

Forschung

Thema: „Warum ist der Sonnenuntergang rot?“

(Lichtstreuung)

Arbeit abgeschlossen: ,

Schüler der Klasse 5A

Aufsicht;

Chemielehrer

1. Einleitung …………………………………………………………… 3

2. Hauptteil………………………………………………………4

3. Was ist Licht……………………………………………………….. 4

Gegenstand der Studie– Sonnenuntergang und Himmel.

Forschungshypothesen:

Die Sonne hat Strahlen, die den Himmel in verschiedenen Farben färben;

Unter Laborbedingungen kann eine rote Farbe erhalten werden.

Die Relevanz meines Themas liegt darin, dass es für die Zuhörer interessant und nützlich sein wird, denn viele Menschen schauen in den klaren blauen Himmel und bewundern ihn, und nur wenige wissen, warum er tagsüber so blau und bei Sonnenuntergang rot ist und was das bewirkt ist seine Farbe.

2. Hauptteil

Auf den ersten Blick scheint diese Frage einfach zu sein, aber tatsächlich betrifft sie tiefe Aspekte der Lichtbrechung in der Atmosphäre. Bevor Sie die Antwort auf diese Frage verstehen können, müssen Sie eine Vorstellung davon haben, was Licht ist..jpg" align="left" height="1 src=">

Was ist Licht?

Sonnenlicht ist Energie. Die von der Linse gebündelte Hitze der Sonnenstrahlen verwandelt sich in Feuer. Licht und Wärme werden von weißen Oberflächen reflektiert und von schwarzen absorbiert. Deshalb ist weiße Kleidung cooler als schwarze Kleidung.

Was ist die Natur des Lichts? Der erste Mensch, der ernsthaft versuchte, Licht zu studieren, war Isaac Newton. Er glaubte, dass Licht aus korpuskularen Teilchen besteht, die wie Kugeln abgefeuert werden. Einige Eigenschaften des Lichts konnten jedoch mit dieser Theorie nicht erklärt werden.

Ein anderer Wissenschaftler, Huygens, schlug eine andere Erklärung für die Natur des Lichts vor. Er entwickelte die „Wellen“-Theorie des Lichts. Er glaubte, dass Licht Impulse oder Wellen erzeugte, so wie ein Stein, der in einen Teich geworfen wird, Wellen erzeugt.

Welche Ansichten vertreten Wissenschaftler heute über den Ursprung des Lichts? Derzeit geht man davon aus, dass Lichtwellen dies getan haben Eigenschaften sowohl Teilchen als auch Wellen gleichzeitig. Es werden Experimente durchgeführt, um beide Theorien zu bestätigen.

Licht besteht aus Photonen – schwerelose Teilchen ohne Masse, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 km/s fortbewegen und haben Welleneigenschaften. Die Wellenfrequenz des Lichts bestimmt seine Farbe. Darüber hinaus ist die Wellenlänge umso kürzer, je höher die Schwingungsfrequenz ist. Jede Farbe hat ihre eigene Schwingungsfrequenz und Wellenlänge. Weißes Sonnenlicht besteht aus vielen Farben, die sichtbar sind, wenn es durch ein Glasprisma gebrochen wird.

1. Ein Prisma zerlegt Licht.

2. Weißes Licht ist komplex.

Wenn man den Lichtdurchgang durch ein dreieckiges Prisma genau betrachtet, erkennt man, dass die Zersetzung des weißen Lichts beginnt, sobald das Licht von der Luft in das Glas übergeht. Anstelle von Glas können Sie auch andere lichtdurchlässige Materialien verwenden.

Es ist bemerkenswert, dass dieses Experiment Jahrhunderte überdauert hat und seine Methodik immer noch ohne wesentliche Änderungen in Laboratorien angewendet wird.

Dispersion (lat.) – Streuung, Streuung – Streuung

Newtons Dispersion.

I. Newton untersuchte als erster das Phänomen der Lichtstreuung und gilt als eine seiner bedeutendsten wissenschaftlichen Errungenschaften. Kein Wunder bei ihm Grabstein Das 1731 errichtete Denkmal ist mit Figuren junger Männer geschmückt, die die Embleme seiner wichtigsten Entdeckungen in den Händen halten. Eine Figur hält ein Prisma und die Inschrift auf dem Denkmal enthält die Worte: „Er untersuchte die Unterschiede in den Lichtstrahlen und den.“ erscheinen verschiedene Eigenschaften, was vorher niemand vermutet hat.“ Die letzte Aussage ist nicht ganz korrekt. Die Ausbreitung war bereits früher bekannt, wurde jedoch nicht im Detail untersucht. Bei der Verbesserung von Teleskopen bemerkte Newton, dass das von der Linse erzeugte Bild an den Rändern gefärbt war. Durch die Untersuchung von durch Brechung gefärbten Kanten machte Newton seine Entdeckungen auf dem Gebiet der Optik.

Sichtbares Spektrum

Bei der Zerlegung eines weißen Strahls in einem Prisma entsteht ein Spektrum, in dem Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge in unterschiedlichen Winkeln gebrochen wird. Im Spektrum enthaltene Farben, also solche Farben, die durch Lichtwellen einer Wellenlänge (oder eines sehr schmalen Bereichs) erzeugt werden können, werden Spektralfarben genannt. Die wichtigsten Spektralfarben (die eigene Namen haben) sowie die Emissionseigenschaften dieser Farben sind in der Tabelle dargestellt:

Jede „Farbe“ im Spektrum muss einer Lichtwelle einer bestimmten Länge zugeordnet sein

Die einfachste Vorstellung vom Spektrum erhält man durch die Betrachtung eines Regenbogens. Weißes Licht, in Wassertropfen gebrochen, bildet einen Regenbogen, da es aus vielen Strahlen aller Farben besteht und diese unterschiedlich gebrochen werden: Rote sind am schwächsten, Blau und Violett sind am stärksten. Astronomen untersuchen die Spektren der Sonne, der Sterne, Planeten und Kometen, da aus den Spektren viel gelernt werden kann.

Stickstoff" href="/text/category/azot/" rel="bookmark">Stickstoff. Rotes und blaues Licht interagieren unterschiedlich mit Sauerstoff. Da die Wellenlänge der blauen Farbe ungefähr der Größe des Sauerstoffatoms entspricht und daher blau Licht wird von Sauerstoff in verschiedene Richtungen gestreut, während rotes Licht die Atmosphärenschicht leicht durchdringt. Tatsächlich wird violettes Licht in der Atmosphäre noch stärker gestreut, aber das menschliche Auge ist dafür weniger empfindlich als für blaues Licht. Das Ergebnis ist Folgendes Das Auge eines Menschen wird von allen Seiten durch blaues Licht erfasst, das durch Sauerstoff gestreut wird, wodurch der Himmel für uns blau erscheint.

Ohne Atmosphäre auf der Erde würde uns die Sonne als strahlend weißer Stern erscheinen und der Himmel wäre schwarz.

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Ungewöhnliche Phänomene

https://pandia.ru/text/80/039/images/image008_21.jpg" alt="Aurora" align="left" width="140" height="217 src=">!} Polarlichter Seit der Antike bewundern die Menschen das majestätische Bild der Polarlichter und wundern sich über ihren Ursprung. Eine der frühesten Erwähnungen von Polarlichtern findet sich bei Aristoteles. In seiner vor 2300 Jahren verfassten „Meteorologie“ ist zu lesen: „Manchmal werden in klaren Nächten viele Phänomene am Himmel beobachtet – Lücken, Lücken, blutrote Farbe ...“

Es sieht aus, als würde ein Feuer brennen.

Warum kräuselt sich ein klarer Strahl nachts?

Welche dünne Flamme breitet sich bis zum Firmament aus?

Wie ein Blitz ohne bedrohliche Wolken

Vom Boden bis zum Gipfel streben?

Wie kann es sein, dass es sich um eine gefrorene Kugel handelt?

Gab es mitten im Winter ein Feuer?

Was ist die Aurora? Wie entsteht es?

Antwort. Das Polarlicht ist ein leuchtendes Leuchten, das durch die Wechselwirkung geladener Teilchen (Elektronen und Protonen), die von der Sonne fliegen, mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre entsteht. Das Auftreten dieser geladenen Teilchen in bestimmten Regionen der Atmosphäre und in bestimmten Höhen ist das Ergebnis der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit dem Erdmagnetfeld.

Aerosol" href="/text/category/ayerozolmz/" rel="bookmark">Aerosolstreuung von Staub und Feuchtigkeit, diese sind die Hauptursache für die Zersetzung der Sonnenfarbe (Dispersion). An der Zenitposition ist das Einfallen der Der Sonnenstrahl auf die Aerosolbestandteile der Luft erfolgt nahezu im rechten Winkel, ihre Schicht zwischen den Augen des Beobachters und der Sonne ist unbedeutend. Je tiefer die Sonne zum Horizont sinkt, desto dicker wird die Schicht atmosphärische Luft und die Menge der darin enthaltenen Aerosolsuspension. Die Sonnenstrahlen verändern im Verhältnis zum Beobachter den Einfallswinkel auf suspendierte Partikel, und dann wird eine Streuung des Sonnenlichts beobachtet. Das Sonnenlicht besteht also, wie oben erwähnt, aus sieben Grundfarben. Jede Farbe ist wie Elektromagnetische Welle, hat seine eigene Länge und die Fähigkeit, sich in der Atmosphäre auszubreiten. Die Primärfarben des Spektrums sind auf einer Skala von Rot bis Violett geordnet. Die Farbe Rot hat die geringste Fähigkeit, sich in der Atmosphäre aufzulösen (und daher zu absorbieren). Beim Phänomen der Dispersion werden alle Farben, die auf der Skala dem Rot folgen, an den Bestandteilen der Aerosolsuspension gestreut und von diesen absorbiert. Der Beobachter sieht nur rote Farbe. Dies bedeutet, dass je dicker die atmosphärische Luftschicht ist, je höher die Dichte der Schwebstoffe ist, desto mehr Strahlen des Spektrums werden gestreut und absorbiert. Berühmt ein natürliches Phänomen: Nach dem gewaltigen Ausbruch des Krakatau-Vulkans im Jahr 1883 wurden mehrere Jahre lang an verschiedenen Orten auf dem Planeten ungewöhnlich helle, rote Sonnenuntergänge beobachtet. Dies wird durch die starke Freisetzung von Vulkanstaub in die Atmosphäre während des Ausbruchs erklärt.

Ich denke, dass meine Forschung hier nicht enden wird. Ich habe noch Fragen. Ich möchte es wissen:

Was passiert, wenn Lichtstrahlen verschiedene Flüssigkeiten und Lösungen durchdringen?

Wie Licht reflektiert und absorbiert wird.

Nachdem ich diese Arbeit abgeschlossen hatte, wurde ich davon überzeugt, wie viele erstaunliche und nützliche Dinge es gibt praktische Tätigkeiten kann das Phänomen der Lichtbrechung beinhalten. Dadurch konnte ich verstehen, warum der Sonnenuntergang rot ist.

Literatur

1. , Physik. Chemie. 5-6 Klassen Lehrbuch. M.: Bustard, 2009, S.106

2. Damaststahlphänomene in der Natur. M.: Bildung, 1974, 143 S.

3. „Wer macht den Regenbogen?“ – Kvant 1988, Nr. 6, S. 46.

4. Vorlesungen über Optik. Tarasov in der Natur. – M.: Bildung, 1988

Internetressourcen:

1. http://potomy. ru/ Warum ist der Himmel blau?

2. http://www. voprosy-kak-i-pochemu. ru Warum ist der Himmel blau?

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

Wir sind alle daran gewöhnt, dass die Farbe des Himmels ein veränderliches Merkmal ist. Nebel, Wolken, Tageszeit – alles beeinflusst die Farbe der Kuppel darüber. Sein täglicher Wechsel beschäftigt die meisten Erwachsenen nicht, was man von Kindern nicht behaupten kann. Sie fragen sich ständig, warum der Himmel physisch blau ist oder was einen Sonnenuntergang rot macht. Versuchen wir, diese nicht so einfachen Fragen zu verstehen.

Veränderbar

Es lohnt sich, zunächst die Frage zu beantworten, was der Himmel eigentlich darstellt. IN antike Welt Es wurde wirklich als eine Kuppel angesehen, die die Erde bedeckte. Heute weiß jedoch kaum jemand, dass der neugierige Entdecker, egal wie hoch er auch steigt, diese Kuppel nicht erreichen wird. Der Himmel ist kein Ding, sondern ein Panorama, das sich von der Oberfläche des Planeten aus betrachtet, eine Art aus Licht gewebte Erscheinung. Darüber hinaus kann es bei Betrachtung aus verschiedenen Blickwinkeln unterschiedlich aussehen. Vom Aufstieg über die Wolken eröffnet sich also ein völlig anderer Ausblick als zu diesem Zeitpunkt vom Boden aus.

Ein klarer Himmel ist blau, aber sobald Wolken aufziehen, wird er grau, bleihaltig oder schmutzigweiß. Der Nachthimmel ist schwarz, manchmal sind darauf rötliche Bereiche zu erkennen. Dies ist die Widerspiegelung der künstlichen Beleuchtung der Stadt. Der Grund für all diese Veränderungen ist Licht und seine Wechselwirkung mit Luft und Partikeln. verschiedene Substanzen in ihm.

Die Natur der Farbe

Um die Frage zu beantworten, warum der Himmel aus physikalischer Sicht blau ist, müssen wir uns daran erinnern, was Farbe ist. Dies ist eine Welle einer bestimmten Länge. Licht, das von der Sonne zur Erde kommt, wird als weiß wahrgenommen. Seit Newtons Experimenten ist bekannt, dass es sich um einen Strahl aus sieben Strahlen handelt: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Farben unterscheiden sich in der Wellenlänge. Das rot-orangefarbene Spektrum umfasst Wellen, die in diesem Parameter am eindrucksvollsten sind. Teile des Spektrums zeichnen sich durch kurze Wellenlängen aus. Die Zerlegung von Licht in ein Spektrum erfolgt, wenn es mit Molekülen verschiedener Substanzen kollidiert, wobei ein Teil der Wellen absorbiert und ein Teil gestreut werden kann.

Untersuchung der Ursache

Viele Wissenschaftler haben versucht, physikalisch zu erklären, warum der Himmel blau ist. Alle Forscher wollten ein Phänomen oder einen Prozess entdecken, der das Licht in der Atmosphäre des Planeten so streut, dass nur blaues Licht zu uns gelangt. Die ersten Kandidaten für die Rolle solcher Teilchen waren Wasser. Es wurde angenommen, dass sie rotes Licht absorbieren und blaues Licht durchlassen und wir als Ergebnis einen blauen Himmel sehen. Spätere Berechnungen zeigten jedoch, dass die Menge an Ozon, Eiskristallen und Wasserdampfmolekülen in der Atmosphäre nicht ausreicht, um dem Himmel eine blaue Farbe zu verleihen.

Der Grund ist die Umweltverschmutzung

An nächste Stufe Forschungen von John Tyndall legten nahe, dass Staub die Rolle der gewünschten Partikel spielt. Blaues Licht hat den größten Widerstand gegen Streuung und kann daher alle Schichten von Staub und anderen Schwebeteilchen durchdringen. Tindall führte ein Experiment durch, das seine Annahme bestätigte. Er erstellte im Labor ein Smogmodell und beleuchtete es mit hellem weißem Licht. Der Smog nahm einen blauen Farbton an. Der Wissenschaftler kam aus seiner Forschung zu einer eindeutigen Schlussfolgerung: Die Farbe des Himmels wird durch Staubpartikel bestimmt, das heißt, wenn die Luft der Erde sauber wäre, würde der Himmel über den Köpfen der Menschen nicht blau, sondern weiß leuchten.

Lords Forschung

Den letzten Punkt zur Frage, warum der Himmel (aus physikalischer Sicht) blau ist, stellte der englische Wissenschaftler Lord D. Rayleigh. Er bewies, dass es weder Staub noch Smog sind, die den Raum über unseren Köpfen in den uns bekannten Schatten färben. Es liegt in der Luft selbst. Gasmoleküle absorbieren die meisten und vor allem die längsten Wellenlängen, die dem Rot entsprechen. Das Blau löst sich auf. Genau so erklären wir heute die Farbe des Himmels, die wir bei klarem Wetter sehen.

Wer aufmerksam ist, wird feststellen, dass die Kuppel über ihnen nach der Logik der Wissenschaftler lila sein sollte, da diese Farbe die kürzeste Wellenlänge im sichtbaren Bereich hat. Dies ist jedoch kein Fehler: Der Anteil von Violett im Spektrum ist viel geringer als der von Blau, und das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf Letzteres. Tatsächlich ist das Blau, das wir sehen, das Ergebnis der Mischung von Blau mit Violett und einigen anderen Farben.

Sonnenuntergänge und Wolken

Jeder weiß, dass man zu verschiedenen Tageszeiten unterschiedliche Farben des Himmels sehen kann. Fotos von wunderschönen Sonnenuntergängen über dem Meer oder See sind ein perfektes Beispiel dafür. Allerlei Rot- und Gelbtöne kombiniert mit Blau und Dunkelblau machen ein solches Spektakel unvergesslich. Und es wird durch die gleiche Lichtstreuung erklärt. Tatsache ist, dass die Sonnenstrahlen während des Sonnenuntergangs und der Morgendämmerung einen viel längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen müssen als am Höhepunkt des Tages. Dabei wird das Licht aus dem blaugrünen Teil des Spektrums in verschiedene Richtungen gestreut und Wolken in Horizontnähe färben sich in Rottönen.

Wenn der Himmel bewölkt wird, ändert sich das Bild völlig. Sie sind nicht in der Lage, die dichte Schicht zu überwinden, und die meisten von ihnen erreichen einfach nicht den Boden. Die Strahlen, die es geschafft haben, durch die Wolken zu dringen, treffen auf Wassertropfen aus Regen und Wolken, die wiederum das Licht verzerren. Durch all diese Transformationen erreicht weißes Licht die Erde, wenn die Wolken klein sind, und graues Licht, wenn der Himmel von beeindruckenden Wolken bedeckt ist, die einen Teil der Strahlen ein zweites Mal absorbieren.

Andere Himmel

Es ist interessant, dass auf anderen Planeten Sonnensystem Von der Oberfläche aus kann man einen ganz anderen Himmel als auf der Erde sehen. Bei Weltraumobjekten ohne Atmosphäre erreichen die Sonnenstrahlen ungehindert die Oberfläche. Dadurch ist der Himmel hier schwarz, ohne Schatten. Dieses Bild ist auf dem Mond, Merkur und Pluto zu sehen.

Der Marshimmel hat einen rot-orangefarbenen Farbton. Der Grund dafür liegt im Staub, der die Atmosphäre des Planeten füllt. Es ist in verschiedenen Rot- und Orangetönen bemalt. Wenn die Sonne über den Horizont steigt, färbt sich der Marshimmel rosarot, während der Bereich unmittelbar um die Scheibe des Sterns blau oder sogar violett erscheint.

Der Himmel über Saturn hat die gleiche Farbe wie auf der Erde. Der aquamarinblaue Himmel erstreckt sich über Uranus. Der Grund liegt im Methanschleier auf den oberen Planeten.

Die Venus ist durch eine dichte Wolkenschicht vor den Augen der Forscher verborgen. Es verhindert, dass Strahlen des blaugrünen Spektrums die Oberfläche des Planeten erreichen, daher ist der Himmel hier gelb-orange mit einem grauen Streifen am Horizont.

Die Erkundung des Tagesraums über uns ergab Nein weniger Wunder als den Sternenhimmel zu studieren. Das Verständnis der Prozesse, die in den Wolken und dahinter ablaufen, hilft, den Grund für Dinge zu verstehen, die dem Durchschnittsmenschen durchaus vertraut sind, die jedoch nicht jeder auf Anhieb erklären kann.

Studium und Erklärung

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Studium und Erklärung. Farben des Himmels. Projektarbeit aufgeführt von Rubanova Ksenia. Physiklehrer I.A. Bojarina.

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Studium und Erklärung

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Präsentationstranskript

Farben des Himmels Die Entwurfsarbeit wurde von Ksenia Rubanova ausgeführt. Physiklehrer I.A. Bojarina

Teilweise blau, aber am Horizont weißlich? Warum ist die untergehende Sonne normalerweise rot und der Himmel darüber verschiedene Farben? Um diese Fragen zu beantworten, müssen Sie wissen, wie Licht mit Molekülen atmosphärischer Gase und mit in der Luft schwebenden Partikeln interagiert. Auf einige dieser Fragen gibt es noch keine endgültigen Antworten.

Sie galten als Wettervorboten. Es gibt eine ganze Reihe solcher Zeichen, und einst glaubte man sogar, dass ihre Erforschung die Hauptaufgabe der atmosphärischen Optik sei (ein Zweig der atmosphärischen Physik, der optische Phänomene untersucht, die entstehen, wenn Licht durch die Atmosphäre dringt, einschließlich der Farbe von). der Himmel).

Der russische Geophysiker P.I. Brownov (20. Jahrhundert). Detaillierte Untersuchungen haben gezeigt, dass es einen Zusammenhang zwischen optischen und physikalischen Phänomenen in der Atmosphäre gibt. Es wurde deutlich, dass es möglich war, einen Zusammenhang zwischen optischen Phänomenen und dem Wetter zu finden, indem man die Natur optischer Phänomene untersuchte und gleichzeitig in die Mechanismen physikalischer Phänomene eindrang, die Wetteränderungen verursachen. Petr Iwanowitsch Braunow.

Die Farbe des Himmels geht auf das 16. Jahrhundert zurück. Leonardo da Vinci erklärte das Blau des Himmelsgewölbes damit, dass weiße Luft vor dem dunklen Hintergrund des Weltraums blau erscheint.

Luftpartikel haben einen bläulichen Farbton und ergeben in Kombination eine intensive blaue Farbe.“ Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erklärte Newton die Farbe des Himmels mit der Reflexion des Sonnenlichts an winzigen Wassertropfen, die immer in der Luft schwebten. L. Euler Isaac Newton

Die blaue Farbe des Himmels wurde vom englischen Physiker Rayleigh (1871, 1881) angegeben.

Sie bilden das Sonnenspektrum und werden anteilig an Luftmolekülen gestreut. Blaue Strahlen werden etwa 16-mal stärker gestreut als rote Strahlen. Daher ist die Farbe des Himmels (diffuses Sonnenlicht) blau und die Farbe der Sonne (direktes Sonnenlicht), wenn sie tief über dem Horizont steht und ihre Strahlen weite Strecken in der Atmosphäre zurücklegen, ist rot. In diesem Fall muss das Streulicht stark polarisiert sein und in einem Winkel von 90 Grad zur Sonnenrichtung muss die Polarisation vollständig sein.

Einfache Erklärung

Was ist der Himmel?

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

Himmel - Es ist nur Luft, die gewöhnliche Luft, die wir jede Sekunde atmen, die man weder sehen noch berühren kann, weil sie durchsichtig und schwerelos ist. Aber wir atmen transparente Luft, warum wird sie über unseren Köpfen so blau? Luft enthält mehrere Elemente, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, verschiedene Staubkörner, die ständig in Bewegung sind.

Aus physikalischer Sicht

In der Praxis ist der Himmel, wie Physiker sagen, nur Luft, die von den Sonnenstrahlen gefärbt wird. Vereinfacht ausgedrückt scheint die Sonne auf die Erde, aber dafür müssen die Sonnenstrahlen eine riesige Luftschicht durchdringen, die die Erde buchstäblich umhüllt. Und genau wie ein Sonnenstrahl viele Farben hat, oder besser gesagt 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 alle diese Farben und versprüht beim Durchgang durch diese Luftschicht verschiedene Farben des Regenbogens in alle Richtungen, wobei jedoch die stärkste Streuung der blauen Farbe auftritt, wodurch der Himmel eine blaue Farbe annimmt. Um es kurz zu beschreiben: Der blaue Himmel besteht aus den Spritzern, die ein in dieser Farbe gefärbter Strahl erzeugt.

Und auf dem Mond

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

Der Himmel verändert seine Farbe

Der Himmel ist nicht immer blau; er neigt dazu, seine Farbe zu ändern. Dass es mal weißlich, mal blauschwarz ist, ist sicher jedem aufgefallen... Warum ist das so? 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 ein Mensch Planeten und Sterne sehen. Und tagsüber wird die blaue Farbe den geheimnisvollen Raum wieder zuverlässig vor neugierigen Blicken verbergen.

Verschiedene Hypothesen Warum ist der Himmel blau? (Hypothesen von Goethe, Newton, Wissenschaftlern des 18. Jahrhunderts, Rayleigh)

Zu verschiedenen Zeiten wurden alle möglichen Hypothesen aufgestellt, um die Farbe des Himmels zu erklären. Als Leonardo da Vinci beobachtete, wie der Rauch vor dem Hintergrund eines dunklen Kamins eine bläuliche Farbe annimmt, schrieb er: „... Licht über Dunkelheit wird blau, je schöner, desto besser sind Licht und Dunkelheit.“ Er hielt sich ungefähr an die gleiche Sichtweise Goethe, der nicht nur ein weltberühmter Dichter, sondern auch der größte Naturwissenschaftler seiner Zeit war. Diese Erklärung der Farbe des Himmels erwies sich jedoch als unhaltbar, da, wie sich später herausstellte, durch die Mischung von Schwarz und Weiß nur Grautöne und keine farbigen entstehen konnten. Die blaue Farbe des Kaminrauchs entsteht durch einen ganz anderen Prozess.

Nach der Entdeckung der Interferenz, insbesondere in dünnen Filmen, Newton versuchte, Interferenzen anzuwenden, um die Farbe des Himmels zu erklären. Dazu musste er davon ausgehen, dass Wassertropfen die Form dünnwandiger Blasen haben, ähnlich wie Seifenblasen. Da es sich bei den in der Atmosphäre enthaltenen Wassertröpfchen aber tatsächlich um Kugeln handelt, „platzte“ diese Hypothese bald wie eine Seifenblase.

Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts Marriott, Bouguer, Euler Sie dachten, dass die blaue Farbe des Himmels auf die Eigenfarbe der Luftbestandteile zurückzuführen sei. Diese Erklärung erhielt sogar später, bereits im 19. Jahrhundert, eine gewisse Bestätigung, als festgestellt wurde, dass flüssiger Sauerstoff blau und flüssiges Ozon blau ist. O.B. kam der richtigen Erklärung der Farbe des Himmels am nächsten. Saussure. Er glaubte, dass der Himmel schwarz wäre, wenn die Luft absolut rein wäre, die Luft jedoch Verunreinigungen enthält, die überwiegend blaue Farbe widerspiegeln (insbesondere Wasserdampf und Wassertröpfchen). In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Zur Streuung von Licht in Flüssigkeiten und Gasen ist umfangreiches experimentelles Material angesammelt worden; insbesondere wurde eine der Eigenschaften des vom Himmel kommenden Streulichts – seine Polarisation – entdeckt. Arago war der Erste, der es entdeckte und erforschte. Das war im Jahr 1809. Später untersuchten Babinet, Brewster und andere Wissenschaftler die Polarisierung des Firmaments. Die Frage nach der Farbe des Himmels zog die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler so sehr auf sich, dass die Experimente zur Lichtstreuung in Flüssigkeiten und Gasen, die eine viel umfassendere Bedeutung hatten, unter dem Gesichtspunkt der „Laborreproduktion des Himmels“ durchgeführt wurden blaue Farbe des Himmels.“ Die Titel der Arbeiten deuten darauf hin: „Modellierung der blauen Farbe des Himmels“ von Brücke oder „Über die blaue Farbe des Himmels, die Polarisation des Lichts durch Wolkenmaterie im Allgemeinen“ von Tyndall. Die Erfolge Diese Experimente lenkten die Gedanken der Wissenschaftler auf den richtigen Weg – sie suchten nach der Ursache für die blaue Farbe des Himmels in der Streuung der Sonnenstrahlen in der Atmosphäre.

Der erste, der ein schlankes, strenges Erscheinungsbild schafft mathematische Theorie molekulare Lichtstreuung in der Atmosphäre, war der englische Wissenschaftler Rayleigh. Er glaubte, dass die Lichtstreuung nicht an Verunreinigungen erfolgt, wie seine Vorgänger dachten, sondern an den Luftmolekülen selbst. Rayleighs erste Arbeit über Lichtstreuung wurde 1871 veröffentlicht. In seiner endgültigen Form wurde seine Theorie der Streuung, die auf der damals etablierten elektromagnetischen Natur des Lichts basierte, in der Arbeit „Über Licht vom Himmel, seine Polarisation und Farbe“ dargelegt “, veröffentlicht im Jahr 1899. Aufgrund seiner Arbeit auf dem Gebiet der Lichtstreuung wird Rayleigh (sein vollständiger Name ist John William Strett, Lord Rayleigh III) oft Rayleigh der Streuer genannt, im Gegensatz zu seinem Sohn Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV wird genannt Rayleigh dem Atmosphärischen für seinen großen Beitrag zur Entwicklung der Atmosphärenphysik. Um die Farbe des Himmels zu erklären, werden wir nur eine der Schlussfolgerungen von Rayleighs Theorie präsentieren, auf andere werden wir bei der Erklärung verschiedener optischer Phänomene mehrmals verweisen. In dieser Schlussfolgerung heißt es: : Die Helligkeit oder Intensität des gestreuten Lichts variiert umgekehrt mit der vierten Potenz der Wellenlänge des auf das Streuteilchen einfallenden Lichts. Daher reagiert die molekulare Streuung äußerst empfindlich auf die geringste Änderung der Lichtwellenlänge. Beispielsweise ist die Wellenlänge von Violette Strahlen (0,4 μm) sind etwa halb so lang wie rote Strahlen (0,8 μm). Daher werden violette Strahlen 16-mal stärker gestreut als rote, und bei gleicher Intensität der einfallenden Strahlen sind 16-mal mehr davon im Streulicht enthalten. Alle anderen farbigen Strahlen des sichtbaren Spektrums (Blau, Cyan, Grün, Gelb, Orange) sind im Streulicht in Mengen enthalten, die umgekehrt proportional zur vierten Potenz der jeweiligen Wellenlänge sind. Werden nun alle farbigen Streustrahlen in diesem Verhältnis gemischt, so ist die Farbe der Mischung der Streustrahlen blau.

Direktes Sonnenlicht (d. h. Licht, das direkt von der Sonnenscheibe ausgeht), verliert durch Streuung hauptsächlich blaue und violette Strahlen und nimmt einen schwachen gelblichen Farbton an, der sich verstärkt, wenn die Sonne zum Horizont sinkt. Nun müssen die Strahlen einen immer längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Auf einem langen Weg macht sich der Verlust kurzwelliger, d. die Erdoberfläche erreichen. Daher wird die Farbe von Sonne und Mond zunächst gelb, dann orange und rot. Die rote Farbe der Sonne und die blaue Farbe des Himmels sind zwei Folgen desselben Streuprozesses. Bei direktem Licht verbleiben nach dem Durchgang durch die Atmosphäre überwiegend langwellige Strahlen (rote Sonne), während diffuses Licht kurzwellige Strahlen enthält (blauer Himmel). Somit erklärte Rayleighs Theorie das Geheimnis des blauen Himmels und der roten Sonne sehr klar und überzeugend.

Himmelsthermische Molekülstreuung

Die Freude am Sehen und Verstehen
ist das schönste Geschenk der Natur.
Albert Einstein

Das Geheimnis des Himmelblaus

Warum ist der Himmel blau?...

Es gibt keinen Menschen, der nicht mindestens einmal in seinem Leben darüber nachgedacht hat. Schon mittelalterliche Denker versuchten, den Ursprung der Farbe des Himmels zu erklären. Einige von ihnen schlugen das vor blaue Farbe- Dies ist die wahre Farbe der Luft oder eines ihrer Gasbestandteile. Andere dachten, die wahre Farbe des Himmels sei Schwarz – so wie er nachts aussieht. Tagsüber verbindet sich die schwarze Farbe des Himmels mit der weißen Farbe der Sonnenstrahlen und das Ergebnis ist … Blau.

Jetzt werden Sie vielleicht niemanden treffen, der, um blaue Farbe zu bekommen, Schwarz und Weiß mischt. Und es gab eine Zeit, in der die Gesetze der Farbmischung noch unklar waren. 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 abzulehnen.

Erstens, so argumentierte er, ergäbe eine Mischung aus Weiß und Schwarz niemals Blau. Zweitens ist Blau überhaupt nicht die wahre Farbe der Luft. Wenn dem so wäre, würden Sonne und Mond bei Sonnenuntergang nicht rot erscheinen, wie sie tatsächlich sind, sondern blau. So würden die Gipfel ferner schneebedeckter Berge aussehen.

Stellen Sie sich vor, die Luft wäre gefärbt. Auch wenn es sehr schwach ist. Dann würde eine dicke Schicht davon wie bemaltes Glas wirken. Und wenn Sie durch bemaltes Glas schauen, scheinen alle Gegenstände die gleiche Farbe wie dieses Glas zu haben. Warum erscheinen uns entfernte 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.

Doch noch immer löste er das Rätsel des himmlischen Azurblaus nicht. Er war verwirrt vom Regenbogen, einem der schönsten und poetischsten Naturphänomene. Warum erscheint es plötzlich und verschwindet genauso unerwartet? Newton konnte sich mit dem vorherrschenden Aberglauben nicht zufrieden geben: Ein Regenbogen sei ein Zeichen von oben, er sagt es voraus gutes Wetter. Er versuchte, die materielle Ursache jedes Phänomens zu finden. Er fand auch den Grund für den Regenbogen.

Regenbögen entstehen durch Lichtbrechung in Regentropfen. Nachdem Newton dies verstanden hatte, konnte er die Form des Regenbogenbogens berechnen und die Farbabfolge des Regenbogens erklären. Seine Theorie konnte nicht nur das Erscheinen eines doppelten Regenbogens erklären, sondern dies gelang erst drei Jahrhunderte später mit Hilfe einer sehr komplexen Theorie.

Der Erfolg der Regenbogentheorie hypnotisierte Newton. Er kam fälschlicherweise zu dem Schluss, dass die blaue Farbe des Himmels und des Regenbogens denselben Grund hatten. Ein wirklicher Regenbogen entsteht, 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 eine Spur von Regen gibt, ist der Himmel besonders blau. Wie konnte der große Wissenschaftler das nicht bemerken? Newton glaubte, dass winzige Wasserblasen, die seiner Theorie zufolge nur den blauen Teil des Regenbogens bildeten, bei jedem Wetter in der Luft schwebten. Aber das war eine Täuschung.

Erste Lösung

Es vergingen fast 200 Jahre, und ein anderer englischer Wissenschaftler griff dieses Thema auf – Rayleigh, der keine Angst davor hatte, dass die Aufgabe selbst die Macht des großen Newton überstieg.

Rayleigh studierte Optik. Und Menschen, die ihr Leben dem Studium des Lichts widmen, verbringen viel Zeit im Dunkeln. Fremdlicht stört die feinsten Experimente, weshalb die Fenster des optischen Labors fast immer mit schwarzen, undurchdringlichen Vorhängen bedeckt sind.

Rayleigh blieb stundenlang allein in seinem düsteren Labor, während Lichtstrahlen aus den Instrumenten austraten. Im Strahlengang wirbelten sie wie lebende Staubkörner. Sie waren hell beleuchtet und hoben sich dadurch vom dunklen Hintergrund ab. Der Wissenschaftler hat möglicherweise lange Zeit nachdenklich ihre sanften Bewegungen beobachtet, so wie ein Mensch das Funkenspiel in einem Kamin beobachtet.

Waren es nicht diese in den Lichtstrahlen tanzenden Staubkörner, die Rayleigh auf eine neue Idee über den Ursprung der Farbe des Himmels brachten?

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 Risse der Hütte brachen und auf die Wände und den Boden fielen.

Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass ihn der Gedanke störte, warum er Lichtstrahlen sieht, wenn er sie von der Seite betrachtet. Und hier gibt es etwas zum Nachdenken. Schließlich strahlt das Sonnenlicht vom Spalt bis zum Boden. Das Auge des Betrachters befindet sich seitlich und sieht dennoch dieses Licht.

Wir sehen auch das Licht eines auf den Himmel gerichteten Scheinwerfers. Das bedeutet, dass ein Teil des Lichts irgendwie vom direkten Weg abgelenkt und in unser Auge gelenkt wird.

Was bringt ihn dazu, in die Irre zu gehen? Es stellt sich heraus, dass dies genau die Staubkörner sind, die die Luft füllen. Von einem Staubkorn gestreute Strahlen und Strahlen dringen in unser Auge ein, die beim Auftreffen auf Hindernisse von der Straße abbiegen und sich geradlinig vom streuenden Staubkorn zu unserem Auge ausbreiten.

„Sind es diese Staubkörner, die den Himmel blau färben?“ – dachte Rayleigh eines Tages. Er rechnete nach und aus der Vermutung wurde eine Gewissheit. Er fand eine Erklärung für die blaue Farbe des Himmels, die roten Morgendämmerungen und den blauen Dunst! Nun ja, winzige Staubkörner, deren Größe kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, streuen das Sonnenlicht und je kürzer seine Wellenlänge, desto stärker, verkündete Rayleigh 1871. Und da violette und blaue Strahlen im sichtbaren Sonnenspektrum die kürzeste Wellenlänge haben, werden sie am stärksten gestreut und verleihen dem Himmel eine blaue Farbe.

Die Sonne und die schneebedeckten Gipfel gehorchten dieser Berechnung von Rayleigh. Sie bestätigten sogar die Theorie des Wissenschaftlers. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, wenn das Sonnenlicht die größte Luftschicht durchdringt, werden violette und blaue Strahlen, so Rayleighs Theorie, am stärksten gestreut. Gleichzeitig weichen sie vom geraden Weg ab und fallen dem Betrachter nicht ins Auge. Der Beobachter sieht hauptsächlich rote Strahlen, die deutlich schwächer gestreut werden. Deshalb erscheint uns die Sonne bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang rot. Aus dem gleichen Grund erscheinen die Gipfel entfernter schneebedeckter Berge rosa.

Beim Blick in den klaren Himmel sehen wir blau-blaue Strahlen, die durch Streuung vom geraden Weg abweichen und in unsere Augen fallen. Und auch der Dunst, den wir manchmal in der Nähe des Horizonts sehen, kommt uns blau vor.

Ärgerliche Kleinigkeit

Ist das nicht eine schöne Erklärung? Rayleigh selbst war davon so hingerissen, dass die Wissenschaftler von der Harmonie der Theorie und Rayleighs Sieg über Newton so erstaunt waren, dass keiner von ihnen eine einfache Sache bemerkte. Diese Kleinigkeit hätte jedoch ihre Einschätzung völlig ändern müssen.

Wer wird leugnen, dass weit weg von der Stadt, wo viel weniger Staub in der Luft ist, die blaue Farbe des Himmels besonders klar und hell ist? Für Rayleigh selbst war es schwierig, dies zu leugnen. Also... sind es nicht Staubpartikel, die das Licht streuen? Dann was?

Er überprüfte alle seine Berechnungen noch einmal und kam zu der Überzeugung, dass seine Gleichungen korrekt waren, was jedoch bedeutete, dass es sich bei den Streupartikeln tatsächlich nicht um Staubkörner handelte. Darüber hinaus sind die in der Luft vorhandenen Staubkörner viel länger als die Wellenlänge des Lichts, und Berechnungen überzeugten Rayleigh, dass eine große Ansammlung von ihnen das Blau des Himmels nicht verstärkt, sondern im Gegenteil schwächt. Die Streuung des Lichts an großen Partikeln hängt schwach von der Wellenlänge ab und führt daher nicht zu einer Farbänderung.

Wenn Licht an großen Partikeln gestreut wird, bleibt sowohl das gestreute als auch das durchgelassene Licht weiß. Daher verleiht das Erscheinen großer Partikel in der Luft dem Himmel eine weißliche Farbe und es kommt zur Ansammlung einer großen Anzahl großer Tröpfchen weiße Farbe Wolken und Nebel. Dies lässt sich leicht an einer gewöhnlichen Zigarette überprüfen. Der Rauch, der aus dem Mundstück austritt, erscheint immer weißlich, und der Rauch, der aus 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 nach Rayleighs Theorie überwiegend violette und blaue Farben. Beim Durchgang durch enge Kanäle in der Dicke des Tabaks haften die Rauchpartikel jedoch zusammen (koagulieren) und vereinigen sich zu größeren Klumpen. Viele von ihnen werden größer als die Wellenlänge des Lichts und streuen alle Lichtwellenlängen ungefähr gleich. Deshalb erscheint der aus dem Mundstück austretende Rauch weißlich.

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

So tauchte das Geheimnis der blauen Farbe des Himmels erneut vor den Wissenschaftlern auf. Aber Rayleigh gab nicht auf. Wenn die blaue Farbe des Himmels umso reiner und heller sei, je reiner die Atmosphäre sei, so argumentierte er, dann könne die Farbe des Himmels nicht durch etwas anderes als die Moleküle der Luft selbst verursacht werden. Luftmoleküle seien das, schrieb er in seinen neuen Artikeln winzige Partikel die das Licht der Sonne streuen!

Diesmal war Rayleigh sehr vorsichtig. Bevor er seine neue Idee vorstellte, beschloss er, sie zu testen und die Theorie irgendwie mit der Erfahrung zu vergleichen.

Die Gelegenheit bot sich 1906. Rayleigh wurde vom amerikanischen Astrophysiker Abbott unterstützt, der am Mount Wilson Observatory das blaue Leuchten des Himmels untersuchte. Durch die Verarbeitung der Ergebnisse der Messung der Helligkeit des Himmels auf der Grundlage der Rayleigh-Streuungstheorie berechnete Abbott die Anzahl der Moleküle, die in jedem Kubikzentimeter Luft enthalten sind. Es stellte sich heraus, dass es eine riesige Zahl war! Es genügt zu sagen, dass, wenn man diese Moleküle an alle Menschen auf der Welt verteilt, jeder mehr als 10 Milliarden dieser Moleküle erhält. Kurz gesagt, Abbott entdeckte, dass jeder Kubikzentimeter Luft bei normaler atmosphärischer Temperatur und normalem atmosphärischem Druck 27 Milliarden mal eine Milliarde Moleküle enthält.

Man kann die Anzahl der Moleküle in einem Kubikzentimeter Gas bestimmen verschiedene Wege basieren auf völlig unterschiedlichen und unabhängigen Phänomenen. Sie alle führen zu nahezu übereinstimmenden Ergebnissen und ergeben eine Zahl, die Loschmidt-Zahl genannt wird.

Diese Zahl ist Wissenschaftlern wohlbekannt und diente mehr als einmal als Maß und Kontrolle bei der Erklärung von in Gasen auftretenden Phänomenen.

Und so stimmte die von Abbott bei der Messung des Himmelsglanzes ermittelte Zahl mit großer Genauigkeit mit der Zahl von Loschmidt überein. Aber in seinen Berechnungen nutzte er die Rayleigh-Streuungstheorie. Dies bewies eindeutig, dass die Theorie richtig war, es gibt tatsächlich molekulare Lichtstreuung.

Es schien, dass Rayleighs Theorie zuverlässig durch die Erfahrung bestätigt wurde; Alle Wissenschaftler hielten es für einwandfrei.

Es wurde allgemein akzeptiert und in alle Lehrbücher der Optik aufgenommen. Man konnte aufatmen: Endlich war eine Erklärung für ein so vertrautes und zugleich mysteriöses Phänomen gefunden.

Umso überraschender ist es, dass im Jahr 1907 auf den Seiten des berühmten wissenschaftliche Zeitschrift Wieder wurde die Frage aufgeworfen: Warum ist der Himmel blau?!.

Disput

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

Seltsamerweise war dies einer von Rayleighs glühendsten Bewunderern und Bewunderern. Vielleicht schätzte und verstand niemand Rayleigh so sehr, kannte seine Werke so gut und interessierte sich nicht so sehr für seine wissenschaftliche Arbeit wie der junge russische Physiker Leonid Mandelstam.

„Der Charakter von Leonid Isaakovichs Geist“, erinnerte sich später ein anderer sowjetischer Wissenschaftler, Akademiker 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.

Auch dieses Mal bekreuzigten sie sich bei der Frage nach dem Ursprung der Farbe des Himmels. Zuvor interessierte sich Mandelstam hauptsächlich für Funktechnik. Zu Beginn unseres Jahrhunderts war dies ein völlig neues Gebiet der Wissenschaft, und nur wenige Menschen verstanden es. Nach der Entdeckung von A.S. Popov (im Jahr 1895) waren nur wenige Jahre vergangen und die Arbeit hatte kein Ende. In kurzer Zeit führte Mandelstam viele ernsthafte Forschungen auf dem Gebiet elektromagnetischer Schwingungen in Bezug auf funktechnische Geräte durch. 1902 verteidigte er seine Dissertation und erhielt mit 23 Jahren den Doktorgrad der Naturphilosophie an der Universität Straßburg.

Während er sich mit Fragen der Anregung von Radiowellen beschäftigte, studierte Mandelstam natürlich die Arbeiten von Rayleigh, der eine anerkannte Autorität auf dem Gebiet der Erforschung oszillatorischer Prozesse war. Und der junge Arzt wurde unweigerlich mit dem Problem der Himmelsfärbung vertraut.

Aber nachdem Mandelstam sich mit der Frage der Farbe des Himmels vertraut gemacht hatte, zeigte er nicht nur den Irrtum oder, wie er selbst sagte, die „Unzulänglichkeit“ der allgemein anerkannten Theorie der molekularen Lichtstreuung von Rayleigh, sondern enthüllte nicht nur das Geheimnis der blauen Farbe des Himmels, sondern legte auch den Grundstein für Forschungen, die zu einer der bedeutendsten physikalischen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts führten.

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, faszinierte sie ihn durch ihre Zurückhaltung und ihre inneren Paradoxien, die der alte, sehr erfahrene Rayleigh zur Überraschung des jungen Physikers nicht bemerkte. Die Unzulänglichkeit von Rayleighs Theorie wurde besonders deutlich, als man eine andere Theorie analysierte, die Planck auf dieser Grundlage entwickelte, um die Schwächung von Licht beim Durchgang durch ein optisch homogenes transparentes Medium zu erklären.

In dieser Theorie wurde davon ausgegangen, dass die Moleküle der Substanz, die das Licht durchdringt, Quellen von Sekundärwellen sind. Um diese Sekundärwellen zu erzeugen, argumentierte Planck, wird ein Teil der Energie der vorbeiziehenden Welle aufgewendet, die gedämpft wird. Wir sehen, dass diese Theorie auf der Rayleigh-Theorie der molekularen Streuung basiert und auf deren Autorität beruht.

Der einfachste Weg, das Wesentliche der Sache zu verstehen, besteht darin, die Wellen auf der Wasseroberfläche zu betrachten. Wenn eine Welle auf stationäre oder schwimmende Objekte (Pfähle, Baumstämme, Boote usw.) trifft, zerstreuen sich kleine Wellen von diesen Objekten in alle Richtungen. Das ist nichts weiter als Streuung. Ein Teil der Energie der einfallenden Welle wird für die Anregung von Sekundärwellen aufgewendet, die dem Streulicht in der Optik sehr ähnlich sind. In diesem Fall wird die anfängliche Welle abgeschwächt – sie verblasst.

Schwimmende Objekte können viel kleiner sein als die Wellenlänge, die sich durch das Wasser ausbreitet. Selbst kleine Körner verursachen Sekundärwellen. Natürlich werden die von ihnen gebildeten Sekundärwellen mit abnehmender Partikelgröße schwächer, aber sie absorbieren immer noch die Energie der Hauptwelle.

Ungefähr so ​​stellte sich Planck den Prozess der Abschwächung einer Lichtwelle beim Durchgang durch ein Gas vor, doch die Rolle von Körnern spielten in seiner Theorie Gasmoleküle.

Mandelstam interessierte sich für dieses Werk von Planck.

Mandelstams Gedankengang lässt sich auch am Beispiel von Wellen auf der Wasseroberfläche erklären. Man muss es sich nur genauer ansehen. So sind selbst kleine Körner, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, Quellen für Sekundärwellen. Aber was passiert, wenn diese Körner so dick geschüttet werden, dass sie die gesamte Wasseroberfläche bedecken? Dann stellt sich heraus, dass sich einzelne Sekundärwellen, die durch zahlreiche Körner verursacht werden, so addieren, dass sie die zur Seite und nach hinten verlaufenden Teile der Wellen vollständig auslöschen und die Streuung aufhört. Übrig bleibt nur eine vorwärtslaufende Welle. Sie wird vorwärts rennen, ohne überhaupt nachzulassen. Das einzige Ergebnis der Anwesenheit der gesamten Kornmasse wird eine leichte Abnahme der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Primärwelle sein. Besonders wichtig ist, dass dies alles nicht davon abhängt, ob die Körner bewegungslos sind oder sich entlang der Wasseroberfläche bewegen. Die Körneraggregate wirken lediglich als Belastung auf die Wasseroberfläche und verändern die Dichte der oberen Wasserschicht.

Mandelstam hat eine mathematische Berechnung für den Fall durchgeführt, dass die Anzahl der Moleküle in der Luft so groß ist, dass selbst ein so kleiner Bereich wie die Wellenlänge des Lichts sehr viele enthält große Nummer Moleküle. Es stellte sich heraus, dass sich in diesem Fall sekundäre Lichtwellen, die durch einzelne chaotisch bewegte Moleküle angeregt werden, genauso addieren wie die Wellen im Beispiel mit Körnern. Das bedeutet, dass sich die Lichtwelle in diesem Fall ohne Streuung und Dämpfung ausbreitet, jedoch mit etwas geringerer Geschwindigkeit. Dies widerlegte die Theorie von Rayleigh, der glaubte, dass die Bewegung streuender Teilchen in allen Fällen die Streuung von Wellen sicherstellt, und widerlegte damit Plancks darauf basierende Theorie.

So wurde Sand auf der Grundlage der Streutheorie entdeckt. Das gesamte majestätische Gebäude geriet ins Wanken und drohte einzustürzen.

Zufall

Aber wie wäre es mit der Bestimmung der Loschmidt-Zahl aus Messungen des blauen Himmelsglanzes? Schließlich hat die Erfahrung die Rayleigh-Theorie der Streuung bestätigt!

„Dieser Zufall sollte als Zufall betrachtet 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 Gegenteil, in echtem Gas kommt es immer zu winzigen Verdünnungen und Verdichtungen, die durch chaotische thermische Bewegung entstehen. Sie führen zur Lichtstreuung, da sie die optische Homogenität der Luft stören. Im selben Werk schrieb Mandelstam:

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

Da jedoch die Größe der durch chaotische Bewegung entstehenden Inhomogenitäten kleiner als die Länge der Lichtwellen ist, werden die Wellen, die den violetten und blauen Teilen des Spektrums entsprechen, überwiegend gestreut. Und das führt insbesondere zur blauen Farbe des Himmels.

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

Mandelstams großes Verdienst liegt darin, dass er bewiesen hat, dass die Annahme einer vollkommenen Homogenität eines Gases mit der Tatsache der Lichtstreuung darin unvereinbar ist. Er erkannte, dass die blaue Farbe des Himmels bewies, dass die Homogenität der Gase nur scheinbar war. Genauer gesagt erscheinen Gase nur dann homogen, wenn sie mit einfachen Instrumenten wie einem Barometer, einer Waage oder anderen Instrumenten untersucht werden, die von vielen Milliarden Molekülen gleichzeitig beeinflusst werden. Aber der Lichtstrahl erfasst unvergleichlich kleinere Mengen an Molekülen, gemessen nur in Zehntausenden. Und das reicht aus, um zweifelsfrei festzustellen, dass die Dichte des Gases ständig kleinen lokalen Änderungen unterliegt. Daher ist ein aus unserer „groben“ Sicht homogenes Medium in Wirklichkeit heterogen. Aus „Lichtsicht“ erscheint es trüb und streut daher Licht.

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

Der Himmel sollte funkeln!

Damit wurde das Geheimnis der blauen Farbe des Himmels gelüftet. Aber die Erforschung der Lichtstreuung endete hier nicht. Mandelstam machte mit seinem scharfen Gespür für Wissenschaftler auf fast unmerkliche Veränderungen der Luftdichte aufmerksam und erklärte die Farbe des Himmels durch schwankende Lichtstreuung. Er entdeckte ein neues, noch subtileres Merkmal dieses Prozesses.

Schließlich werden Luftinhomogenitäten durch zufällige Schwankungen ihrer Dichte verursacht. Das Ausmaß dieser zufälligen Inhomogenitäten und die Dichte der Klumpen ändern sich im Laufe der Zeit. Deshalb, so argumentierte der Wissenschaftler, sollte sich auch die Intensität – also die Stärke des Streulichts – mit der Zeit ändern! Denn je dichter die Molekülklumpen sind, desto intensiver ist das an ihnen gestreute Licht. Und da diese Klumpen chaotisch auftauchen und verschwinden, sollte der Himmel, vereinfacht gesagt, funkeln! Die Stärke seines Leuchtens und seine Farbe sollten sich ständig ändern (aber nur sehr schwach)! Aber hat schon einmal jemand ein solches Flackern bemerkt? Natürlich nicht.

Dieser Effekt ist so subtil, dass man ihn mit bloßem Auge nicht erkennen kann.

Auch keiner der Wissenschaftler hat eine solche Veränderung des Himmelsglühens beobachtet. Mandelstam selbst hatte keine Gelegenheit, die Schlussfolgerungen seiner Theorie zu überprüfen. Die Organisation der komplexesten Experimente wurde zunächst durch die kargen Bedingungen im zaristischen Russland und dann durch die Schwierigkeiten der ersten Jahre der Revolution, ausländische Interventionen und Bürgerkriege behindert.

1925 wurde Mandelstam Leiter der 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, gemeinsam ihren Angriff auf die Geheimnisse fort, die in den schwachen Strahlen des verstreuten Lichts verborgen waren.

Die optischen Laboratorien der Universität waren damals noch sehr arm an Instrumenten. An der Universität gab es kein einziges Instrument, das in der Lage war, das Flackern des Himmels oder die kleinen Unterschiede in den Frequenzen von einfallendem und gestreutem Licht zu erkennen, von denen die Theorie vorhersagte, dass sie auf dieses Flackern zurückzuführen seien.

Dies hielt die Forscher jedoch nicht auf. Sie gaben die Idee auf, den Himmel in einer Laborumgebung zu simulieren. Dies würde ein ohnehin schon subtiles Erlebnis nur noch komplizierter machen. 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, ist es viel einfacher, nach Frequenzen in der Nähe davon zu suchen, die bei der Streuung entstehen sollten. Darüber hinaus legte die Theorie nahe, dass Beobachtungen in Festkörpern einfacher durchzuführen seien, da die Moleküle darin viel näher beieinander lägen als in Gasen, und je dichter die Substanz, desto größer die Streuung.

Es begann eine mühsame Suche nach den meisten geeignete Materialien. Schließlich fiel die Wahl auf Quarzkristalle. Ganz einfach, weil große klare Quarzkristalle günstiger sind als alle anderen.

Vorbereitende Experimente dauerten zwei Jahre, es wurden die reinsten Kristallproben ausgewählt, die Technik verbessert und Anzeichen festgestellt, anhand derer es möglich war, die Streuung an Quarzmolekülen unbestreitbar von der Streuung an zufälligen Einschlüssen, Kristallinhomogenitäten und Verunreinigungen zu unterscheiden.

Witz und Arbeit

Mangels leistungsfähiger Geräte zur Spektralanalyse entschieden sich die Wissenschaftler für einen ausgeklügelten Workaround, der die Nutzung bereits vorhandener Instrumente ermöglichen sollte.

Die Hauptschwierigkeit dieser Arbeit bestand darin, dass das schwache Licht, das durch molekulare Streuung verursacht wurde, durch viel stärkeres Licht überlagert wurde, das durch kleine Verunreinigungen und andere Defekte in den Kristallproben, die für die Experimente gewonnen wurden, gestreut wurde. Die Forscher beschlossen, sich die Tatsache zunutze zu machen, dass Streulicht, das durch Defekte im Kristall und Reflexionen an verschiedenen Teilen der Installation entsteht, genau der Frequenz des einfallenden Lichts entspricht. Sie interessierten sich nur für Licht mit einer gemäß Mandelstams Theorie veränderten Frequenz. Die Aufgabe bestand also darin, das durch Molekülstreuung verursachte Licht einer veränderten Frequenz vor dem Hintergrund dieses viel helleren Lichts hervorzuheben.

Um sicherzustellen, dass das gestreute Licht eine messbare Größe hatte, beschlossen die Wissenschaftler, den Quarz mit dem stärksten ihnen zur Verfügung stehenden Beleuchtungsgerät zu beleuchten: einer Quecksilberlampe.

Das im Kristall gestreute Licht muss also aus zwei Teilen bestehen: schwachem Licht mit veränderter Frequenz aufgrund der molekularen Streuung (die Untersuchung dieses Teils war das Ziel der Wissenschaftler) und viel stärkerem Licht mit unveränderter Frequenz, das durch äußere Ursachen verursacht wird (dieses). (Teil war schädlich, erschwerte die Forschung.)

Die Idee der Methode war aufgrund ihrer Einfachheit attraktiv: Es ist notwendig, Licht einer konstanten Frequenz zu absorbieren und nur Licht einer veränderten Frequenz in den Spektralapparat zu leiten. Doch die Frequenzunterschiede betrugen nur wenige Tausendstel Prozent. Kein Labor auf der Welt verfügte über einen Filter, der in der Lage war, so nahe beieinander liegende Frequenzen zu trennen. Es wurde jedoch eine Lösung gefunden.

Streulicht wurde durch ein Gefäß geleitet, das Quecksilberdampf enthielt. Dadurch blieb das gesamte „schädliche“ Licht im Gefäß „stecken“ und das „nützliche“ Licht gelangte ohne merkliche Dämpfung hindurch. Die Experimentatoren nutzten einen bereits bekannten Umstand aus. Ein Materieatom ist, wie die Quantenphysik behauptet, nur in der Lage, Lichtwellen mit ganz bestimmten Frequenzen auszusenden. Gleichzeitig ist dieses Atom auch in der Lage, Licht zu absorbieren. Darüber hinaus nur Lichtwellen derjenigen Frequenzen, die er selbst aussenden kann.

In einer Quecksilberlampe wird Licht durch Quecksilberdampf emittiert, der unter dem Einfluss einer elektrischen Entladung im Inneren der Lampe glüht. Wenn dieses Licht durch ein Gefäß geleitet wird, das ebenfalls 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 aus anderen Quellen, beispielsweise einer Neonlampe, durchdringt Quecksilberdampf unbeschadet. Die Quecksilberatome werden es nicht einmal beachten. Auch der Teil des Lichts einer Quecksilberlampe, der im Quarz unter Änderung der Wellenlänge gestreut wurde, wird nicht absorbiert.

Diesen günstigen Umstand machten sich Mandelstam und Landsberg zunutze.

Erstaunliche Entdeckung

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

Die Ergebnisse des Experiments waren unerwartet und ungewöhnlich. Was Wissenschaftler entdeckten, war überhaupt nicht das, was sie erwartet hatten, nicht das, was die Theorie vorhersagte. Sie entdeckten ein völlig neues Phänomen. Aber welcher? Und ist das nicht ein Fehler? Das Streulicht zeigte nicht die erwarteten Frequenzen, sondern deutlich höhere und niedrigere Frequenzen. Im Spektrum des Streulichts trat eine ganze Kombination von Frequenzen auf, die im auf den Quarz einfallenden Licht nicht vorhanden waren. Es war einfach unmöglich, ihr Aussehen durch optische Inhomogenitäten im Quarz zu erklären.

Eine gründliche Kontrolle begann. Die Versuche wurden einwandfrei durchgeführt. Sie waren so geistreich, perfekt und einfallsreich konzipiert, dass man nicht umhin konnte, sie zu bewundern.

„Leonid Isaakovich löste manchmal sehr schwierige technische Probleme so schön und manchmal brillant einfach, dass jeder von uns unwillkürlich die Frage stellte: „Warum ist mir das nicht schon früher in den Sinn gekommen?“ – sagt einer der Mitarbeiter.

Verschiedene Kontrollexperimente bestätigten eindrücklich, dass kein Fehler vorlag. Auf Fotografien des Spektrums des Streulichts traten immer wieder schwache und doch recht deutliche Linien auf, die auf das Vorhandensein „zusätzlicher“ Frequenzen im Streulicht hinweisen.

Seit vielen Monaten suchen Wissenschaftler nach einer Erklärung für dieses Phänomen. Wo erschienen „fremde“ Frequenzen im Streulicht?!

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

Aber sowohl Mandelstam als auch Landsberg kamen einstimmig zu dem Schluss, dass diese Entdeckung erst nach einer gründlichen Prüfung, 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 C.N. Raman und K.S. Krishnan schickte ein Telegramm aus Kalkutta an diese Zeitschrift mit kurze Beschreibung seiner Entdeckung.

In diesen Jahren erreichten die Zeitschrift „Nature“ Briefe aus aller Welt über die unterschiedlichsten Entdeckungen. Aber nicht jede Botschaft ist dazu bestimmt, bei Wissenschaftlern für Aufregung zu sorgen. Als das Problem mit dem Brief indischer Wissenschaftler bekannt wurde, waren die Physiker sehr aufgeregt. Allein der Titel der Notiz lautet „ Neuer Typ Sekundärstrahlung“ – erregte Interesse. Schließlich ist die Optik eine der ältesten Wissenschaften, im 20. Jahrhundert konnte man in ihr nicht oft etwas Unbekanntes entdecken.

Man kann sich vorstellen, mit welchem ​​Interesse Physiker auf der ganzen Welt auf neue Briefe aus Kalkutta warteten.

Ihr Interesse wurde zu einem großen Teil durch die Persönlichkeit eines der Autoren der Entdeckung, Raman, geweckt. Dies ist ein Mann mit einem merkwürdigen Schicksal und einer außergewöhnlichen Biografie, die der von Einstein sehr ähnlich ist. Einstein war in seiner Jugend ein einfacher Gymnasiallehrer und dann Angestellter des Patentamtes. In dieser Zeit vollendete er die bedeutendsten seiner Werke. Raman, ein brillanter Physiker, musste ebenfalls nach seinem Universitätsabschluss zehn Jahre lang in der Finanzabteilung arbeiten und wurde erst danach an die Fakultät der Universität Kalkutta berufen. Raman wurde bald zum anerkannten Anführer Indische Schule Physiker.

Kurz vor den beschriebenen Ereignissen interessierten sich Raman und Krishnan für eine merkwürdige Aufgabe. Zu dieser Zeit lösten die Leidenschaften im Jahr 1923 die Entdeckung des amerikanischen Physikers Compton aus, der bei der Untersuchung des Durchgangs von Röntgenstrahlen durch Materie entdeckte, dass einige dieser Strahlen, die aus der ursprünglichen Richtung seitlich gestreut werden, ihre Wellenlänge erhöhen , war noch nicht abgeklungen. In die Sprache der Optik übersetzt 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. Daher war Comptons Entdeckung einer der entscheidenden Beweise für die Richtigkeit der jungen Quantentheorie.

Wir beschlossen, etwas Ähnliches auszuprobieren, allerdings in optischer Hinsicht. von indischen Wissenschaftlern entdeckt. Sie wollten Licht durch einen Stoff schicken und sehen, wie seine Strahlen an den Molekülen des Stoffes gestreut werden und ob sich ihre Wellenlänge ändert.

Wie Sie sehen, haben sich indische Wissenschaftler freiwillig oder unfreiwillig die gleiche Aufgabe gestellt wie sowjetische Wissenschaftler. Aber ihre Ziele waren andere. In Kalkutta suchten sie nach einer optischen Analogie zum Compton-Effekt. In Moskau - experimentelle Bestätigung von Mandelstams Vorhersage der Frequenzänderung bei Lichtstreuung durch schwankende Inhomogenitäten.

Raman und Krishnan entwarfen ein komplexes Experiment, da der erwartete Effekt äußerst gering war. Das Experiment erforderte eine sehr helle Lichtquelle. 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, die Flüssigkeiten und Gase enthielten und gründlich von Staub und anderen Verunreinigungen gereinigt wurden.

Es war jedoch aussichtslos, die erwartete kleine Wellenlängenerweiterung des Streulichts mit weißem Sonnenlicht, das fast alle möglichen Wellenlängen enthält, nachzuweisen. Daher entschieden sich Wissenschaftler für den Einsatz von Lichtfiltern. Sie platzierten einen Blau-Violett-Filter vor der Linse und beobachteten das Streulicht durch einen Gelb-Grün-Filter. Sie haben zu Recht entschieden, dass das, was der erste Filter durchlässt, im zweiten stecken bleiben würde. Schließlich absorbiert der Gelbgrünfilter die vom ersten Filter durchgelassenen blauvioletten Strahlen. Und beide sollten, hintereinander platziert, das gesamte einfallende Licht absorbieren. Wenn einige Strahlen in das Auge des Beobachters fallen, kann man mit Sicherheit sagen, dass sie nicht im einfallenden Licht waren, sondern in der untersuchten Substanz entstanden sind.

Kolumbus

Tatsächlich entdeckten Raman und Krishnan im Streulicht Strahlen, die den zweiten Filter passierten. Sie zeichneten zusätzliche Frequenzen auf. Dies könnte im Prinzip der optische Compton-Effekt sein. Das heißt, wenn das blauviolette Licht an den in den Gefäßen befindlichen Molekülen einer Substanz gestreut wird, kann es seine Farbe ändern und zu Gelbgrün werden. Dies musste jedoch noch bewiesen werden. Das Erscheinen des gelbgrünen Lichts kann auch andere Gründe haben. Beispielsweise könnte es durch Lumineszenz entstehen – 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 fallenden Licht enthalten.

Die Wissenschaftler wiederholten ihr Experiment mit sechs verschiedenen Flüssigkeiten und zwei Dampfarten. Sie waren überzeugt, dass hier weder Lumineszenz noch andere Gründe eine Rolle spielen.

Die Tatsache, dass die Wellenlänge des sichtbaren Lichts zunimmt, wenn es in Materie gestreut wird, schien für Raman und Krishnan erwiesen. Es schien, dass ihre Suche von Erfolg gekrönt war. Sie entdeckten ein optisches Analogon des Compton-Effekts.

Damit die Experimente jedoch eine fertige Form hatten und die Schlussfolgerungen ausreichend überzeugend waren, war es notwendig, einen weiteren Teil der Arbeit zu erledigen. Es reichte nicht aus, eine Änderung der Wellenlänge festzustellen. Es war notwendig, das Ausmaß dieser Veränderung zu messen. Der erste Schritt wurde durch einen Lichtfilter unterstützt. Zum zweiten war er machtlos. Hier benötigten 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. Allerdings erwies sich die Wellenlänge als unerwartet groß. Viel mehr als erwartet. Dies störte die Forscher nicht.

Wie kann man sich hier nicht an Kolumbus erinnern? Er suchte nach einem Seeweg nach Indien und hatte, nachdem er Land gesehen hatte, keinen Zweifel daran, dass er sein Ziel erreicht hatte. Hatte er angesichts der roten Bewohner und der Fremdartigkeit der Neuen Welt Grund, an seinem Selbstvertrauen zu zweifeln?

Ist das nicht richtig? Raman und Krishnan wollen den Compton-Effekt entdecken sichtbares Licht, kamen zu dem Schluss, dass sie es gefunden hatten, indem sie das Licht untersuchten, das durch ihre Flüssigkeiten und Gase ging?! Hatten sie Zweifel, als Messungen eine unerwartet größere Änderung der Wellenlänge der Streustrahlen zeigten? Welche Schlussfolgerung zogen sie aus ihrer Entdeckung?

Laut indischen Wissenschaftlern haben sie gefunden, wonach sie gesucht haben. Am 23. März 1928 flog ein Telegramm mit einem Artikel mit dem Titel „Optische Analogie des Compton-Effekts“ nach London. Die Wissenschaftler schrieben: „Damit ist die optische Analogie des Compton-Effekts offensichtlich, außer dass wir es mit einer viel größeren Änderung der Wellenlänge zu tun haben ...“ Anmerkung: „Viel größer ...“

Tanz der Atome

Die Arbeit von Raman und Krishnan stieß bei Wissenschaftlern auf Beifall. Jeder bewunderte zu Recht ihre experimentelle Kunst. Für diese Entdeckung wurde Raman 1930 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Dem Brief der indischen Wissenschaftler war ein Foto des Spektrums beigefügt, auf dem sich die Linien befanden, die die Frequenz des einfallenden Lichts und des an den Molekülen der Substanz gestreuten Lichts darstellten. Laut Raman und Krishnan veranschaulichte dieses Foto ihre Entdeckung deutlicher als je zuvor.

Als Mandelstam und Landsberg dieses Foto betrachteten, sahen sie eine fast exakte Kopie des Fotos, das sie erhalten hatten! Doch als sie mit ihrer Erklärung vertraut wurden, erkannten sie sofort, dass Raman und Krishnan sich geirrt hatten.

Nein, indische Wissenschaftler haben nicht den Compton-Effekt entdeckt, sondern ein völlig anderes Phänomen, dasselbe, das sowjetische Wissenschaftler viele Jahre lang untersucht hatten ...

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

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

Die Forscher gaben einen kurzen Überblick über die Geschichte des Problems detaillierte Interpretation das Phänomen, das sie entdeckten.

Was war also dieses Phänomen, das vielen Wissenschaftlern Leid und Kopfzerbrechen bereitete?

Mandelstams tiefe Intuition und sein klarer analytischer Verstand sagten dem Wissenschaftler sofort, dass die festgestellten Veränderungen in der Frequenz des Streulichts nicht durch jene intermolekularen Kräfte verursacht werden konnten, die zufällige Wiederholungen der Luftdichte ausgleichen. Dem Wissenschaftler wurde klar, dass der Grund zweifellos in den Molekülen der Substanz selbst liegt und dass das Phänomen durch intramolekulare Schwingungen der Atome verursacht wird, aus denen das Molekül besteht.

Solche Schwingungen treten mit einer viel höheren Frequenz auf als diejenigen, die mit der Bildung und Resorption zufälliger Inhomogenitäten im Medium einhergehen. Es sind diese Schwingungen von Atomen in Molekülen, die das Streulicht beeinflussen. Die Atome scheinen es zu markieren, ihre Spuren darauf zu hinterlassen und es mit zusätzlichen Frequenzen zu verschlüsseln.

Es war eine schöne Vermutung, ein gewagter Vorstoß des menschlichen Denkens über die Absperrung der kleinen Festung der Natur hinaus – des Moleküls. Und diese Aufklärung brachte wertvolle Informationen über seine innere Struktur.

Hand in Hand

Bei dem Versuch, eine kleine Änderung der Frequenz des Streulichts zu erkennen, die durch intermolekulare Kräfte verursacht wird, wurde eine größere Änderung der Frequenz entdeckt, die durch intramolekulare Kräfte verursacht wird.

Um das neue Phänomen zu erklären, das als „Raman-Lichtstreuung“ bezeichnet wurde, reichte es daher aus, die von Mandelstam entwickelte Theorie der molekularen Streuung durch Daten über den Einfluss von Schwingungen von Atomen innerhalb von Molekülen zu ergänzen. Das neue Phänomen wurde als Ergebnis der Entwicklung von Mandelstams Idee entdeckt, die er bereits 1918 formulierte.

Ja, nicht ohne Grund, wie Akademiemitglied S.I. sagte. Vavilov: „Die Natur hat Leonid Isaakovich einen völlig ungewöhnlichen, aufschlussreichen, subtilen Geist geschenkt, der die Hauptsache, an der die Mehrheit gleichgültig vorbeiging, sofort bemerkte und verstand.“ So wurde das Fluktuationswesen der Lichtstreuung verstanden und so entstand die Idee einer Veränderung des Spektrums bei der Lichtstreuung, die zur Grundlage für die Entdeckung der Raman-Streuung wurde.“

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

Zum Zeitpunkt seiner Entdeckung schien es lediglich ein äußerst wertvoller Beitrag zur Wissenschaft zu sein.

Was ist mit Raman und Krishnan? Wie reagierten sie auf die Entdeckungen sowjetischer Wissenschaftler und auch auf ihre eigenen? Haben sie verstanden, was sie entdeckt hatten?

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

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

Und diese Parallelität war natürlich kein Zufall. Sie spricht über die Relevanz des Problems und seine große wissenschaftliche Bedeutung. Es ist nicht verwunderlich, dass die französischen Wissenschaftler Rocard und Kaban unabhängig voneinander Ergebnisse erzielten, die den Schlussfolgerungen von Mandelstam und Raman Ende April 1928 nahe kamen. Nach einiger Zeit erinnerten sich Wissenschaftler daran, dass der tschechische Physiker Smekal bereits 1923 das gleiche Phänomen theoretisch vorhergesagt hatte. Im Anschluss an die Arbeit von Smekal erschienen theoretische Forschungen von Kramers, Heisenberg und Schrödinger.

Offenbar kann nur ein Mangel an wissenschaftlichen Informationen die Tatsache erklären, dass Wissenschaftler in vielen Ländern an der Lösung des gleichen Problems arbeiteten, ohne es überhaupt zu wissen.

Siebenunddreißig Jahre später

Die Raman-Forschung hat nicht nur ein neues Kapitel in der Lichtwissenschaft aufgeschlagen. Gleichzeitig gaben sie der Technologie mächtige Waffen. Industrie erhalten tolle Möglichkeit Untersuchung der Eigenschaften der Materie.

Schließlich handelt es sich bei den Frequenzen der Raman-Streuung des Lichts um Abdrücke, die dem Licht von den Molekülen des Mediums überlagert werden, das das Licht streut. Und in verschiedene Substanzen diese Drucke sind nicht gleich. Dies gab Akademiemitglied Mandelstam das Recht, die Raman-Streuung von Licht als „Sprache der Moleküle“ zu bezeichnen. Wer die Spuren von Molekülen auf Lichtstrahlen lesen und die Zusammensetzung des Streulichts bestimmen kann, dem werden Moleküle mit dieser Sprache die Geheimnisse ihrer Struktur verraten.

Auf dem Negativ einer Raman-Spektrum-Fotografie sind nur Linien unterschiedlicher Schwärze zu sehen. Aber aus diesem Foto wird ein Spezialist die Frequenzen der intramolekularen Schwingungen berechnen, die im Streulicht auftraten, nachdem es die Substanz passiert hatte. Das Foto verrät Ihnen viele bisher unbekannte Aspekte des Innenlebens von Molekülen: über ihre Struktur, über die Kräfte, die Atome zu Molekülen verbinden, über die Relativbewegungen von Atomen. Indem sie lernten, Raman-Spektrogramme zu entschlüsseln, lernten Physiker, die besondere „Lichtsprache“ zu verstehen, mit der Moleküle über sich selbst erzählen. Die neue Entdeckung ermöglichte uns also einen tieferen Einblick Interne Struktur Moleküle.

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

Methoden zur Untersuchung von Materie mithilfe des Phänomens der Raman-Lichtstreuung wurden von Mitarbeitern des Labors des P.N. Physical Institute entwickelt. Lebedew-Akademie der Wissenschaften der UdSSR unter der Leitung von Akademiemitglied Landsberg.

Diese Methoden ermöglichen in einem Fabriklabor die schnelle und genaue Durchführung quantitativer und qualitativer Analysen von Flugbenzin, Crackprodukten, Erdölprodukten und vielen anderen komplexen organischen Flüssigkeiten. Dazu genügt es, den untersuchten Stoff zu beleuchten und mit einem Spektrographen die Zusammensetzung des von ihm gestreuten Lichts zu bestimmen. Es scheint sehr einfach zu sein. Doch bevor sich diese Methode als wirklich praktisch und schnell erwies, mussten die Wissenschaftler viel arbeiten, um präzise und empfindliche Geräte zu entwickeln. Und deshalb.

Von der gesamten Lichtenergie, die in den untersuchten Stoff gelangt, 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. Offenbar blieb die Raman-Streuung deshalb lange Zeit unbemerkt. Es ist nicht verwunderlich, dass für die Aufnahme der ersten Raman-Aufnahmen mehrere zehn Stunden dauernde Belichtungen erforderlich waren.

Moderne in unserem Land entwickelte Geräte ermöglichen es, innerhalb weniger Minuten, manchmal sogar Sekunden, ein Kombinationsspektrum reiner Substanzen zu erhalten! Selbst für die Analyse komplexer Gemische, in denen einzelne Substanzen in Mengen von mehreren Prozent vorliegen, reicht in der Regel eine Einwirkzeit von nicht mehr als einer Stunde aus.

Siebenunddreißig Jahre sind vergangen, seit die Sprache der auf Fotoplatten aufgezeichneten Moleküle von Mandelstam und Landsberg, Raman und Krishnan entdeckt, entschlüsselt und verstanden wurde. Seitdem wird weltweit hart daran gearbeitet, ein „Wörterbuch“ der Sprache der Moleküle zusammenzustellen, das Optiker einen Katalog der Raman-Frequenzen nennen. Wenn ein solcher Katalog erstellt wird, wird die Entschlüsselung von Spektrogrammen erheblich erleichtert und die Raman-Streuung wird noch umfassender in den Dienst von Wissenschaft und Industrie gestellt.