Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Кисловская СОШ» Томского района

Исследовательская работа

Тема: «Почему закат красный…»

(Дисперсия света)

Работу выполнила: ,

ученица 5А класса

Руководитель;

учитель химии

1. Введение ………………………………………………… 3

2. Основная часть…………………………………………… 4

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

Предмет изучения – закат и небо.

Гипотезы исследования:

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

Красный цвет можно получить в лабораторных условиях.

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

2. Основная часть

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

Что такое свет?

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

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

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

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

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

1. Призма разлагает свет.

2. Белый свет – сложный.

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

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

dispersio (лат.) – рассеяние, развеивание - дисперсия

Ньютона по дисперсии.

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

Спектр видимого излучения

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

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

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

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

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

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

Необычные явления

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

Кажется, будто полыхает пламя".

Что зыблет ясный ночью луч?

Что тонкий пламень в твердь разит?

Как молния без грозных туч

Стремится от земли в зенит?

Как может быть, чтоб мерзлый шар

Среди зимы рожал пожар?

Что такое полярное сияние? Как оно образуется?

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

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

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

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

Как происходит отражение и поглощение света.

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

Литература

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

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

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

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

Интернет ресурсы:

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

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

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

Мы все привыкли, что цвет неба — характеристика непостоянная. Туман, облака, время суток — все влияет на окраску купола над головой. Ежедневная ее смена не занимает умы большинства взрослых, чего нельзя сказать о детях. Они постоянно интересуются тем, почему небо голубое с точки зрения физики или что окрашивает закат в красный. Попытаемся разобраться в этих не самых простых вопросах.

Переменчивое

Начать стоит с ответа на вопрос о том, что, собственно, небо представляет собой. В древнем мире оно виделось действительно как купол, накрывающий Землю. Сегодня, однако, вряд ли кто-то не знает, что, на какую бы высоту ни поднялся любопытный исследователь, достичь этого купола он не сможет. Небо — это не вещь, а, скорее, панорама, которая открывается при взгляде с поверхности планеты, некая видимость, сотканная из света. Причем если наблюдать из разных точек, оно может выглядеть иначе. Так, из поднявшегося над облаками, открывается совсем иной вид, чем с земли в это время.

Ясное небо — голубое, но стоит набежать облакам — и оно становится серым, свинцовым или грязно-белым. Ночное небо — черное, иногда на нем можно заметить рыжеватые участки. Это отсвет искусственного освещения города. Причина всех подобных изменений — свет и его взаимодействие с воздухом и частичками различных веществ в нем.

Природа цвета

Для того чтобы ответить на вопрос о том, почему небо голубое с точки зрения физики, нужно вспомнить о том, что представляет собой цвет. Это волна определенной длины. Свет, идущий от Солнца к Земле, видится как белый. Еще с экспериментов Ньютона известно, что представляет собой пучок из семи лучей: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Цвета отличаются длиной волны. Красно-оранжевый спектр включает волны, наиболее внушительные по этому параметру. части спектра характеризуются короткой длиной волны. Разложение света на спектр происходит при столкновении его с молекулами различных веществ, при этом часть волн может быть поглощена, а часть — рассеяна.

Исследование причины

Многие ученые пытались объяснить, почему небо голубое, с точки зрения физики. Все исследователи стремились обнаружить явление или процесс, который в атмосфере планеты рассеивает свет таким образом, что в результате до нас доходит только голубой. Первыми кандидатами на роль подобных частиц были и воды. Считалось, что именно они поглощают красный свет и пропускают голубой, а в результате мы видим небо синего цвета. Последовавшие за этим подсчеты, однако, показали, что того количества озона, кристаллов льда и молекул водяного пара, которое есть в атмосфере, недостаточно для придания небу голубого цвета.

Причина в загрязнении

На следующем этапе исследований Джоном Тиндаллом было высказано предположение, что роль искомых частиц играет пыль. Синий свет обладает наибольшей стойкостью к рассеиванию, а потому способен пройти сквозь все слои пыли и других взвешенных частиц. Тиндалл провел эксперимент, подтвердивший его предположение. Он создал в условиях лаборатории модель смога и осветил ее ярким белым светом. Смог приобрел голубой оттенок. Ученый сделал однозначный вывод из своего исследования: цвет неба определяется частичками пыли, то есть если бы воздух Земли был чистым, то над головами людей светились не голубые, а белые небеса.

Исследование лорда

Окончательную точку в вопросе о том, почему небо голубое (с точки зрения физики), поставил английский ученый, лорд Д. Рэлей. Он доказал, что не пыль или смог окрашивает пространство над головой в привычный для нас оттенок. Дело в самом воздухе. Молекулы газа поглощают большую и в первую очередь самые длинные волны, эквивалентные красному. Синий при этом рассеивается. Именно так и сегодня объясняется то, какого цвета небо мы видим в ясную погоду.

Внимательные заметят, что, следуя логике ученых, купол над головой должен быть фиолетовым, поскольку именно у этого цвета самая короткая длина волны в видимом диапазоне. Однако это не ошибка: доля фиолетового в спектре значительно меньше, чем синего, да и глаза человека более чувствительны именно к последнему. По сути, видимый нами голубой — результат смешения синего с фиолетовым и некоторыми другими цветами.

Закаты и облака

Все знают, что в разное время суток можно увидеть разный цвет неба. Фото красивейших закатов над морем или озером — прекрасная иллюстрация этого. Всевозможные оттенки красного и желтого в сочетании с голубым и темно-синим делают подобное зрелище незабываемым. А объясняется оно все тем же рассеиванием света. Дело в том, что во время заката и рассвета солнечным лучам приходится преодолевать гораздо больший путь сквозь атмосферу, чем в разгар дня. При этом свет сине-зеленой части спектра рассеивается в разные стороны и облака, расположенные у линии горизонта, становятся окрашенными в оттенки красного.

Когда небо заволакивают облака, картина совершенно меняется. не в силах преодолеть плотный слой, и большая часть их просто не достигает земли. Лучи, сумевшие пройти сквозь тучи, встречаются с водными каплями дождя и облаков, которые вновь искажают свет. В результате всех этих превращений до земли доходит белый свет, если облака небольшие по размеру, и серый, когда небо закрывают внушительные тучи, вторично поглощающие часть лучей.

Иные небеса

Интересно, что на других планетах Солнечной системы при взгляде с поверхности можно увидеть небо, сильно отличное от земного. На космических объектах, обделенных атмосферой, солнечные лучи свободно достигают поверхности. В результате небо тут черное, без какого бы то ни было оттенка. Такую картину можно увидеть на Луне, Меркурии и Плутоне.

Марсианское небо имеет красно-оранжевый оттенок. Причина этого кроется в пыли, которой насыщена атмосфера планеты. Она окрашена в разные оттенки красного и оранжевого. Когда Солнце поднимается над горизонтом, марсианское небо становится розовато-красным, при этом участок его, непосредственно окружающий диск светила, видится голубым или даже фиолетовым.

Небо над Сатурном того же цвета, как на Земле. Над Ураном простираются аквамариновые небеса. Причина кроется в метановой дымке, расположенной в верхних планеты.

Венеру от глаз исследователей скрывает плотный слой облаков. Он же не позволяет дойти до поверхности планеты лучам сине-зеленого спектра, поэтому небо здесь желто-оранжевое с серой полоской вдоль горизонта.

Исследование дневного пространства над головой раскрывает не меньше чудес, чем изучение звездного неба. Понимание процессов, протекающих в облаках и за ними, помогает постичь причину довольно привычных для обывателя вещей, которые, тем не менее, объяснить с ходу может далеко не каждый.

Изучение и объяснение

Like Share Report 532 Views

Изучение и объяснение. цвета неба. Проектную работу выполнила Рубанова Ксения. Учитель физики И.А. Боярина.

Download Presentation

Изучение и объяснение

E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

No related presentations.

Presentation Transcript

Цвета неба Проектную работу выполнила Рубанова Ксения. Учитель физики И.А. Боярина

Частью голубое, а у горизонта белесое? Почему заходящее солнце обычно красное, а небо над ним окрашено в разные цвета? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно знать, как взаимодействует свет с молекулами атмосферных газов и с взвешенными в воздухе частицами. На некоторые из этих вопросов однозначные ответы еще не получены.

Считались предвестниками погоды. Таких примет довольно много и одно время считалось даже, что их изучение и есть главная задача атмосферной оптике (раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие, при прохождении света в атмосфере к ним относятся и цвет неба).

Русский геофизик П.И. Броунов (20 век). Подробные исследования показали между оптическими и физическими явлениями в атмосфере связь, существует. Стало ясно, что найти связь между оптическими явлениями и погодой можно, изучая природу оптических явлений и одновременно проникая в механизм физических явлений, вызывающих изменения погоды. Петр Иванович Браунов.

Цвет неба относятся, к 16 веку Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на темном фоне мирового пространства кажется синим.

Частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву» В начале 18 века Ньютон объяснил цвет неба отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. Л.Эйлер Исаак Ньютон

Синего цвета неба дал английский физик Рэлей (1871,1881).

Образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами воздуха пропорционально. Синие лучи рассеиваются, примерно, в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) – синий, а цвет Солнца (прямой солнечный свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь в атмосфере – красный. При этом рассеянный свет должен быть сильно поляризован, а под углом 90 градусов от направления Солнца поляризация должна быть полной.

Простое объяснение

Что такое небо?

Небо это бесконечность. Для любого народа, небо символ чистоты, ведь считается, что там живет сам Бог. Люди, обращаясь к небу, просят дождя, или наоборот солнца. То есть, небо не просто воздух, небо это символ чистоты и непорочности.

Небо - это всего лишь воздух, тот обычный воздух, которым мы ежесекундно дышим, тот которые нельзя увидеть и потрогать, потому что он прозрачный и невесомый. Но дышим-то мы прозрачным воздухом, почему же он над головой приобретает такой голубой цвет? Воздух содержит в себе несколько элементов, азот, кислород, углекислый газ, пары воды, различные пылинки, которые постоянно находятся в движении.

С точки зрения физики

На практике, как говорят физики, небо это просто воздух, окрашенный солнечными лучами. Если говорить проще, то солнце светит на Землю, но солнечные лучи для этого должны пройти через огромный слой воздуха, который буквально окутывает Землю. А так, как солнечный луч имеет множество цветов, а точнее семь цветов радуги. Для тех, кто не знает, стоит напомнить, что семь цветов радуги это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Причем, все эти цвета имеет каждый луч и он, проходя через этот слой воздуха, то он разбрызгивает во все стороны различные цвета радуги, но вот сильнее всего происходит раскидывание голубого цвета, за счет которого небо и приобретает голубую окраску. Если охарактеризовать коротко, то голубое небо - это брызги, которые дает луч, окрашенный в этот цвет.

А на Луне

Там нет атмосферы и следовательно, небо на Луне не голубое, а черное. Космонавты, которые выходят на орбиту видят черное-черное небо, на котором сверкают планеты и звезды. Конечно же, небо на Луне выглядит очень красиво, но всё-таки не хотелось бы видеть над головой постоянно черное небо.

Небо меняет цвет

Небо не всегда бывает голубого цвета, оно имеет свойство менять цвет. Все, наверное, замечали, что иногда оно беловатое, иногда иссиня-черное… Почему так? Например, ночью, когда солнце не посылает свои лучи, мы видим небо не голубым, атмосфера кажется нам прозрачной. И сквозь прозрачный воздух, человек может увидеть планеты и звезды. А днем, голубой цвет снова надежно спрячет от посторонних глаз таинственный космос.

Различные гипотезы Почему небо голубое? (гипотезы Гете, Ньютона, ученых XVIII в., Рэлея)

Каких только гипотез не выдвигалось в разное время для объяснения цвета неба. Наблюдая, как дым на фоне темного камина приобретает синеватый цвет, Леонардо да Винчи писал: „...светлота поверх темноты становится синей, тем более прекрасной, чем превосходными будут светлое и темное". Примерно такой же точки зрения придерживался Гёте , который был не только всемирно известным поэтом, но и крупнейшим ученым естествоиспытателем своего времени. Однако такое объяснение цвета неба оказалось несостоятельным, поскольку, как стало очевидно позднее, смешение черного и белого может дать только серые тона, а не цветные. Синий цвет дыма из камина обусловливается совершенно другим процессом.

После открытия интерференции, в частности в тонких пленках, Ньютон пытался применить интерференцию к объяснению цвета неба. Для этого ему пришлось допустить, что капли воды имеют форму тонкостенных пузырей, наподобие мыльных. Но так как капельки воды, содержащиеся в атмосфере, в действительности представляют собой сферы, то и эта гипотеза вскоре „лопнула", как мыльный пузырь.

Ученые XVIII в. Мариотт, Бугер, Эйлер думали, что голубой цвет неба объясняется собственным цветом составных частей воздуха. Такое объяснение даже получило некоторое подтверждение позднее, уже в XIX в., когда установили, что жидкий кислород имеет голубой цвет, а жидкий озон -- синий. Ближе всех к правильному объяснению цвета неба подошел О.Б. Соссюр. Он считал, что если бы воздух был абсолютно чистым, то небо было бы черным, но воздух содержит примеси, которые отражают преимущественно голубой цвет (в частности -- водяной пар и капельки воды). Ко второй половине XIX в. накопился богатый экспериментальным материал по рассеянию света в жидкостях и газах, в частности была обнаружена одна из характеристик рассеянного света, поступающего от небосвода,-- его поляризация. Первым ее открыл и исследовал Араго. Это было в 1809 г. Позднее исследованиями поляризации небесного свода занимались Бабине, Брюстер и другие ученые. Вопрос о цвете неба настолько приковывал внимание ученых, что проводимые эксперименты по рассеянию света в жидкостях и газах, имевшие гораздо более широкое значение, проводились под углом зрения „лабораторное воспроизведение голубого цвета неба". Об этом говорят и названия работ: „Моделирование голубого цвета неба" Брюкке или „О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще" Тиндаля. Успехи этих экспериментов направили мысли ученых по правильному пути -- искать причину голубого цвета неба в рассеянии солнечных лучей в атмосфере.

Первым, кто создал стройную, строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей. Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на самих молекулах воздуха. Первая работа Рэлея ПО рассеянию света была опубликована в 1871 г. В окончательном виде его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, установленной к тому времени, была изложена в работе „О свете от неба, его поляризации и цвете", вышедшей в свет в 1899 г. За работы в области рассеяния света Рэлея (его полное имя Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III) часто называют Рэлеем Рассеивающим, в отличие от его сына, лорда Рэлея IV. Рэлея IV за большой вклад в развитие физики атмосферы называют Рэлеем Атмосферным. Для объяснения цвета неба приведем только один из выводов теории Рэлея, к другим мы еще будем обращаться несколько раз при объяснении различных оптических явлений. Этот вывод гласит: яркость, или интенсивность, рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.

Прямой солнечный свет (т. е. свет, исходящий непосредственно от солнечного диска), теряя за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи, приобретает слабый желтоватый оттенок, который усиливается при опускании Солнца к горизонту. Теперь лучам приходится проходить в атмосфере все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых, т. е. фиолетовых, синих, голубых, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи -- красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба это два следствия одного и того же процесса рассеяния. В прямом свете, после того как он проходит сквозь толщу атмосферы, остаются преимущественно длинноволновые лучи (красное Солнце), в рассеянный свет попадают коротковолновые лучи (голубое небо). Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила загадку голубого неба и красного Солнца.

небо тепловой молекулярный рассеяние

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

Загадка небесной лазури

Почему небо голубое?...

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Первое решение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Досадный пустяк

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Спор

Кто же дерзнул подвергнуть сомнению общепризнанную рэлеевскую теорию?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Этой работой Планка заинтересовался Мандельштам.

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

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

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

Совпадение

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

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

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

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

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

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

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

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

Небо должно мерцать!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Остроумие и труд

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Удивительное открытие

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

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

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

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

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

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

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

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

С помощью солнца

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Колумбы

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

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

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

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

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

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

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

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

Танец атомов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рука об руку

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тридцать семь лет спустя

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

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

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

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

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

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

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

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

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