Kakšne barve je nebo? Zakaj je z vidika fizike nebo modro? Razlog je onesnaženje. Zakaj nebo spremeni barvo

Zakaj je nebo modro? Na tako preprosto vprašanje je težko najti odgovor. Mnogi znanstveniki so premlevali svoje možgane v iskanju odgovora. Najboljša rešitev problema je bila predlagana pred približno 100 leti angleški fizik Lord John Rayleigh.

Sonce oddaja osupljivo čisto belo svetlobo. To pomeni, da mora biti barva neba enaka, vendar je še vedno modra. Kaj se zgodi z belo svetlobo v zemeljskem ozračju?

Bela svetloba je mešanica barvnih žarkov. S pomočjo prizme lahko naredimo mavrico.

Prizma razdeli beli žarek na barvne trakove:

■Rdeča

■Oranžna

■ Rumena

■ Zelena

■ Modra

■ Vijolična

Ko se ti žarki združijo, ponovno tvorijo belo svetlobo. Predpostavimo lahko, da se sončna svetloba najprej razdeli na barvne komponente. Potem se nekaj zgodi in le modri žarki dosežejo površino Zemlje.

Zakaj je torej nebo modro?

Obstaja več možnih razlag. Zrak, ki obdaja Zemljo, je mešanica plinov: dušik, kisik, argon in drugi. V ozračju so tudi vodna para in ledeni kristali. Prah in drugi majhni delci se nahajajo v zraku. IN zgornje plasti V ozračju je plast ozona. Je to lahko razlog? Nekateri znanstveniki so verjeli, da molekule ozona in vode absorbirajo rdeče žarke in prepuščajo modre. Izkazalo pa se je, da v ozračju preprosto ni dovolj ozona in vode, da bi nebo obarvala modro.

Leta 1869 Anglež John Tindall predlagal, da prah in drugi delci razpršijo svetlobo. Modra svetloba se najmanj razprši in prehaja skozi plasti takšnih delcev, da doseže zemeljsko površje. V svojem laboratoriju je ustvaril model smoga in ga osvetlil s svetlo belim žarkom. Smog je postal temno moder. Tindall se je odločil, da če bi bil zrak popolnoma čist, potem nič ne bi razpršilo svetlobe in bi lahko občudovali svetlo belo nebo. Lord Rayleigh tudi podprl to idejo, vendar ne za dolgo. Leta 1899 je objavil svojo razlago:

Zrak, ne prah ali dim, obarva nebo modro.

Glavna teorija o modri barvi neba

Nekateri sončni žarki preidejo med molekule plina, ne da bi z njimi trčili, in nespremenjeni dosežejo zemeljsko površino. Drugi, večji del absorbirajo molekule plina. Ko se fotoni absorbirajo, se molekule vzbudijo, to pomeni, da se napolnijo z energijo in jo nato oddajajo v obliki fotonov. Ti sekundarni fotoni imajo različne valovne dolžine in so lahko katere koli barve od rdeče do vijolične. Odletijo v vse smeri: proti Zemlji, proti Soncu in vstran. Lord Rayleigh je predlagal, da je barva oddanega žarka odvisna od prevlade kvantov ene ali druge barve v žarku. Ko molekula plina trči s fotoni sončnih žarkov, obstaja osem modrih kvantov za en sekundarni rdeči kvant.

Kakšen je rezultat? Intenzivna modra svetloba dobesedno pada na nas iz vseh smeri iz milijard plinskih molekul v ozračju. Ta svetloba ima pomešane fotone drugih barv, zato ni čisto modra.

Zakaj je potem sončni zahod rdeč?

Vendar pa nebo ni vedno modro. Seveda se postavlja vprašanje: če vidimo čez dan modro nebo zakaj je sončni zahod rdeč? Rdečo barvo najmanj razpršijo molekule plina. Med sončnim zahodom se Sonce približa obzorju in sončni žarek ni usmerjen proti Zemljini površini ne navpično, kot podnevi, ampak pod kotom.

Zato je pot, ki jo prehodi skozi ozračje, veliko daljša od tiste, ki jo prehodi podnevi, ko je Sonce visoko. Zaradi tega se modro-modri spekter absorbira v debeli plasti atmosfere in ne doseže Zemlje. In daljši svetlobni valovi rdeče-rumenega spektra dosežejo površje Zemlje ter obarvajo nebo in oblake v rdeče in rumene barve, značilne za sončni zahod.

Znanstvena razlaga

Zgoraj smo podali odgovor v relativno preprostem jeziku. Spodaj navajamo utemeljitev uporabe znanstveni izrazi in formule.

Izvleček iz Wikija:

Razlog, da je nebo videti modro, je v tem, da zrak bolj razprši kratkovalovno svetlobo kot dolgovalovno svetlobo. Intenzivnost Rayleighovega sipanja, ki ga povzroča nihanje števila molekul zračnih plinov v prostorninah, sorazmernih z valovno dolžino svetlobe, je sorazmerna z 1/λ 4, λ je valovna dolžina, tj. vijolično območje. vidni spekter se razprši približno 16-krat bolj intenzivno kot rdeča. Ker ima modra svetloba krajšo valovno dolžino, se na koncu vidnega spektra bolj razprši v ozračje kot rdeča svetloba. Zaradi tega ima območje neba zunaj smeri Sonca modro barvo (vendar ne vijolično, ker je sončni spekter neenakomeren in je intenzivnost vijolične barve v njem manjša, pa tudi zaradi manjše občutljivosti očesa do vijolična barva in bolj na modro, ki draži ne le modro občutljive stožce v mrežnici, temveč tudi tiste, občutljive na rdeče in zelene žarke).

Med sončnim zahodom in zoro svetloba prehaja tangencialno na zemeljsko površje, torej to je pot, prehodna s svetlobo v ozračju postane veliko večja kot podnevi. Zaradi tega se večina modre in celo zelene svetlobe razprši zaradi neposredne sončne svetlobe, zato so neposredna sončna svetloba, pa tudi oblaki, ki jih osvetljuje, in nebo blizu obzorja obarvani rdeče.

Verjetno je lahko z drugačno sestavo ozračja, na primer na drugih planetih, barva neba, tudi ob sončnem zahodu, drugačna. Na primer, barva neba na Marsu je rdečkasto roza.

Sipanje in absorpcija sta glavna razloga za oslabitev jakosti svetlobe v ozračju. Sipanje se spreminja kot funkcija razmerja med premerom sipajočega delca in valovno dolžino svetlobe. Ko je to razmerje manjše od 1/10, pride do Rayleighovega sipanja, pri katerem je koeficient sipanja sorazmeren z 1/λ 4 . Pri večjih vrednostih razmerja med velikostjo sipajočih delcev in valovno dolžino se zakon sipanja spremeni po enačbi Gustave Mie; ko je to razmerje večje od 10, se zakoni geometrijske optike uporabljajo dovolj natančno za prakso.

Lepoto neba so večkrat upodabljali umetniki, opisovali pisatelji in pesniki, tudi ljudje, ki so zelo daleč od umetnosti, zrejo v to privlačno brezno, ga občudujejo, ne najdejo ne besed ne dovolj čustev, da bi izrazili tiste občutke, ki burijo dušo in um. Višina pritegne človeka v kakršni koli vlogi, lepa je s svojo kristalno modro površino, nič manj privlačni niso njeni kipeči tokovi belo-sivih oblakov, ki jih nadomestijo svetli vključki cirusov ali bujnih kumulusov »jagenjčkov«. In ne glede na to, kako melanholično je videti oblačno nebo, ki obdaja s svojo globino, oglušujoče in tlači s svojo celotno maso, povzroči tudi vihar čustev in izkušenj, ki pripelje misli do posebnega vala.

Lepoto vidi opazovalec

Vsaka oseba svet dojema drugače. Za nekatere je mračno in sivo, drugi pa, nasprotno, vidijo le cvetoč, zelen planet, poln barv. Tudi nebesa nad glavo ocenjujemo drugače. Če upoštevamo osebo z običajnim barvnim zaznavanjem, potem bo videl nebo, kot se običajno šteje - modro, sivo, rožnato ob sončnem zahodu, dimljeno sivo ob zori.

Pravzaprav so te barve le tisto, kar nam znajo posredovati naše oči in možgani. Oblačno nebo človeško oko najlažje zazna kot sivo. V jasnem vremenu imamo nad glavo neskončno modrino, v resnici pa je atmosferska kupola bližje vijoličnemu odtenku, gledano z Zemlje.

V tej publikaciji bomo izvedeli, zakaj je nebo sivo v oblačnem dnevu in kaj določa nasičenost te barve; izvedeli bomo tudi, kako se spreminja njegova barva skozi dan in leto ter kaj vpliva na te procese.

Zgoraj ocean brez dna

Nad ozemljem evropskih državah Nebo v topli sezoni običajno preseneti s svojo bogastvom. Včasih lahko rečete, da je modro-modro. Če pa se vsaj en dan posvetite dogajanju nad našimi glavami in pozorno opazujete naravne procese, boste opazili gradacijo barv, ki se zelo spreminja od trenutka, ko sonce vzide, do trenutka, ko popolnoma zaide.

Poleti se zdi nebo tako jasno in vizualno visoko zaradi nizke vlažnosti, pomanjkanja velika količina oblaki, ki se ob kopičenju vode postopoma spuščajo bližje tlom. V jasnem vremenu naš pogled niti ne gleda na stotine metrov naprej, ampak na razdaljo 1-1,5 km. Zato nebo zaznavamo kot visoko in svetlo – odsotnost motenj na poti svetlobnih žarkov v atmosferi zagotavlja, da se ti ne lomijo, oči pa njegovo barvo zaznajo kot modro.

Zakaj nebo spremeni barvo

To spremembo znanost opisuje, čeprav ne tako slikovito kot pisci, in jo imenuje difuzno sevanje neba. Če govorimo v preprostem in bralcu dostopnem jeziku, lahko procese nastajanja barv na nebu razložimo na naslednji način. Svetloba, ki jo oddaja sonce, prehaja skozi zračno plast okoli Zemlje, ki jo razprši. Ta proces poteka preprosteje pri valovih kratke dolžine. Med največjim dvigom nebeško telo nad našim planetom, na točki, ki se nahaja zunaj njegove smeri, bo opazna najsvetlejša in najbolj nasičena modra barva.

Ko pa sonce zaide ali vzide, njegovi žarki prehajajo tangencialno na površje Zemlje, svetloba, ki jo oddajajo, mora prehoditi daljšo pot, kar pomeni, da se v zraku razpršijo v veliko večji meri kot podnevi. Posledično človek zjutraj in zvečer zaznava nebo v rožnatih in rdečih barvah. Ta pojav je najbolj viden, ko je nad nami oblačno nebo. Oblaki in oblaki takrat postanejo zelo svetli, sij zahajajočega sonca jih obarva osupljivo

Stormsteel

Toda kaj je oblačno nebo? Zakaj postane tako? Ta pojav je eden od členov vodnega cikla narave. Delci vode, ki se dvigajo navzgor v obliki pare, vstopijo v atmosferski sloj z nižjo temperaturo. Nabiranje in hlajenje naprej visoka nadmorska višina, se povežejo med seboj in se spremenijo v kapljice. V tistem trenutku, ko so ti delci še zelo majhni, se našim očem prikažejo čudoviti beli kumulusi. Vendar, večje ko postajajo kapljice, več sivine je v oblakih.

Včasih ob pogledu na nebo, po katerem plavajo ta ogromna "jagnjeta", vidiš, da je en del obarvan siva, drugi dobijo celo jekleno gromozanski odtenek. Ta preobrazba je razložena z dejstvom, da imajo kapljice v oblakih različne velikosti in oblike, zato različno lomijo svetlobo. Ko je nebo popolnoma oblačno, je v celoti obarvano v mišje sive tone, do nas pride le bela svetloba.

Široka zadimljena prostranstva

So dnevi, ko sivo oblačno nebo nima niti ene jasnine. To se zgodi, ko je koncentracija oblakov in oblakov zelo visoka, ovijejo celoten vizualni prostor zgoraj. Včasih jih dojemamo kot ogromno pritiskajočo gmoto, pripravljeno, da se zruši na glavo. Poleg tega je ta pojav najbolj značilen jeseni in pozimi, ko je temperatura zraka nizka, vlažnost pa je, nasprotno, visoka in je na ravni 80-90%.

V takšnih dneh so oblaki zelo blizu zemeljske površine, nahajajo se le sto ali dva metra od nje. Opis oblačnega neba ima pogosto melanholične in depresivne note, kar je najverjetneje povezano ravno s tistimi občutki, ki se pojavijo, ko se počutite sami s tem mračnim kolosom, pripravljenim, da vas pade z dežjem in mrazom.

A vse bi lahko bilo drugače...

Toni, v katerih igra nebo, so odvisni od jakosti svetlobnega sevanja in valovne dolžine, ki doseže planet, zato je pozimi tudi ob jasnih dneh modrikasto modro. A bližje kot je pomlad in višje ko je sonce, svetlejša je njegova modrina, zlasti v dneh, ko se meglica v zgornji atmosferi, ki izkrivlja svetlobo, razblini.

Znanstveniki so ugotovili, da na drugih planetih nebo morda nima modrih in modrih barv, ki smo jih vajeni. sive barve, na Marsu je denimo roza tudi na visoki dnevni svetlobi.

Zakaj je nebo modro? Zakaj je Sonce rumeno? Ta vprašanja, tako naravna, so se pojavila pred osebo z davni časi. Da pa bi dobili pravilno razlago teh pojavov, so bila potrebna prizadevanja izjemnih znanstvenikov srednjega veka in poznejših časov, vse do konec XIX V.

Kakšne hipoteze so obstajale? Za razlago barve neba so bile ob različnih časih postavljene vse vrste hipotez. 1. hipoteza Ko je opazoval, kako dim na ozadju temnega kamina dobi modrikasto barvo, je Leonardo da Vinci zapisal: ... svetloba nad temo postane modra, čim lepša sta svetloba in temno odlična " Goethe se je držal približno iste točke pogled, ki ni bil le svetovno znan pesnik, ampak tudi največji naravoslovec svojega časa, vendar se je ta razlaga barve neba izkazala za nevzdržno, saj je, kot je postalo očitno kasneje, mešanje črne in bele. lahko daje le sive tone, ne pa tudi modre barve dima iz kamina, ki ga povzroči povsem drugačen proces.

Kakšne hipoteze so obstajale? Hipoteza 2 Po odkritju motenj, zlasti v tanki filmi, je Newton poskušal z interferenco razložiti barvo neba. Za to je moral domnevati, da imajo vodne kapljice obliko tankostenskih mehurčkov, kot so milni mehurčki. A ker so kapljice vode v atmosferi pravzaprav krogle, je ta hipoteza kmalu počila kot milni mehurček.

Kakšne hipoteze so obstajale? 3 hipoteza Znanstveniki 18. stol. Marriott, Bouguer, Euler so menili, da modro barvo neba razlaga njegova lastna barva. komponente zrak. Ta razlaga je kasneje, že v 19. stoletju, dobila celo nekaj potrditve, ko so ugotovili, da je tekoči kisik modre barve in tekoči ozon modre barve. Najbolj se je pravilni razlagi barve neba približal O. B. Saussure. Verjel je, da če bi bil zrak popolnoma čist, bi bilo nebo črno, vendar zrak vsebuje nečistoče, ki odsevajo pretežno modro barvo (predvsem vodno paro in vodne kapljice).

Rezultati študije: Prvi, ki je ustvaril vitko, strogo matematična teorija molekularno sipanje svetlobe v atmosferi, je bil angleški znanstvenik Rayleigh. Verjel je, da do sipanja svetlobe ne pride na nečistočah, kot so mislili njegovi predhodniki, ampak na samih molekulah zraka. Za razlago barve neba predstavljamo le enega od sklepov Rayleighove teorije:

Rezultati študije: barva mešanice razpršenih žarkov bo modra ali intenzivnost razpršene svetlobe se spreminja v obratnem sorazmerju s četrto potenco valovne dolžine svetlobe, ki vpada na razpršeni delec. Tako je molekularno sipanje izjemno občutljivo na najmanjšo spremembo valovne dolžine svetlobe. Na primer, valovna dolžina vijoličnih žarkov (0,4 mikrona) je približno dvakrat večja manjša dolžina rdeči valovi (0,8 µm). Zato se bodo vijolični žarki sipali 16-krat močneje od rdečih, pri enaki jakosti vpadnih žarkov pa jih bo v razpršeni svetlobi 16-krat več. Vsi ostali barvni žarki vidnega spektra (modra, cian, zelena, rumena, oranžna) bodo vključeni v razpršeno svetlobo v količinah, ki so obratno sorazmerne s četrto potenco valovne dolžine vsakega od njih. Če zdaj vse barvne razpršene žarke zmešamo v tem razmerju, bo barva mešanice razpršenih žarkov modra.

Literatura: S.V. Zvereva. V svetu sončne svetlobe, Gidrometeoizdat, 1988

Preprosta razlaga

Kaj so nebesa?

Nebo je neskončnost. Za vsak narod je nebo simbol čistosti, saj se verjame, da tam živi sam Bog. Ljudje, ki se obračajo proti nebu, prosijo za dež ali obratno za sonce. Se pravi, nebo ni samo zrak, nebo je simbol čistosti in nedolžnosti.

nebo - to je samo zrak, tisti običajen zrak, ki ga dihamo vsako sekundo, ki ga ni mogoče videti ali se ga dotakniti, ker je prozoren in brez teže. Toda dihamo prozoren zrak, zakaj dobi tako modro barvo nad našimi glavami? Zrak vsebuje več elementov: dušik, kisik, ogljikov dioksid, vodno paro in različne prašne delce, ki so v stalnem gibanju.

Z vidika fizike

V praksi, kot pravijo fiziki, je nebo le zrak, obarvan s sončnimi žarki. Poenostavljeno povedano, Zemljo sije sonce, vendar sončni žarki Da bi to naredili, morajo iti skozi ogromno plast zraka, ki dobesedno ovija Zemljo. In tako kot ima sončni žarek veliko barv, bolje rečeno sedem barv mavrice. Za tiste, ki ne vedo, je vredno spomniti, da je sedem barv mavrice rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo, vijolična.

Poleg tega ima vsak žarek vse te barve in ob prehodu skozi to plast zraka razprši različne barve mavrice v vse smeri, a najmočnejše je sipanje modra barva, zaradi česar nebo dobi modro barvo. Če na kratko opišem, so modro nebo pljuski, ki jih proizvaja žarek, obarvan v tej barvi.

In na luni

Atmosfere ni in zato nebo na Luni ni modro, ampak črno. Astronavti, ki gredo v orbito, vidijo črno, črno nebo, na katerem se lesketajo planeti in zvezde. Seveda je nebo na Luni videti zelo lepo, a vseeno ne bi želeli videti nenehno črnega neba nad glavo.

Nebo spremeni barvo

Nebo ni vedno modro; rado spreminja barvo. Verjetno je že vsak opazil, da je včasih belkasta, včasih modro-črna ... Zakaj je tako? Na primer, ponoči, ko sonce ne pošilja svojih žarkov, vidimo nebo ne modro, ozračje se nam zdi prozorno. In skozi prozoren zrak lahko človek vidi planete in zvezde. In čez dan bo modra barva spet zanesljivo skrila skrivnostni prostor pred radovednimi očmi.

Različne hipoteze Zakaj je nebo modro? (hipoteze Goetheja, Newtona, znanstveniki XVIII c., Rayleigh)

Za razlago barve neba so bile ob različnih časih postavljene vse vrste hipotez. Ko je opazoval, kako dim na ozadju temnega kamina dobi modrikasto barvo, je Leonardo da Vinci zapisal: "... svetloba nad temo postane modra, lepša, boljša sta svetloba in temno." Držal se je približno enakega stališče Goethe, ki ni bil le svetovno znan pesnik, ampak tudi največji naravoslovec svojega časa. Vendar se je ta razlaga o barvi neba izkazala za nevzdržno, saj, kot se je kasneje pokazalo, z mešanjem črne in bele lahko nastanejo le sivi toni, ne pa barvnih. Modro barvo dima iz kamina povzroča povsem drugačen proces.

Po odkritju motenj, zlasti v tankih filmih, Newton poskušal z interferenco razložiti barvo neba. Za to je moral domnevati, da imajo vodne kapljice obliko tankostenskih mehurčkov, kot so milni mehurčki. A ker so kapljice vode v ozračju pravzaprav krogle, je ta hipoteza kmalu »počila« kot milni mehurček.

Znanstveniki 18. stoletja Marriott, Bouguer, Euler Mislili so, da je modra barva neba posledica notranje barve sestavin zraka. Ta razlaga je kasneje, že v 19. stoletju, dobila celo nekaj potrditve, ko so ugotovili, da je tekoči kisik modre barve, tekoči ozon pa modre barve. Najbolj se je pravilni razlagi barve neba približal O.B. Sausure. Verjel je, da če bi bil zrak popolnoma čist, bi bilo nebo črno, vendar zrak vsebuje nečistoče, ki odsevajo pretežno modro barvo (predvsem vodno paro in vodne kapljice). Do druge polovice 19. stol. Nabralo se je bogato eksperimentalno gradivo o sipanju svetlobe v tekočinah in plinih, zlasti je bila odkrita ena od značilnosti razpršene svetlobe, ki prihaja z neba, njena polarizacija. Arago ga je prvi odkril in raziskal. To je bilo leta 1809. Kasneje so Babinet, Brewster in drugi znanstveniki proučevali polarizacijo neba. Vprašanje barve neba je tako pritegnilo pozornost znanstvenikov, da so poskusi o sipanju svetlobe v tekočinah in plinih, ki so imeli veliko več širok pomen, so bile izvedene iz zornega kota »laboratorijske reprodukcije modre barve neba«. neba, polarizacija svetlobe z motno snovjo na splošno« Tyndallovih uspehov je usmeril misli znanstvenikov v pravo smer - iskati razlog za modro barvo neba v sipanju sončne svetlobe. vzdušje.

Prvi, ki je ustvaril harmonično, strogo matematično teorijo molekularnega sipanja svetlobe v ozračju, je bil angleški znanstvenik Rayleigh. Verjel je, da do sipanja svetlobe ne pride na nečistočah, kot so mislili njegovi predhodniki, ampak na samih molekulah zraka. Rayleighovo prvo delo o sipanju svetlobe je bilo objavljeno leta 1871. V svoji končni obliki je bila njegova teorija sipanja, ki temelji na elektromagnetni naravi svetlobe, uveljavljeni v tistem času, predstavljena v delu "O svetlobi z neba, njeni polarizaciji in barvi". ,« objavljeno leta 1899 Zaradi svojega dela na področju sipanja svetlobe Rayleigha (njegovo polno ime je John William Strett, Lord Rayleigh III.) pogosto imenujejo Rayleigh Razpršilec, v nasprotju z njegovim sinom, Lordom Rayleighom IV. velik prispevek v razvoju atmosferske fizike se imenuje atmosferski Rayleigh. Za razlago barve neba bomo predstavili le enega od zaključkov Rayleighove teorije, na druge se bomo večkrat sklicevali pri razlagi različnih optični pojavi. Ta sklep navaja, da se svetlost ali intenzivnost razpršene svetlobe spreminja obratno s četrto potenco valovne dolžine svetlobe, ki vpada na razpršeni delec. Tako je molekularno sipanje izjemno občutljivo na najmanjšo spremembo valovne dolžine svetlobe. Na primer, valovna dolžina vijoličnih žarkov (0,4 µm) je približno polovica valovne dolžine rdečih žarkov (0,8 µm). Zato se bodo vijolični žarki sipali 16-krat močneje od rdečih, pri enaki jakosti vpadnih žarkov pa jih bo v razpršeni svetlobi 16-krat več. Vsi ostali barvni žarki vidnega spektra (modra, cian, zelena, rumena, oranžna) bodo vključeni v razpršeno svetlobo v količinah, ki so obratno sorazmerne s četrto potenco valovne dolžine vsakega od njih. Če zdaj vse barvne razpršene žarke zmešamo v tem razmerju, potem bo barva mešanice razpršenih žarkov modra.

Neposredna sončna svetloba (tj. svetloba, ki izhaja neposredno iz sončnega diska), ki zaradi sipanja izgublja predvsem modre in vijolične žarke, dobi šibek rumenkast odtenek, ki se stopnjuje, ko se sonce spušča proti obzorju. Zdaj morajo žarki prepotovati vse daljšo pot skozi ozračje. Na dolgi poti je vse bolj opazna izguba kratkovalovnih, to so vijolični, modri, cian žarki, v neposredni svetlobi Sonca ali Lune pa pretežno dolgovalovnih žarkov - rdeči, oranžni, rumeni. dosežejo površje Zemlje. Zato barva Sonca in Lune najprej postane rumena, nato oranžna in rdeča. Rdeča barva Sonca in modra barva neba sta dve posledici istega procesa sipanja. Pri direktni svetlobi po prehodu skozi ozračje ostanejo pretežno dolgovalovni žarki (rdeče Sonce), pri difuzni svetlobi pa kratkovalovni žarki (modro nebo). Tako je Rayleighova teorija zelo jasno in prepričljivo pojasnila skrivnost modro nebo in rdeče sonce.

nebo toplotno molekularno sipanje

Radost videnja in razumevanja
je najlepše darilo narave.
Albert EINSTEIN

Skrivnost nebesne modrine

Zakaj je nebo modro?...

Ni človeka, ki o tem ne bi razmišljal vsaj enkrat v življenju. Že srednjeveški misleci so poskušali pojasniti izvor barve neba. Nekateri med njimi so predlagali, da je modra barva prava barva zrak ali kateri koli njegov sestavni plin. Drugi so mislili, da je prava barva neba črna – tako je videti ponoči. Čez dan se črna barva neba združi z belo barvo sončnih žarkov in rezultat je ... modra.

Zdaj morda ne boste srečali osebe, ki bi v želji po modri barvi mešala črno in belo. In bil je čas, ko so bili zakoni mešanja barv še nejasni. Pred komaj tristo leti jih je postavil Newton.

Newtona je začela zanimati tudi skrivnost modrega neba. Začel je z zavrnitvijo vseh prejšnjih teorij.

Prvič, je trdil, mešanica bele in črne nikoli ne proizvede modre barve. Drugič, modra sploh ni prava barva zraka. Če bi bilo tako, potem Sonce in Luna ob sončnem zahodu ne bi bila videti rdeča, kot sta v resnici, ampak modra. Tako bi bili videti vrhovi oddaljenih zasneženih gora.

Predstavljajte si, da je zrak obarvan. Tudi če je zelo šibek. Potem bi njegova debela plast delovala kot poslikano steklo. In če pogledate skozi pobarvano steklo, se zdi, da so vsi predmeti iste barve kot to steklo. Zakaj se nam oddaljeni zasneženi vrhovi zdijo rožnati in ne modri?

V sporu s predhodniki je bila resnica na Newtonovi strani. Dokazal je, da zrak ni obarvan.

Toda še vedno ni rešil uganke nebeškega azurja. Zmedla ga je mavrica, eden najlepših, poetičnih pojavov narave. Zakaj se nenadoma pojavi in prav tako nepričakovano izgine? Newton se ni mogel zadovoljiti s prevladujočim vraževerjem: mavrica je znamenje od zgoraj, napoveduje lepo vreme. Vsakemu pojavu je skušal najti materialni vzrok. Našel je tudi razlog za mavrico.

Mavrice so posledica loma svetlobe v dežnih kapljicah. Ko je to razumel, je Newton lahko izračunal obliko mavričnega loka in razložil zaporedje barv mavrice. Njegova teorija ni znala razložiti le pojava dvojne mavrice, ampak je to uspelo šele tri stoletja kasneje s pomočjo zelo zapletene teorije.

Uspeh teorije mavrice je hipnotiziral Newtona. Zmotno se je odločil, da sta modra barva neba in mavrica posledica istega razloga. Mavrica zares izbruhne, ko se sončni žarki prebijejo skozi roj dežnih kapelj. Toda modrina neba ni vidna samo v dežju! Nasprotno, prav ob jasnem vremenu, ko ni niti kančka dežja, je nebo še posebej modro. Kako tega veliki znanstvenik ni opazil? Newton je menil, da drobni mehurčki vode, ki po njegovi teoriji tvorijo le modri del mavrice, lebdijo v zraku v vsakem vremenu. Toda to je bila zabloda.

Prva rešitev

Skoraj 200 let je minilo in to vprašanje je prevzel še en angleški znanstvenik - Rayleigh, ki se ni bal, da naloga presega moč celo velikega Newtona.

Rayleig je študiral optiko. In ljudje, ki svoje življenje posvetijo študiju svetlobe, preživijo veliko časa v temi. Tuja svetloba moti najfinejše poskuse, zato so okna optičnega laboratorija skoraj vedno prekrita s črnimi, neprepustnimi zavesami.

Rayleigh je ostal ure in ure v svojem mračnem laboratoriju sam s svetlobnimi žarki, ki so uhajali iz instrumentov. Na poti žarkov so se vrtinčili kot živi prah. Bili so močno osvetljeni in so zato izstopali na temnem ozadju. Znanstvenik je morda dolgo časa zamišljen opazoval njihove gladke gibe, tako kot človek opazuje igro isker v kaminu.

Ali niso Rayleighu predlagali ti drobci prahu, ki plešejo v svetlobnih žarkih nova misel o izvoru barve neba?

Že v starih časih je postalo znano, da svetloba potuje premočrtno. To pomembno odkritje bi lahko že prišlo primitivni človek, opazujoč, kako sončni žarki, ki se prebijajo skozi razpoke koče, padajo na stene in tla.

Toda skoraj ga ni motila misel, zakaj vidi svetlobni žarki, ki jih gleda od strani. In tukaj je nekaj za razmišljati. Navsezadnje sončna svetloba sije iz razpoke na tla. Oko opazovalca je postavljeno ob strani in kljub temu vidi to svetlobo.

Vidimo tudi svetlobo reflektorja, usmerjenega v nebo. To pomeni, da je del svetlobe nekako odklonjen ravna pot in gre v naše oko.

Kaj ga spravlja na stranpoti? Izkazalo se je, da so to same pike prahu, ki napolnijo zrak. V naše oko pridejo žarki, ki jih razprši drobec prahu, in žarki, ki ob naletenju na ovire zavijejo s ceste in se premočrtno širijo od razpršenega prahu do našega očesa.

"Ali so te pike prahu tiste, ki obarvajo nebo modro?" – je nekega dne pomislil Rayleig. Izračunal je in ugibanje se je spremenilo v gotovost. Našel je razlago za modro barvo neba, rdeče zore in modro meglico! No, seveda drobna zrnca prahu, katerih velikost je manjša od valovne dolžine svetlobe, sipajo sončno svetlobo in čim krajša je njena valovna dolžina, tem močneje, je leta 1871 napovedal Rayleigh. In ker je vijolična in modri žarki Ker imajo najkrajšo valovno dolžino v vidnem sončnem spektru, se najmočneje razpršijo in dajo nebu modro barvo.

Sonce in zasneženi vrhovi so ubogali ta Rayleighov izračun. Teorijo znanstvenika so celo potrdili. Ob sončnem vzhodu in zahodu, ko sončna svetloba prehaja skozi največjo debelino zraka, se vijolični in modri žarki, pravi Rayleighova teorija, najmočneje razpršijo. Ob tem skrenejo z ravne poti in opazovalcu ne padejo v oči. Opazovalec vidi predvsem rdeče žarke, ki pa so sipani precej šibkeje. Zato se nam sonce ob vzhodu in zahodu zdi rdeče. Iz istega razloga so vrhovi oddaljenih zasneženih gora rožnati.

Gledam jasno nebo, vidimo modro-modre žarke, ki zaradi sipanja odstopajo od ravne poti in vstopajo v naše oči. In tudi meglica, ki jo včasih vidimo blizu obzorja, se nam zdi modra.

Nadležna malenkost

Ali ni lepa razlaga? Sam Rayleigh je bil tako navdušen nad tem, znanstveniki so bili tako presenečeni nad skladnostjo teorije in Rayleighovo zmago nad Newtonom, da nihče od njih ni opazil ene preproste stvari. Ta malenkost pa bi morala povsem spremeniti njihovo oceno.

Kdo bo zanikal, da je daleč od mesta, kjer je v zraku veliko manj prahu, modra barva neba še posebej jasna in svetla? Sam Rayleigh je to težko zanikal. Torej ... niso prašni delci tisti, ki razpršijo svetlobo? Kaj potem?

Ponovno je pregledal vse svoje izračune in se prepričal, da so njegove enačbe pravilne, vendar je to pomenilo, da razpršeni delci res niso prašna zrnca. Poleg tega so zrnca prahu, ki so prisotna v zraku, veliko daljša od valovne dolžine svetlobe, in izračuni so prepričali Rayleigha, da velik grozd Modrina neba jih ne okrepi, ampak, nasprotno, oslabi. Sipanje svetlobe vklopljeno veliki delci ax je šibko odvisna od valovne dolžine in zato ne povzroči spremembe njene barve.

Ko se svetloba razprši na velikih delcih, ostane tako razpršena kot prepuščena svetloba bela, zato videz velikih delcev v zraku daje nebu belkasto barvo, kopičenje velikega števila velikih kapljic pa povzroči bela oblaki in megla. To je enostavno preveriti na navadni cigareti. Dim, ki prihaja iz njega iz ustnika, je vedno videti belkast, dim, ki se dviga z njegovega gorečega dela, pa je modrikaste barve.

Najmanjši delci dima, ki se dvigajo iz gorečega konca cigarete, so manjši od valovne dolžine svetlobe in po Rayleighovi teoriji razpršijo pretežno vijolično in modro barvo. Toda pri prehodu skozi ozke kanale v debelini tobaka se delci dima zlepijo (koagulirajo) in združijo v večje kepe. Mnogi od njih postanejo večji od valovnih dolžin svetlobe in sipajo vse valovne dolžine svetlobe približno enako. Zato je dim, ki prihaja iz ustnika, videti belkast.

Da, neuporabno je bilo razpravljati in zagovarjati teorijo, ki temelji na drobcih prahu.

Tako se je pred znanstveniki znova pojavila skrivnost modre barve neba. Toda Rayleigh se ni vdal. Če je modra barva neba čistejša in svetlejša, čim čistejše je ozračje, je razmišljal, potem barve neba ne more povzročiti nič drugega kot same molekule zraka. Molekule zraka, je zapisal v svojih novih člankih, so tiste drobni delci ki razpršujejo svetlobo sonca!

Tokrat je bil Rayleigh zelo previden. Preden je prijavil svojo novo idejo, se je odločil, da jo preizkusi, da nekako primerja teorijo z izkušnjami.

Priložnost se je ponudila leta 1906. Rayleighu je pri tem pomagal ameriški astrofizik Abbott, ki je proučeval modri sij neba na observatoriju Mount Wilson. Z obdelavo rezultatov merjenja svetlosti neba na podlagi Rayleighove teorije sipanja je Abbott izračunal število molekul, ki jih vsebuje vsak kubični centimeter zraka. Izkazalo se je ogromno! Dovolj je reči, da če bi bile te molekule razdeljene vsem prebivalcem globus, potem bo vsak dobil več kot 10 milijard teh molekul. Skratka, Abbott je odkril, da vsak kubični centimeter zraka pri normalni atmosferski temperaturi in tlaku vsebuje 27 milijard krat milijardo molekul.

Število molekul v kubičnem centimetru plina je mogoče določiti na različne načine na podlagi popolnoma različnih in neodvisnih pojavov. Vsi vodijo do zelo ujemajočih se rezultatov in dajejo število, imenovano Loschmidtovo število.

To število je znanstvenikom dobro znano in je večkrat služilo kot merilo in nadzor pri razlagi pojavov v plinih.

In tako je število, ki ga je dobil Abbott pri merjenju sijaja neba, z veliko natančnostjo sovpadalo z Loschmidtovim številom. Toda v svojih izračunih je uporabil Rayleighovo teorijo sipanja. Tako je to jasno dokazalo, da je teorija pravilna, molekularno sipanje svetlobe res obstaja.

Zdelo se je, da je Rayleighova teorija zanesljivo potrjena z izkušnjami; vsi znanstveniki so jo imeli za brezhibno.

Postala je splošno sprejeta in vključena v vse učbenike optike. Lahko bi si oddahnili: končno je bila najdena razlaga za pojav, ki je bil tako znan, a hkrati skrivnosten.

Toliko bolj presenetljivo je, da se je leta 1907 na straneh znane znanstvene revije ponovno postavilo vprašanje: zakaj je nebo modro?!

Spor

Kdo si je drznil dvomiti v splošno sprejeto Rayleighovo teorijo?

Nenavadno je bil to eden Rayleighovih najbolj gorečih oboževalcev in oboževalcev. Morda nihče ni tako cenil in razumel Rayleigha, tako dobro poznal njegovih del in se ni tako zanimal za njegovo znanstveno delo kot mladi ruski fizik Leonid Mandelstam.

»Značaj uma Leonida Isaakoviča,« se je pozneje spominjal drugi sovjetski znanstvenik, akademik N.D. Papaleksi - je imel veliko skupnega z Rayleighom. In ni naključje, da so poti njune znanstvene ustvarjalnosti pogosto tekle vzporedno in se večkrat križale.

Tudi tokrat so se prekrižali pri vprašanju izvora barve neba. Pred tem se je Mandelstam zanimal predvsem za radijsko tehniko. Na začetku našega stoletja je bilo to povsem novo področje znanosti in malokdo ga je razumel. Po odkritju A.S. Popov (leta 1895) je minilo le nekaj let in ni bilo konca dela. Mandelstam je v kratkem času izvedel veliko resnih raziskav na tem področju elektromagnetne vibracije v zvezi z radiotehničnimi napravami. Leta 1902 je zagovarjal disertacijo in pri triindvajsetih letih prejel diplomo doktorja naravne filozofije na univerzi v Strasbourgu.

Ob ukvarjanju z vprašanji vzbujanja radijskih valov je Mandeljštam seveda študiral dela Rayleigha, ki je bil priznana avtoriteta v proučevanju nihajnih procesov. In mladi zdravnik se je neizogibno seznanil s problemom barvanja neba.

Toda, ko se je seznanil z vprašanjem barve neba, Mandelstam ni le pokazal zmote ali, kot je sam dejal, "neustreznosti" splošno sprejete teorije molekularnega sipanja svetlobe Rayleigha, ne le razkril skrivnost modre barve neba, ampak tudi postavil temelje za raziskave, ki so pripeljale do enega od najpomembnejša odkritja fizika XX stoletja.

Vse se je začelo s sporom v odsotnosti z enim največjih fizikov, očetom kvantne teorije, M. Planckom. Ko se je Mandelstam seznanil z Rayleighovo teorijo, ga je očarala s svojo zadržanostjo in notranjimi paradoksi, ki jih stari, zelo izkušeni Rayleigh na presenečenje mladega fizika ni opazil. Nezadostnost Rayleighove teorije se je še posebej jasno pokazala pri analizi druge teorije, ki jo je na njeni podlagi zgradil Planck, da bi razložil slabljenje svetlobe pri prehodu skozi optično homogen prozoren medij.

V tej teoriji je bilo za osnovo vzeto, da so same molekule snovi, skozi katere prehaja svetloba, viri sekundarnih valov. Za ustvarjanje teh sekundarnih valov, je trdil Planck, se porabi del energije prehajajočega vala, ki se oslabi. Vidimo, da ta teorija temelji na Rayleighovi teoriji molekularnega sipanja in se opira na njeno avtoriteto.

Bistvo zadeve najlažje razumemo tako, da opazujemo valove na gladini vode. Če val naleti na nepremične ali lebdeče predmete (koli, hlode, čolne itd.), se majhni valovi razpršijo v vse smeri od teh predmetov. To ni nič drugega kot trošenje. Del energije vpadnega valovanja se porabi za vzbujanje sekundarnih valov, ki so precej podobni sipani svetlobi v optiki. V tem primeru je začetni val oslabljen - zbledi.

Plavajoči predmeti so lahko veliko manjši od valovne dolžine, ki potuje skozi vodo. Tudi majhna zrna bodo povzročila sekundarne valove. Seveda, ko se velikost delcev zmanjša, sekundarni valovi, ki jih tvorijo, oslabijo, vendar bodo še vedno jemali energijo glavnega vala.

Približno tako si je Planck predstavljal proces oslabitve svetlobnega valovanja ob prehodu skozi plin, vendar so vlogo zrnc v njegovi teoriji odigrale molekule plina.

Mandelstam se je začel zanimati za to Planckovo delo.

Mandelstamov tok misli je mogoče razložiti tudi na primeru valov na površini vode. Le bolj natančno ga morate pogledati. Torej so tudi drobna zrna, ki plavajo na površini vode, vir sekundarnih valov. Toda kaj se bo zgodilo, če ta zrna nasujemo tako na gosto, da prekrijejo celotno površino vode? Takrat se bo izkazalo, da se bodo posamezni sekundarni valovi, ki jih povzročajo številna zrna, sešteli tako, da bodo popolnoma ugasnili tiste dele valov, ki tečejo vstran in nazaj, in sipanje se bo ustavilo. Ostane le val, ki teče naprej. Tekla bo naprej, ne da bi sploh oslabela. Edini rezultat prisotnosti celotne mase zrn bo rahlo zmanjšanje hitrosti širjenja primarnega vala. Predvsem je pomembno, da vse to ni odvisno od tega, ali zrna mirujejo ali se gibljejo na gladini vode. Agregat zrn bo preprosto deloval kot obremenitev na površini vode in spremenil gostoto njene zgornje plasti.

Mandelstam je naredil matematični izračun za primer, ko je število molekul v zraku tako veliko, da že tako majhna površina, kot je valovna dolžina svetlobe, vsebuje zelo veliko število molekule. Izkazalo se je, da se v tem primeru sekundarni svetlobni valovi, ki jih vzbujajo posamezne kaotično gibajoče se molekule, seštevajo na enak način kot valovi v primeru z zrni. To pomeni, da se v tem primeru svetlobni val širi brez sipanja in slabljenja, vendar z nekoliko manjšo hitrostjo. To je ovrglo teorijo Rayleigha, ki je verjel, da gibanje razpršenih delcev v vseh primerih zagotavlja sipanje valov, in je zato ovrgel Planckovo teorijo, ki temelji na njej.

Tako je bil pesek odkrit pod osnovo teorije sipanja. Celotna veličastna zgradba se je začela tresti in grozila je, da se bo zrušila.

Naključje

Kaj pa določitev Loschmidtovega števila iz meritev modrega sijaja neba? Navsezadnje so izkušnje potrdile Rayleighovo teorijo sipanja!

"To naključje je treba obravnavati kot naključje," je zapisal Mandelstam leta 1907 v svojem delu "O optično homogenih in motnih medijih".

Mandelstam je pokazal, da naključno gibanje molekul ne more narediti plina homogenega. Nasprotno, v pravem plinu vedno obstajajo drobne redkine in zbitki, ki nastanejo kot posledica kaotičnega toplotno gibanje. Prav ti povzročajo sipanje svetlobe, saj porušijo optično homogenost zraka. V istem delu je Mandelstam zapisal:

"Če je medij optično nehomogen, potem bo na splošno tudi vpadna svetloba razpršena ob straneh."

Ker pa zaradi tega nastanejo velikosti nehomogenosti kaotično gibanje, je manjša od valovne dolžine svetlobe, potem bodo sipani pretežno valovi, ki ustrezajo vijoličnemu in modremu delu spektra. In to vodi predvsem do modre barve neba.

Tako je bila uganka modrega neba končno razrešena. Teoretični del je razvil Rayleigh. Fizična narava difuzorje je namestil Mandelstam.

Velika Mandelstamova zasluga je v tem, da je dokazal, da predpostavka o popolni homogenosti plina ni združljiva z dejstvom sipanja svetlobe v njem. Ugotovil je, da modra barva neba dokazuje, da je homogenost plinov le navidezna. Natančneje, plini se zdijo homogeni samo, če jih pregledamo s surovimi instrumenti, kot so barometer, tehtnice ali drugi instrumenti, na katere vpliva več milijard molekul hkrati. A svetlobni žarek zaznava neprimerljivo manjše količine molekul, ki se merijo le v desettisočih. In to je dovolj, da nedvomno ugotovimo, da je gostota plina nenehno podvržena majhnim lokalnim spremembam. Zato je medij, ki je homogen z našega "grobega" vidika, v resnici heterogen. Z "vida svetlobe" je videti motno in zato razprši svetlobo.

Naključne lokalne spremembe lastnosti snovi, ki so posledica toplotnega gibanja molekul, se zdaj imenujejo fluktuacije. Ko je razjasnil fluktuacijski izvor molekularnega sipanja svetlobe, je Mandelstam utrl pot novi metodi preučevanja materije - fluktuacijski ali statistični metodi, ki so jo kasneje razvili Smoluchowski, Lorentz, Einstein in on sam v nov velik oddelek fizike - statistična fizika.

Nebo bi moralo lesketati!

Tako je bila razkrita skrivnost modre barve neba. Toda preučevanje sipanja svetlobe se tu ni ustavilo. Ko je opozoril na skoraj neopazne spremembe gostote zraka in razložil barvo neba z nihajočim sipanjem svetlobe, je Mandelstam s svojim izostrenim občutkom znanstvenika odkril novo, še bolj subtilno značilnost tega procesa.

Navsezadnje so nehomogenosti zraka posledica naključnih nihanj njegove gostote. Velikost teh naključnih nehomogenosti in gostota grudic se sčasoma spreminjata. Znanstvenik je zato razmišljal, da bi se morala sčasoma spreminjati tudi intenzivnost – moč razpršene svetlobe! Konec koncev, gostejše kot so kepe molekul, bolj intenzivna je svetloba, razpršena na njih. In ker se te kepe pojavljajo in izginjajo kaotično, bi moralo nebo, preprosto povedano, lesketati! Moč njegovega sijaja in barva bi se morala ves čas spreminjati (vendar zelo šibko)! A je že kdo opazil tako utripanje? seveda ne.

Ta učinek je tako subtilen, da ga s prostim očesom ne opazite.

Nobeden od znanstvenikov tudi ni opazil takšne spremembe v siju neba. Mandelstam sam ni imel priložnosti preveriti zaključkov svoje teorije. Organizacijo zapletenih poskusov so sprva oteževale slabe razmere Carska Rusija, nato pa težave prvih let revolucije, tuja intervencija in državljanska vojna.

Leta 1925 je Mandelstam postal vodja oddelka na moskovski univerzi. Tu se je srečal z izjemnim znanstvenikom in spretnim eksperimentatorjem Grigorijem Samuilovičem Landsbergom. In tako, povezani z globokim prijateljstvom in skupnim znanstveni interesi, skupaj sta nadaljevala napad na skrivnosti, skrite v šibkih žarkih razpršene svetlobe.

Optični laboratoriji univerze so bili v tistih letih še zelo revni z instrumenti. Na univerzi ni bilo niti enega instrumenta, ki bi bil sposoben zaznati utripanje neba ali tiste majhne razlike v frekvencah vpadne in razpršene svetlobe, za katere je teorija predvidevala, da so posledica tega utripanja.

Vendar to raziskovalcev ni ustavilo. Opustili idejo o posnemanju neba v laboratorijske razmere. To bi samo zapletlo že tako subtilno izkušnjo. Odločili so se, da ne bodo preučevali sipanja bele - kompleksne svetlobe, temveč sipanja žarkov ene, strogo določene frekvence. Če natančno poznajo frekvenco vpadne svetlobe, bodo veliko lažje iskali tiste frekvence blizu nje, ki naj bi nastale pri sipanju. Poleg tega je teorija predlagala, da je bilo opazovanje lažje izvajati v trdnih snoveh, saj so bile molekule v njih nameščene veliko bližje skupaj kot v plinih, in bolj ko je snov gosta, večje je sipanje.

Začelo se je mukotrpno iskanje najbolj primerni materiali. Končno je izbira padla na kvarčne kristale. Preprosto zato, ker so veliki prozorni kristali kremena cenovno ugodnejši od vseh drugih.

Pripravljalni poskusi so trajali dve leti, izbrani so bili najčistejši vzorci kristalov, izboljšana je bila tehnika, ugotovljeni so bili znaki, po katerih je bilo mogoče nesporno razlikovati sipanje na molekulah kremena od sipanja na naključnih vključkih, kristalnih nehomogenostih in primesih.

Pamet in delo

Brez zmogljive opreme za spektralna analiza, so znanstveniki izbrali genialno rešitev, ki naj bi omogočila uporabo obstoječih instrumentov.

Glavna težava pri tem delu je bila, da je šibko svetlobo, ki jo povzroča molekularno sipanje, prekrila veliko močnejša svetloba, razpršena zaradi majhnih nečistoč in drugih napak v vzorcih kristalov, ki so bili pridobljeni za poskuse. Raziskovalci so se odločili izkoristiti dejstvo, da razpršena svetloba, ki jo tvorijo kristalne napake in odboji razne dele nastavitve se natančno ujemajo s frekvenco vpadne svetlobe. Zanimala jih je samo svetloba s frekvenco, spremenjeno v skladu z Mandeljstamovo teorijo. Zato je bila naloga osvetliti svetlobo spremenjene frekvence, ki jo povzroča molekularno sipanje, na ozadju te veliko svetlejše svetlobe.

Da bi zagotovili, da ima razpršena svetloba obseg, ki ga je mogoče zaznati, so se znanstveniki odločili, da bodo kremen osvetlili z najmočnejšo svetlobno napravo, ki jim je na voljo: živosrebrno žarnico.

Torej mora biti svetloba, razpršena v kristalu, sestavljena iz dveh delov: šibke svetlobe spremenjene frekvence, ki je posledica molekularnega sipanja (preučevanje tega dela je bil cilj znanstvenikov), in veliko močnejše svetlobe nespremenjene frekvence, ki jo povzročajo tuji vzroki ( ta del je bil škodljiv, oteževal je raziskave).

Ideja metode je bila privlačna zaradi svoje preprostosti: potrebno je absorbirati svetlobo konstantne frekvence in prenesti le svetlobo spremenjene frekvence v spektralni aparat. Toda frekvenčne razlike so bile le nekaj tisočink odstotka. Noben laboratorij na svetu ni imel filtra, ki bi lahko ločil tako blizu frekvence. Vendar se je našla rešitev.

Razpršena svetloba je bila prepuščena skozi posodo, ki je vsebovala živosrebrne pare. Posledično se je vsa »škodljiva« svetloba »zagozdila« v posodi, »koristna« svetloba pa je prešla skoznje brez opaznega oslabitve. Eksperimentatorji so izkoristili eno že znano okoliščino. Atom snovi je, kot trdi kvantna fizika, sposoben oddajati svetlobne valove le pri zelo specifičnih frekvencah. Hkrati je ta atom sposoben tudi absorbirati svetlobo. Še več, samo svetlobni valovi tistih frekvenc, ki jih lahko sam oddaja.

V živosrebrni žarnici svetlobo oddajajo živosrebrne pare, ki zažarijo pod vplivom električne razelektritve, ki nastane v notranjosti žarnice. Če to svetlobo spustimo skozi posodo, ki vsebuje tudi živosrebrne pare, se skoraj popolnoma absorbira. Zgodilo se bo, kar napoveduje teorija: atomi živega srebra v posodi bodo absorbirali svetlobo, ki jo oddajajo atomi živega srebra v svetilki.

Svetloba iz drugih virov, kot je neonska svetilka, bo nepoškodovana prešla skozi živosrebrne pare. Atomi živega srebra na to sploh ne bodo pozorni. Tisti del svetlobe živosrebrne žarnice, ki je bil razpršen v kremenu s spremembo valovne dolžine, tudi ne bo absorbiran.

To ugodno okoliščino sta izkoristila Mandelstam in Landsberg.

Neverjetno odkritje

Leta 1927 so se začeli odločilni poskusi. Znanstveniki so kristal kremena osvetlili s svetlobo živosrebrne svetilke in rezultate obdelali. In ... bili so presenečeni.

Rezultati poskusa so bili nepričakovani in nenavadni. Kar so odkrili znanstveniki, sploh ni bilo tisto, kar so pričakovali, ne tisto, kar je predvidevala teorija. Odkrili so povsem nov pojav. Toda katerega? In ali ni to napaka? Razpršena svetloba ni razkrila pričakovanih frekvenc, temveč veliko višje in nižje frekvence. V spektru razpršene svetlobe se je pojavila cela kombinacija frekvenc, ki jih v svetlobi, ki je padla na kremen, ni bilo. Njihov pojav preprosto ni bilo mogoče razložiti z optičnimi nehomogenostmi v kremenu.

Začelo se je temeljito preverjanje. Poskusi so bili izvedeni brezhibno. Zasnovane so bile tako duhovito, dovršeno in iznajdljivo, da si jih človek ni mogel kaj, da jih ne bi občudoval.

"Leonid Isaakovič je včasih reševal zelo težke tehnične probleme tako lepo in včasih briljantno preprosto, da se je vsak od nas nehote vprašal: "Zakaj se mi to prej ni zgodilo?" - pravi eden od zaposlenih.

Pestro kontrolni poskusi vztrajno potrjeval, da napake ni. Na fotografijah spektra razpršene svetlobe so se vztrajno pojavljale šibke, a precej očitne črte, ki kažejo na prisotnost »odvečnih« frekvenc v razpršeni svetlobi.

Znanstveniki že več mesecev iščejo razlago za ta pojav. Kje so se v razpršeni svetlobi pojavile “tuje” frekvence?!

In prišel je dan, ko je Mandelstam dobil neverjetno ugibanje. Bilo je neverjetno odkritje, isto stvar, ki danes velja za eno najpomembnejših odkritij 20. stoletja.

Toda tako Mandelstam kot Landsberg sta prišla do soglasne odločitve, da je to odkritje mogoče objaviti šele po temeljitem preverjanju, po izčrpnem prodiranju v globino pojava. Zadnji poskusi so se začeli.

S pomočjo sonca

16. februarja so indijski znanstveniki C.N. Raman in K.S. Krishnan je tej reviji poslal telegram iz Kalkute z kratek opis njegovega odkritja.

V tistih letih so se v revijo Nature z vsega sveta zgrinjala pisma o najrazličnejših odkritjih. Vendar ni usojeno, da vsako sporočilo povzroči navdušenje med znanstveniki. Ko je izšla številka s pismom indijskih znanstvenikov, so bili fiziki zelo navdušeni. Samo naslov opombe je " Nova vrsta sekundarno sevanje« – vzbudil zanimanje. Navsezadnje je optika ena najstarejših ved, v 20. stoletju v njej ni bilo pogosto mogoče odkriti nečesa neznanega.

Lahko si predstavljamo, s kakšnim zanimanjem so fiziki po vsem svetu pričakovali nova pisma iz Kalkute.

Njihovo zanimanje za v veliki meri napaja sama osebnost enega od avtorjev odkritja Ramana. To je človek nenavadne usode in izjemne biografije, zelo podobne Einsteinovi. Einstein je bil v mladosti preprost učitelj na gimnaziji, nato pa uslužbenec patentnega urada. V tem obdobju je dokončal najpomembnejša svoja dela. Raman, briljanten fizik, tudi po diplomi na univerzi, je bil prisiljen deset let služiti na oddelku za finance in šele nato je bil povabljen na oddelek Univerze v Kalkuti. Raman je kmalu postal priznani vodja indijske šole fizikov.

Malo pred opisanimi dogodki je Ramana in Krishnana začela zanimati nenavadna naloga. Takrat se strasti, ki jih je povzročilo odkritje leta 1923, še niso polegle Ameriški fizik Compton, ki je med preučevanjem prehoda rentgenskih žarkov skozi snov odkril, da nekateri od teh žarkov, ki se razpršijo stran od prvotne smeri, povečajo svojo valovno dolžino. Prevedeno v jezik optike lahko rečemo, da so rentgenski žarki ob trku z molekulami snovi spremenili njihovo »barvo«.

Ta pojav je bilo enostavno razložiti z zakoni kvantna fizika. Zato je bilo Comptonovo odkritje eden od odločilnih dokazov o pravilnosti mlade kvantne teorije.

Odločili smo se, da poskusimo nekaj podobnega, vendar v optiki. odkrili indijski znanstveniki. Želeli so spustiti svetlobo skozi snov in videti, kako se bodo njeni žarki razpršili na molekulah snovi in ali se bo njihova valovna dolžina spremenila.

Kot vidite, so si indijski znanstveniki hote ali nehote zadali isto nalogo kot sovjetski znanstveniki. Toda njihovi cilji so bili drugačni. V Kalkuti so iskali optično analogijo Comptonovega učinka. V Moskvi - eksperimentalna potrditev Mandelstamova napoved frekvence se spremeni, ko se svetloba razprši zaradi nihajočih nehomogenosti.

Raman in Krishnan sta načrtovala zapleten poskus, ker je bil pričakovani učinek izjemno majhen. Poskus je zahteval zelo svetel vir svetlobe. In potem so se odločili uporabiti sonce, zbirati njegove žarke s teleskopom.

Premer njegove leče je bil osemnajst centimetrov. Raziskovalci so zbrano svetlobo usmerili skozi prizmo na posode s tekočinami in plini, ki so bile temeljito očiščene prahu in drugih onesnaževalcev.

Toda za zaznavanje pričakovane majhne valovne dolžine razpršene svetlobe z uporabo bele barve sončna svetloba, ki vsebuje tako rekoč vse možne valovne dolžine, je bil brezupen. Zato so se znanstveniki odločili za uporabo svetlobnih filtrov. Pred objektiv so postavili modro-vijolični filter in opazovali razpršeno svetlobo skozi rumeno-zelen filter. Upravičeno so se odločili, da tisto, kar bo prepustil prvi filter, se bo zataknilo v drugem. Navsezadnje rumeno-zeleni filter absorbira modro-vijolične žarke, ki jih prenaša prvi filter. In oba, postavljena drug za drugim, bi morala absorbirati vso vpadno svetlobo. Če nekateri žarki padejo v oko opazovalca, potem bo mogoče z gotovostjo reči, da niso bili v vpadni svetlobi, ampak so se rodili v proučevani snovi.

Kolumb

Dejansko sta Raman in Krishnan v razpršeni svetlobi zaznala žarke, ki gredo skozi drugi filter. Posneli so dodatne frekvence. To bi v bistvu lahko bilo optični učinek Compton. To pomeni, da lahko modro-vijolična svetloba, ko je razpršena na molekulah snovi, ki se nahajajo v posodah, spremeni svojo barvo in postane rumeno-zelena. Toda to je bilo treba še dokazati. Obstajajo lahko drugi razlogi, ki povzročajo rumeno-zeleno svetlobo. Na primer, lahko se pojavi kot posledica luminiscence - šibkega sijaja, ki se pogosto pojavi v tekočinah in trdnih snoveh pod vplivom svetlobe, toplote in drugih vzrokov. Očitno je bila ena stvar - ta svetloba se je ponovno rodila, ni bila vsebovana v padajoči svetlobi.

Znanstveniki so svoj poskus ponovili s šestimi različnimi tekočinami in dvema vrstama hlapov. Prepričani so bili, da niti luminescenca niti drugi razlogi tukaj ne igrajo vloge.

Ramanu in Krishnanu se je zdelo ugotovljeno dejstvo, da se valovna dolžina vidne svetlobe poveča, ko je razpršena v snovi. Zdelo se je, da je bilo njihovo iskanje uspešno. Odkrili so optični analog Comptonovega učinka.

Da pa so poskusi dobili dodelano obliko in so bili zaključki dovolj prepričljivi, je bilo treba opraviti še en del dela. Ni bilo dovolj zaznati spremembe valovne dolžine. Treba je bilo izmeriti velikost te spremembe. Pri prvem koraku je pomagal svetlobni filter. Za drugo je bil nemočen. Tukaj so znanstveniki potrebovali spektroskop - napravo, ki jim omogoča merjenje valovne dolžine preučevane svetlobe.

In raziskovalci so začeli drugi del, nič manj zapleten in naporen. Izpolnila pa je tudi njihova pričakovanja. Rezultati so ponovno potrdili sklepe prvega dela dela. Vendar se je valovna dolžina izkazala za nepričakovano dolgo. Veliko več od pričakovanj. To raziskovalcev ni motilo.

Kako se tukaj ne spomniti Kolumba? Iskal je najti morska pot v Indijo in, ko je videl deželo, ni dvomil, da je dosegel svoj cilj. Ali je imel razlog za dvom o svoji samozavesti ob pogledu na rdeče prebivalce in neznano naravo Novega sveta?

Ali ni tako, Raman in Krishnan želita odkriti Comptonov učinek v vidna svetloba, odločili, da so ga našli s preučevanjem svetlobe, ki je prešla skozi njihove tekočine in pline?! Sta podvomila, ko meritve nepričakovano pokazale večjo spremembo valovna dolžina razpršenih žarkov? Kakšen zaključek so potegnili iz svojega odkritja?

Po mnenju indijskih znanstvenikov so našli, kar so iskali. 23. marca 1928 je v London odletel telegram s člankom z naslovom »Optična analogija Comptonovega učinka«. Znanstveniki so zapisali: »Tako je optična analogija Comptonovega učinka očitna, le da imamo opravka s spremembo valovne dolžine, ki je veliko večja ...« Opomba: »veliko večja ...«

Ples atomov

Delo Ramana in Krishnana je med znanstveniki poželo aplavz. Vsi so upravičeno občudovali njihovo eksperimentalno umetnost. Za to odkritje je Raman leta 1930 prejel Nobelovo nagrado.

Pismu indijskih znanstvenikov je bila priložena fotografija spektra, na kateri so svoje mesto zavzele črte, ki prikazujejo frekvenco vpadne svetlobe in svetlobe, razpršene na molekulah snovi. Ta fotografija je po besedah Ramana in Krishnana njuno odkritje prikazala jasneje kot kdaj koli prej.

Ko sta Mandelstam in Landsberg pogledala to fotografijo, sta videla skoraj natančno kopijo fotografije, ki sta jo prejela! Toda, ko so se seznanili z njeno razlago, so takoj ugotovili, da sta se Raman in Krishnan motila.

Ne, indijski znanstveniki niso odkrili Comptonovega učinka, ampak povsem drug pojav, enak tistemu, ki so ga dolga leta proučevali sovjetski znanstveniki ...

Medtem ko je vznemirjenje, ki ga je povzročilo odkritje indijskih znanstvenikov, naraščalo, sta Mandelstam in Landsberg končevala kontrolne poskuse in seštevala končne odločilne rezultate.

In tako so 6. maja 1928 članek poslali v tisk. K članku je bila priložena fotografija spektra.

Ko so raziskovalci na kratko orisali zgodovino vprašanja, so podali podrobno interpretacijo pojava, ki so ga odkrili.

Kaj je bil torej ta pojav, zaradi katerega so številni znanstveniki trpeli in si razbijali možgane?

Mandeljštamova globoka intuicija in bister analitični um sta znanstveniku takoj povedala, da zaznanih sprememb frekvence razpršene svetlobe ne morejo povzročiti tiste medmolekularne sile, ki izenačujejo naključne ponovitve gostote zraka. Znanstveniku je postalo jasno, da se razlog nedvomno skriva v samih molekulah snovi, da pojav povzročajo znotrajmolekularne vibracije atomov, ki tvorijo molekulo.

Takšna nihanja se pojavljajo z veliko večjo frekvenco kot tista, ki spremljajo nastanek in resorpcijo naključnih nehomogenosti v mediju. Prav te vibracije atomov v molekulah vplivajo na razpršeno svetlobo. Zdi se, da jo atomi označujejo, puščajo na njej svoje sledi in jo šifrirajo z dodatnimi frekvencami.

Bilo je lepo ugibanje, drzen vdor v človeško misel onkraj kordona majhne trdnjave narave - molekule. In to izvidovanje je prineslo dragocene informacije o njegovi notranji strukturi.

Z roko v roki

Torej, medtem ko so poskušali zaznati majhno spremembo frekvence razpršene svetlobe, ki jo povzročajo medmolekularne sile, so odkrili večjo spremembo frekvence, ki jo povzročajo znotrajmolekularne sile.

Tako je bilo za razlago novega pojava, imenovanega "ramansko sipanje svetlobe", dovolj dopolniti teorijo molekularnega sipanja, ki jo je ustvaril Mandelstam, s podatki o vplivu vibracij atomov znotraj molekul. Nov pojav je bil odkrit kot rezultat razvoja Mandelstamove ideje, ki jo je oblikoval leta 1918.

Da, ne brez razloga, kot je rekel akademik S.I. Vavilov, »Narava je Leonida Isaakoviča obdarila s povsem nenavadnim vizionarjem subtilen um, ki je takoj opazil in razumel glavno stvar, mimo katere je večina ravnodušno šla. Tako je bilo razumljeno fluktuacijsko bistvo sipanja svetlobe in tako se je pojavila ideja o spremembi spektra med sipanjem svetlobe, ki je postala osnova za odkritje Ramanovega sipanja.«

Kasneje je to odkritje prineslo ogromne koristi in dobilo je dragoceno praktično uporabo.

V trenutku odkritja se je zdel le najdragocenejši prispevek znanosti.

Kaj pa Raman in Krishnan? Kako so se odzvali na odkritje sovjetskih znanstvenikov in tudi na svoje? So razumeli, kaj so odkrili?

Odgovor na ta vprašanja vsebuje naslednje pismo Ramana in Krishnana, ki sta ga poslala tisku 9 dni po objavi članka sovjetskih znanstvenikov. Da, ugotovili so, da pojav, ki so ga opazili, ni Comptonov učinek. To je ramansko sipanje svetlobe.

Po objavi pisem Ramana in Krishnana ter člankov Mandelstama in Landsberga je znanstvenikom po vsem svetu postalo jasno, da so isti pojav neodvisno in skoraj istočasno izdelali in preučevali v Moskvi in Kalkuti. Toda moskovski fiziki so ga preučevali v kristalih kremena, indijski fiziki pa v tekočinah in plinih.

In ta paralelizem seveda ni bil naključen. Govori o pomembnosti problema in njegovem velikem znanstvenem pomenu. Ni presenetljivo, da sta do rezultatov, ki so blizu sklepom Mandelstama in Ramana konec aprila 1928, neodvisno prišla tudi francoska znanstvenika Rocard in Kaban. Čez nekaj časa so se znanstveniki spomnili, da je že leta 1923 češki fizik Smekal teoretično napovedal isti pojav. Po delu Smekala so se pojavile teoretične raziskave Kramersa, Heisenberga in Schrödingerja.

Očitno lahko samo pomanjkanje znanstvenih informacij pojasni dejstvo, da so znanstveniki v mnogih državah delali na reševanju istega problema, ne da bi tega sploh vedeli.

Sedemintrideset let kasneje

Ramanske raziskave niso le odprle novega poglavja v znanosti o svetlobi. Hkrati so dali močno orožje tehnologija. Industrija ima odličen način za preučevanje lastnosti snovi.

Navsezadnje so frekvence Ramanovega sipanja svetlobe odtisi, ki jih na svetlobo prekrivajo molekule medija, ki svetlobo sipa. In v različne snovi ti odtisi niso enaki. To je tisto, kar je akademiku Mandelstamu dalo pravico, da je ramansko sipanje svetlobe imenoval "jezik molekul". Tistim, ki znajo prebrati sledi molekul na svetlobnih žarkih in določiti sestavo razpršene svetlobe, bodo molekule v tem jeziku povedale o skrivnostih svoje zgradbe.

Na negativu fotografije Ramanovega spektra ni nič drugega kot črte različnih črnin. Toda iz te fotografije bo specialist izračunal frekvence intramolekularnih vibracij, ki so se pojavile v razpršeni svetlobi, potem ko je ta prešla skozi snov. Slika bo povedala o številnih doslej neznanih straneh notranje življenje molekule: o njihovi zgradbi, o silah, ki vežejo atome v molekule, o relativnem gibanju atomov. Z učenjem dešifriranja Ramanovih spektrogramov so se fiziki naučili razumeti nenavaden "svetlobni jezik", s katerim molekule pripovedujejo o sebi. Novo odkritje nam je torej omogočilo prodor globlje v notranja struktura molekule.

Danes fiziki uporabljajo Ramanovo sipanje za preučevanje strukture tekočin, kristalov in steklastih snovi. Kemiki uporabljajo to metodo za določanje strukture različnih spojin.

Osebje laboratorija je razvilo metode za preučevanje snovi z uporabo pojava Ramanovega sipanja svetlobe Fizikalni inštitut poimenovan po P.N. Lebedeva Akademija znanosti ZSSR, ki jo je vodil akademik Landsberg.

Te metode omogočajo, da v tovarniškem laboratoriju hitro in natančno izvedemo kvantitativne in kvalitativne analize letalskega bencina, produktov krekinga, naftnih derivatov in številnih drugih kompleksnih organskih tekočin. Če želite to narediti, je dovolj, da osvetlite preučevano snov in s spektrografom določite sestavo svetlobe, ki jo razprši. Zdi se zelo preprosto. Toda preden se je ta metoda izkazala za resnično priročno in hitro, so morali znanstveniki veliko delati, da so ustvarili natančno in občutljivo opremo. In tukaj je razlog.

Od skupno število Od svetlobne energije, ki vstopa v proučevano snov, le nepomemben del - približno ena desetmilijardinka - predstavlja delež razpršene svetlobe. In Ramanovo sipanje le redko predstavlja celo dva ali tri odstotke te vrednosti. Očitno je zato Ramanovo sipanje dolgo ostalo neopaženo. Ni presenetljivo, da so za pridobivanje prvih Ramanovih fotografij zahtevale več deset ur trajajoče osvetlitve.

Sodobna oprema, ustvarjena v naši državi, omogoča pridobivanje Ramanovega spektra čiste snovi v nekaj minutah in včasih celo sekundah! Tudi za analizo kompleksnih zmesi, v katerih so posamezne snovi prisotne v večodstotnih količinah, običajno zadostuje največ enourni čas izpostavljenosti.

Sedemintrideset let je minilo, odkar so Mandelstam in Landsberg, Raman in Krishnan odkrili, dešifrirali in razumeli jezik molekul, zapisanih na fotografskih ploščah. Od takrat po svetu poteka trdo delo, da bi sestavili "slovar" jezika molekul, ki ga optiki imenujejo katalog ramanskih frekvenc. Ko bo tak katalog sestavljen, bo dekodiranje spektrogramov zelo olajšano in Ramanovo sipanje bo postalo še bolj v službi znanosti in industrije.