Cuando el viento sopla sobre lo hermoso. cielo azul capa blanca y transparente y esponjosa, la gente comienza a mirar hacia arriba cada vez con más frecuencia. Si al mismo tiempo también se pone un gran abrigo de piel gris con hilos plateados de lluvia, los que lo rodean se esconden bajo los paraguas. Si el traje es de color violeta oscuro, entonces todos están sentados en casa y quieren ver el cielo azul soleado.
Y sólo cuando aparece el tan esperado cielo azul y soleado, que se viste con un deslumbrante vestido azul decorado con rayos dorados del sol, la gente se alegra y, sonriendo, sale de casa esperando el buen tiempo.
La pregunta de por qué el cielo es azul ha preocupado a la mente humana desde tiempos inmemoriales. Las leyendas griegas han encontrado su respuesta. Afirmaron que este tono se lo daba el cristal de roca más puro.
Durante la época de Leonardo da Vinci y Goethe, también buscaron una respuesta a la pregunta de por qué el cielo es azul. Creían que el color azul del cielo se obtenía mezclando la luz con la oscuridad. Pero más tarde esta teoría fue refutada por insostenible, ya que resultó que al combinar estos colores, solo se pueden obtener tonos del espectro de grises, pero no color.
Después de un tiempo, Marriott, Bouguer y Euler intentaron explicar la respuesta a la pregunta de por qué el cielo es azul en el siglo XVIII. Creían que éste era el color natural de las partículas que formaban el aire. Esta teoría fue popular incluso a principios del siglo siguiente, especialmente cuando se descubrió que el oxígeno líquido es azul y el ozono líquido es azul.
Saussure fue el primero en tener una idea más o menos sensata, quien sugirió que si el aire fuera completamente puro, sin impurezas, el cielo resultaría negro. Pero como la atmósfera contiene varios elementos(por ejemplo, vapor o gotas de agua), luego, reflejando el color, le dan al cielo el tono deseado.
Después de esto, los científicos comenzaron a acercarse cada vez más a la verdad. Arago descubrió la polarización, una de las características de la luz dispersa que rebota en el cielo. La física definitivamente ayudó al científico en este descubrimiento. Posteriormente, otros investigadores empezaron a buscar la respuesta. Al mismo tiempo, la pregunta de por qué el cielo es azul interesó tanto a los científicos que para averiguarlo se llevó a cabo gran cantidad diversos experimentos que llevaron a la idea de que razón principal La aparición del color azul se debe al hecho de que los rayos de nuestro Sol simplemente se encuentran dispersos en la atmósfera.
Explicación
El primero en crear una respuesta matemática para la dispersión de la luz molecular fue el investigador británico Rayleigh. Planteó la hipótesis de que la luz se dispersa no debido a las impurezas de la atmósfera, sino a las propias moléculas de aire.
Su teoría fue desarrollada y ésta es la conclusión a la que llegaron los científicos. Los rayos del sol llegan a la Tierra a través de su atmósfera (una gruesa capa de aire), la llamada envoltura de aire planetas. El cielo oscuro está completamente lleno de aire que, a pesar de ser completamente transparente, no está vacío, sino que está formado por moléculas de gas: nitrógeno (78%) y oxígeno (21%), así como gotas de agua, vapor, cristales de hielo y pequeñas piezas material duro
(por ejemplo, partículas de polvo, hollín, cenizas, sal del océano, etc.). Algunos rayos logran pasar libremente entre moléculas de gas
, evitándolos por completo y, por lo tanto, llegando a la superficie de nuestro planeta sin cambios, pero la mayoría de los rayos chocan con moléculas de gas, que se excitan, reciben energía y liberan rayos multicolores en diferentes direcciones, coloreando completamente el cielo. del cual vemos un cielo azul soleado. La luz blanca en sí está compuesta por todos los colores del arco iris, que a menudo se pueden ver cuando se descompone en sus partes componentes. Sucede que las moléculas de aire son las que más dispersan los colores azul y violeta, ya que son los más
parte corta espectro porque tienen la longitud de onda más corta. Al mezclarse en una atmósfera de colores azules y violetas con
una pequeña cantidad
Por la noche, cuando los rayos del sol no pueden llegar a un determinado lado del planeta, la atmósfera allí se vuelve transparente y vemos un espacio "negro". Así es exactamente como lo ven los astronautas sobre la atmósfera. Vale la pena señalar que los astronautas tuvieron suerte, porque cuando se encuentran a más de 15 km sobre la superficie de la tierra, durante el día pueden observar simultáneamente el Sol y las estrellas.
Color del cielo en otros planetas.
Dado que el color del cielo depende en gran medida de la atmósfera, no es sorprendente que diferentes planetas es de diferentes colores. Es interesante que la atmósfera de Saturno sea del mismo color que la de nuestro planeta.
El cielo de Urano es de un color aguamarina muy bonito. Su atmósfera se compone principalmente de helio e hidrógeno. También contiene metano, que absorbe completamente el rojo y dispersa los colores verde y azul. Los cielos de Neptuno son azules: en la atmósfera de este planeta no hay tanto helio e hidrógeno como el nuestro, pero sí mucho metano, que neutraliza la luz roja.
La atmósfera en la Luna, el satélite de la Tierra, así como en Mercurio y Plutón, está completamente ausente, por lo tanto, rayos de luz no se reflejan, por lo que el cielo aquí es negro y las estrellas se distinguen fácilmente. Los colores azul y verde de los rayos del sol son completamente absorbidos por la atmósfera de Venus, y cuando el Sol está cerca del horizonte, los cielos se vuelven amarillos.
La alegría de ver y comprender.
es el regalo más hermoso de la naturaleza.
Alberto EINSTEIN
El misterio del cielo azul.
¿Por qué el cielo es azul?...
No hay persona que no haya pensado en esto al menos una vez en su vida. Los pensadores medievales ya intentaron explicar el origen del color del cielo. Algunos de ellos sugirieron que el color azul es color verdadero aire o cualquiera de sus gases constituyentes. Otros pensaban que el color real del cielo era el negro, como se ve de noche. Durante el día, el color negro del cielo se combina con el color blanco de los rayos del sol, y el resultado es… azul.
Ahora, tal vez no conozcas a una persona que, queriendo conseguir pintura azul, mezclaría blanco y negro. Y hubo un tiempo en el que las leyes de la mezcla de colores aún no estaban claras. Fueron instalados hace apenas trescientos años por Newton.
Newton se interesó por el misterio. azul cielo. Comenzó rechazando todas las teorías anteriores.
En primer lugar, argumentó, una mezcla de blanco y negro nunca produce azul. En segundo lugar, el azul no es en absoluto el verdadero color del aire. Si esto fuera así, entonces el Sol y la Luna al atardecer no aparecerían rojos, como realmente son, sino azules. Así se verían los picos de las lejanas montañas nevadas.
Imagínate que el aire está coloreado. Incluso si es muy débil. Entonces una capa gruesa actuaría como vidrio pintado. Y si miras a través de un vidrio pintado, todos los objetos te parecerán del mismo color que este vidrio. ¿Por qué los picos nevados lejanos nos parecen rosados y nada azules?
En la disputa con sus predecesores, la verdad estuvo del lado de Newton. Demostró que el aire no tiene color.
Pero todavía no resolvió el enigma del azul celestial. Estaba confundido por el arco iris, uno de los fenómenos poéticos más bellos de la naturaleza. ¿Por qué de repente aparece y desaparece de forma igualmente inesperada? Newton no podía contentarse con la superstición predominante: un arco iris es una señal de lo alto, predice buen tiempo. Buscó encontrar la causa material de cada fenómeno. También encontró la razón del arco iris.
Los arcoíris son el resultado de la refracción de la luz en las gotas de lluvia. Al comprender esto, Newton pudo calcular la forma del arco del arco iris y explicar la secuencia de colores del arco iris. Su teoría no podía explicar sólo la aparición de un doble arco iris, pero esto se logró sólo tres siglos después con la ayuda de una teoría muy compleja.
El éxito de la teoría del arco iris hipnotizó a Newton. Decidió erróneamente que el color azul del cielo y el arco iris eran causados por la misma razón. Un arcoíris realmente estalla cuando los rayos del sol atraviesan un enjambre de gotas de lluvia. ¡Pero el azul del cielo no sólo es visible bajo la lluvia! Por el contrario, es cuando hace buen tiempo, cuando no llueve ni una pizca, cuando el cielo es especialmente azul. ¿Cómo es posible que el gran científico no se diera cuenta de esto? Newton pensaba que pequeñas burbujas de agua, que según su teoría sólo formaban la parte azul del arco iris, flotaban en el aire en cualquier condición climática. Pero esto fue una ilusión.
Primera solución
Pasaron casi 200 años y otro científico inglés se ocupó de esta cuestión: Rayleigh, que no temía que la tarea estuviera fuera del alcance incluso del gran Newton.
Rayleigh estudió óptica. Y las personas que dedican su vida al estudio de la luz pasan mucho tiempo en la oscuridad. La luz extraña interfiere con los mejores experimentos, por lo que las ventanas del laboratorio de óptica casi siempre están cubiertas con cortinas negras e impenetrables.
Rayleigh permaneció durante horas solo en su lúgubre laboratorio mientras rayos de luz escapaban de los instrumentos. En el camino de los rayos se arremolinaban como motas de polvo vivientes. Estaban muy iluminados y por eso destacaban sobre el fondo oscuro. Es posible que el científico haya pasado mucho tiempo observando pensativamente sus suaves movimientos, del mismo modo que una persona observa el juego de chispas en una chimenea.
¿No serían esas motas de polvo bailando en los rayos de luz las que le sugirieron a Rayleigh nuevo pensamiento¿Sobre el origen del color del cielo?
Ya en la antigüedad se sabía que la luz viaja en línea recta. Este importante descubrimiento pudo haber sido realizado por el hombre primitivo al observar cómo, atravesando las grietas de la cabaña, los rayos del sol caían sobre las paredes y el suelo.
Pero es poco probable que le molestara la idea de por qué ve rayos de luz cuando los mira de lado. Y aquí hay algo en qué pensar. Después de todo, hace sol la luz esta llegando viga desde la grieta hasta el suelo. El ojo del observador está situado hacia un lado y, sin embargo, ve esta luz.
También vemos la luz de un foco dirigido al cielo. Esto significa que parte de la luz se desvía de alguna manera del camino directo y se dirige hacia nuestro ojo.
¿Qué lo hace extraviarse? Resulta que estas son las mismas motas de polvo que llenan el aire. En nuestro ojo entran rayos que son esparcidos por una mota de polvo y rayos que, al encontrar obstáculos, se desvían del camino y se propagan en línea recta desde la mota de polvo que se dispersa hasta nuestro ojo.
“¿Son estas motas de polvo las que tiñen el cielo de azul?” – pensó Rayleigh un día. Hizo los cálculos y la suposición se convirtió en una certeza. ¡Encontró una explicación para el color azul del cielo, los amaneceres rojos y la neblina azul! Bueno, por supuesto, los pequeños granos de polvo, cuyo tamaño es menor que la longitud de onda de la luz, dispersan la luz solar y cuanto más corta es su longitud de onda, con más fuerza, anunció Rayleigh en 1871. Y como los rayos violeta y azul del espectro solar visible tienen la longitud de onda más corta, se dispersan con mayor fuerza, lo que le da al cielo un color azul.
El Sol y los picos nevados obedecieron este cálculo de Rayleigh. Incluso confirmaron la teoría del científico. Al amanecer y al atardecer, cuando la luz del sol atraviesa la mayor densidad de aire, los rayos violetas y azules, según la teoría de Rayleigh, se dispersan con mayor fuerza. Al mismo tiempo, se desvían del camino recto y no llaman la atención del observador. El observador ve principalmente rayos rojos, que se dispersan mucho más débilmente. Por eso el sol nos parece rojo al amanecer y al atardecer. Por la misma razón, los picos de las lejanas montañas nevadas aparecen de color rosa.
Mirando el cielo despejado, vemos rayos azul-azules que se desvían del camino recto debido a la dispersión y caen en nuestros ojos. Y la neblina que a veces vemos cerca del horizonte también nos parece azul.
bagatela molesta
¿No es verdad? buena explicación? El propio Rayleigh quedó tan cautivado por ella, los científicos quedaron tan asombrados por la armonía de la teoría y la victoria de Rayleigh sobre Newton, que ninguno de ellos notó nada simple. Esta pequeñez, sin embargo, debería haber hecho cambiar por completo su valoración.
¿Quién negará que lejos de la ciudad, donde hay mucho menos polvo en el aire, el color azul del cielo es especialmente claro y brillante? Al propio Rayleigh le resultó difícil negarlo. Entonces... ¿no son las partículas de polvo las que dispersan la luz? ¿Entonces qué?
Revisó todos sus cálculos nuevamente y se convenció de que sus ecuaciones eran correctas, pero esto significaba que las partículas que se dispersaban en realidad no eran granos de polvo. Además, los granos de polvo presentes en el aire son mucho más largos que la longitud de onda de la luz, y los cálculos convencieron a Rayleigh de que una gran acumulación de ellos no realza el azul del cielo, sino que, por el contrario, lo debilita. La dispersión de la luz por partículas grandes depende débilmente de la longitud de onda y, por lo tanto, no provoca un cambio en su color.
Cuando la luz se dispersa sobre partículas grandes, tanto la luz dispersada como la transmitida permanecen blancas, por lo que la aparición de partículas grandes en el aire le da al cielo un color blanquecino y la acumulación gran cantidad las gotas grandes determinan blanco nubes y niebla. Esto es fácil de comprobar en un cigarrillo normal. El humo que sale de la boquilla siempre parece blanquecino y el humo que sale de su extremo encendido es de color azulado.
Las partículas más pequeñas de humo que se elevan desde la punta encendida de un cigarrillo son más pequeñas que la longitud de onda de la luz y, según la teoría de Rayleigh, dispersan predominantemente los colores violeta y azul. Pero al pasar a través de canales estrechos en la densidad del tabaco, las partículas de humo se pegan (coagulan) y se unen formando grumos más grandes. Muchos de ellos se vuelven más grandes que las longitudes de onda de la luz y dispersan todas las longitudes de onda de la luz aproximadamente por igual. Por eso el humo que sale de la boquilla tiene un aspecto blanquecino.
Sí, era inútil argumentar y defender una teoría basada en motas de polvo.
Entonces, el misterio del color azul del cielo volvió a surgir ante los científicos. Pero Rayleigh no se rindió. Si el color azul del cielo es más puro y brillante cuanto más pura es la atmósfera, razonó, entonces el color del cielo no puede ser causado por nada más que las moléculas del aire mismo. Las moléculas de aire, escribió en sus nuevos artículos, son aquellas partículas diminutas que esparcen la luz del sol!
Esta vez Rayleigh fue muy cuidadoso. Antes de presentar su nueva idea, decidió probarla, comparar de alguna manera la teoría con la experiencia.
La oportunidad se presentó en 1906. Rayleigh contó con la ayuda del astrofísico estadounidense Abbott, quien estudió el brillo azul del cielo en el Observatorio Mount Wilson. Al procesar los resultados de medir el brillo del cielo basándose en la teoría de la dispersión de Rayleigh, Abbott contó el número de moléculas contenidas en cada centímetro cúbico aire. ¡Resultó ser un número enorme! Baste decir que si estas moléculas se distribuyeran a todas las personas que habitan globo, entonces todos obtendrán más de 10 mil millones de estas moléculas. En resumen, Abbott descubrió que en cada centímetro cúbico de aire en temperatura normal y la presión atmosférica contiene 27 mil millones de veces mil millones de moléculas.
El número de moléculas en un centímetro cúbico de gas se puede determinar de diferentes maneras basándose en fenómenos completamente diferentes e independientes. Todos conducen a resultados muy similares y dan un número llamado número de Loschmidt.
Este número es bien conocido por los científicos y más de una vez ha servido como medida y control para explicar los fenómenos que ocurren en los gases.
Y así, el número obtenido por Abbott al medir el brillo del cielo coincidió con gran precisión con el número de Loschmidt. Pero en sus cálculos utilizó la teoría de la dispersión de Rayleigh. Por lo tanto, esto demostró claramente que la teoría era correcta, dispersión molecular La luz realmente existe.
Parecía que la teoría de Rayleigh estaba confirmada de forma fiable por la experiencia; todos los científicos lo consideraron impecable.
Fue generalmente aceptado y se incluyó en todos los libros de texto de óptica. Se podía respirar tranquilo: por fin se había encontrado una explicación para un fenómeno tan familiar y al mismo tiempo misterioso.
Es tanto más sorprendente que en 1907, en las páginas del famoso revista científica Se volvió a plantear la pregunta: ¡¿por qué el cielo es azul?!.
Disputar
¿Quién se atrevió a cuestionar la teoría de Rayleigh generalmente aceptada?
Curiosamente, este era uno de los admiradores y admiradores más fervientes de Rayleigh. Quizás nadie apreciaba y entendía tanto a Rayleigh, conocía tan bien sus trabajos y no estaba tan interesado en su trabajo científico como el joven físico ruso Leonid Mandelstam.
"El carácter de la mente de Leonid Isaakovich", recordó más tarde otro científico soviético, el académico N.D. Papaleksi tenía mucho en común con Rayleigh. Y no es casualidad que sus caminos creatividad científica A menudo caminaban en paralelo y cruzaban repetidamente.
Esta vez también se santiguaron sobre la cuestión del origen del color del cielo. Antes de esto, Mandelstam se interesaba principalmente por la ingeniería de radio. A principios de nuestro siglo era absolutamente nueva área ciencia, y pocas personas la entendían. Después del descubrimiento de A.S. Popov (en 1895) solo habían pasado unos pocos años y el trabajo no tenía fin. En poco tiempo, Mandelstam llevó a cabo muchas investigaciones serias en el campo. vibraciones electromagnéticas en relación con los dispositivos de ingeniería de radio. En 1902 defendió su tesis y a los veintitrés años recibió el título de Doctor en Filosofía Natural por la Universidad de Estrasburgo.
Mientras se ocupaba de las cuestiones de la excitación de las ondas de radio, Mandelstam naturalmente estudió los trabajos de Rayleigh, quien era una autoridad reconocida en el estudio. procesos oscilatorios. Y el joven médico inevitablemente se familiarizó con el problema de colorear el cielo.
Pero, al familiarizarse con la cuestión del color del cielo, Mandelstam no sólo mostró la falacia o, como él mismo dijo, la "insuficiencia" de la teoría generalmente aceptada de la dispersión de la luz molecular de Rayleigh, sino que no sólo reveló el secreto. del color azul del cielo, sino que también sentó las bases para la investigación que condujo a uno de los descubrimientos más importantes Física del siglo XX.
Todo comenzó con una disputa in absentia con uno de los principales físicos, el padre. teoría cuántica, Sr. Planck. Cuando Mandelstam conoció la teoría de Rayleigh, lo cautivó por sus reticencias y paradojas internas que, para sorpresa del joven físico, el viejo y experimentado Rayleigh no notó. La insuficiencia de la teoría de Rayleigh se reveló especialmente claramente al analizar otra teoría, construida sobre su base por Planck para explicar la atenuación de la luz al pasar a través de un medio transparente ópticamente homogéneo.
En esta teoría se tomó como base que las propias moléculas de la sustancia a través de la cual pasa la luz son fuentes de ondas secundarias. Para crear estas ondas secundarias, argumentó Planck, se gasta parte de la energía de la onda que pasa, que se atenúa. Vemos que esta teoría se basa en la teoría de Rayleigh de la dispersión molecular y se basa en su autoridad.
La forma más sencilla de comprender la esencia del asunto es observar las olas en la superficie del agua. Si una ola choca con objetos estacionarios o flotantes (montones, troncos, botes, etc.), pequeñas olas se dispersan en todas direcciones desde estos objetos. Esto no es más que dispersión. Parte de la energía de la onda incidente se gasta en excitar ondas secundarias, que en óptica son bastante similares a la luz dispersada. En este caso, la ola inicial se debilita: se desvanece.
Los objetos flotantes pueden ser mucho más pequeños que la longitud de onda que viaja a través del agua. Incluso los granos pequeños provocarán ondas secundarias. Por supuesto, a medida que el tamaño de las partículas disminuye, las ondas secundarias que forman se debilitan, pero aun así le quitarán energía a la onda principal.
Así es como Planck imaginó el proceso de debilitamiento de una onda de luz a su paso a través de un gas, pero el papel de los granos en su teoría lo desempeñaban las moléculas de gas.
Mandelstam se interesó por esta obra de Planck.
La línea de pensamiento de Mandelstam también se puede explicar con el ejemplo de las ondas en la superficie del agua. Sólo hay que mirarlo más detenidamente. Entonces, incluso los granos pequeños que flotan en la superficie del agua son fuentes de ondas secundarias. Pero, ¿qué pasará si estos granos se vierten tan espesamente que cubren toda la superficie del agua? Entonces resultará que las ondas secundarias individuales causadas por numerosos granos se acumularán de tal manera que extinguirán por completo aquellas partes de las ondas que corren hacia los lados y hacia atrás, y la dispersión se detendrá. Lo único que queda es una ola que avanza. Ella correrá hacia adelante sin debilitarse en absoluto. El único resultado de la presencia de toda la masa de granos será una ligera disminución en la velocidad de propagación de la onda primaria. Es especialmente importante que todo esto no dependa de si los granos están inmóviles o si se mueven sobre la superficie del agua. El agregado de granos simplemente actuará como una carga en la superficie del agua, cambiando la densidad de su capa superior.
Mandelstam hizo un cálculo matemático para el caso en el que el número de moléculas en el aire es tan grande que incluso un área tan pequeña como la longitud de onda de la luz contiene muy gran número moléculas. Resultó que secundario ondas de luz, excitados por moléculas individuales que se mueven caóticamente, se suman de la misma manera que las ondas en el ejemplo con granos. Esto significa que en este caso la onda luminosa se propaga sin dispersión ni atenuación, pero a una velocidad ligeramente menor. Esto refutó la teoría de Rayleigh, quien creía que el movimiento de las partículas en dispersión garantiza en todos los casos la dispersión de las ondas y, por lo tanto, refutó la teoría de Planck basada en ella.
Así, se descubrió arena bajo la base de la teoría de la dispersión. Todo el majestuoso edificio comenzó a temblar y amenazó con derrumbarse.
Coincidencia
Pero ¿qué pasa con la determinación del número de Loschmidt a partir de mediciones del brillo azul del cielo? Después de todo, ¡la experiencia confirmó la teoría de la dispersión de Rayleigh!
"Esta coincidencia debe considerarse accidental", escribió Mandelstam en 1907 en su obra "Sobre medios ópticamente homogéneos y turbios".
Mandelstam demostró que el movimiento aleatorio de las moléculas no puede hacer que un gas sea homogéneo. Por el contrario, en gasolina de verdad Siempre se forman pequeñas rarefacciones y compactaciones como resultado del movimiento térmico caótico. Son ellos los que provocan la dispersión de la luz, ya que alteran la homogeneidad óptica del aire. En el mismo trabajo, Mandelstam escribió:
"Si el medio es ópticamente no homogéneo, entonces, en general, la luz incidente también se dispersará hacia los lados".
Pero como las dimensiones de las heterogeneidades que surgen como resultado del movimiento caótico son más pequeñas que la longitud de las ondas luminosas, las ondas correspondientes a las partes violeta y azul del espectro se dispersarán predominantemente. Y esto conduce, en particular, al color azul del cielo.
Así se resolvió finalmente el enigma del cielo azul. parte teorica Fue desarrollado por Rayleigh. Naturaleza fisica Los difusores fueron instalados por Mandelstam.
El gran mérito de Mandelstam radica en el hecho de que demostró que la suposición de una perfecta homogeneidad de un gas es incompatible con el hecho de que la luz se dispersa en él. Se dio cuenta de que el color azul del cielo demostraba que la homogeneidad de los gases era sólo aparente. Más precisamente, los gases parecen homogéneos sólo cuando se examinan con instrumentos toscos, como un barómetro, balanzas u otros instrumentos en los que actúan muchos miles de millones de moléculas a la vez. Pero el haz de luz detecta cantidades de moléculas incomparablemente más pequeñas, medidas sólo en decenas de miles. Y esto es suficiente para establecer sin lugar a dudas que la densidad del gas está continuamente sujeta a pequeños cambios locales. Por tanto, un medio que es homogéneo desde nuestro punto de vista “aproximado” es en realidad heterogéneo. Desde el “punto de vista de la luz” parece turbio y, por tanto, dispersa la luz.
Los cambios locales aleatorios en las propiedades de una sustancia, resultantes del movimiento térmico de las moléculas, ahora se denominan fluctuaciones. Habiendo dilucidado el origen fluctuante de la dispersión de la luz molecular, Mandelstam allanó el camino para un nuevo método de estudio de la materia: el método de fluctuación, o estadístico, que más tarde fue desarrollado por Smoluchowski, Lorentz, Einstein y él mismo en un nuevo gran departamento de física. física estadística.
¡El cielo debería brillar!
Así, se reveló el misterio del color azul del cielo. Pero el estudio de la dispersión de la luz no se detuvo ahí. Llamando la atención sobre cambios casi imperceptibles en la densidad del aire y explicando el color del cielo por la dispersión fluctuante de la luz, Mandelstam, con su agudo sentido científico, descubrió una característica nueva, aún más sutil, de este proceso.
Después de todo, las faltas de homogeneidad del aire son causadas por fluctuaciones aleatorias en su densidad. La magnitud de estas faltas de homogeneidad aleatoria y la densidad de los grupos cambian con el tiempo. Por lo tanto, razonó el científico, la intensidad (la fuerza de la luz dispersada) también debería cambiar con el tiempo. Después de todo, cuanto más densos son los grupos de moléculas, más intensa es la luz que se difunde sobre ellos. Y dado que estos grupos aparecen y desaparecen caóticamente, ¡el cielo, en pocas palabras, debería brillar! ¡La fuerza de su brillo y su color deberían cambiar todo el tiempo (pero muy débilmente)! ¿Pero alguien ha notado alguna vez semejante parpadeo? Por supuesto que no.
Este efecto es tan sutil que a simple vista no lo notarás.
Ninguno de los científicos ha observado tampoco tal cambio en el brillo del cielo. El propio Mandelstam no tuvo la oportunidad de verificar las conclusiones de su teoría. La organización de experimentos complejos se vio inicialmente obstaculizada por las malas condiciones. Rusia zarista, y luego las dificultades de los primeros años de la revolución, intervención extranjera y guerra civil.
En 1925, Mandelstam se convirtió en jefe del departamento de la Universidad de Moscú. Aquí conoció al destacado científico y experimentado experimentador Grigory Samuilovich Landsberg. Y así, unidos por una profunda amistad y un común intereses científicos, juntos continuaron su asalto a los secretos escondidos en los débiles rayos de luz dispersa.
Los laboratorios de óptica de la universidad en aquellos años eran todavía muy pobres en instrumentos. No había ni un solo instrumento en la universidad capaz de detectar el parpadeo del cielo o esas pequeñas diferencias en las frecuencias de la luz incidente y dispersa que la teoría predecía que eran el resultado de este parpadeo.
Sin embargo, esto no detuvo a los investigadores. Abandonaron la idea de imitar el cielo en condiciones de laboratorio. Esto sólo complicaría una experiencia ya de por sí sutil. Decidieron estudiar no la dispersión de la luz blanca, compleja, sino la dispersión de los rayos de una frecuencia estrictamente definida. Si conocen exactamente la frecuencia de la luz incidente, será mucho más fácil buscar las frecuencias cercanas que deberían surgir durante la dispersión. Además, la teoría sugería que las observaciones eran más fáciles de realizar en los sólidos, ya que las moléculas en ellos estaban mucho más juntas que en los gases, y cuanto más densa era la sustancia, mayor era la dispersión.
Comenzó una minuciosa búsqueda de los más materiales adecuados. Finalmente la elección recayó en los cristales de cuarzo. Sólo porque son grandes cristales claros El cuarzo es más accesible que cualquier otro.
Duró dos años experimentos preparatorios, se seleccionaron las muestras más puras de cristales, se mejoró la técnica, se establecieron signos mediante los cuales fue posible distinguir indiscutiblemente la dispersión sobre moléculas de cuarzo de la dispersión sobre inclusiones aleatorias, faltas de homogeneidad e impurezas de los cristales.
ingenio y trabajo
Al carecer de equipos potentes para el análisis espectral, los científicos eligieron una solución ingeniosa que supuestamente haría posible utilizar los instrumentos existentes.
La principal dificultad de este trabajo fue que a la luz débil causada por la dispersión molecular se superpuso una luz mucho más fuerte dispersada por pequeñas impurezas y otros defectos en las muestras de cristal que se obtuvieron para los experimentos. Los investigadores decidieron aprovechar el hecho de que la luz dispersa formada por defectos de cristal y reflejos de varias partes La configuración coincide exactamente con la frecuencia de la luz incidente. Sólo les interesaba la luz con una frecuencia cambiada de acuerdo con la teoría de Mandelstam. Por lo tanto, la tarea era hacer, en este contexto, mucho más. luz brillante resaltar la luz de frecuencia alterada causada por la dispersión molecular.
Para asegurarse de que la luz dispersada tuviera una magnitud que pudiera detectarse, los científicos decidieron iluminar el cuarzo con el dispositivo de iluminación más potente que tenían a su disposición: una lámpara de mercurio.
Entonces, la luz dispersada en el cristal debe constar de dos partes: luz débil frecuencia alterada, debido a la dispersión molecular (el estudio de esta parte era el objetivo de los científicos), y de una luz mucho más fuerte de frecuencia inalterada, causó por razones extrañas(esta parte fue perjudicial, dificultó la investigación).
La idea del método resultó atractiva por su simplicidad: es necesario absorber luz de frecuencia constante y pasar solo luz de frecuencia cambiada al aparato espectral. Pero las diferencias de frecuencia fueron sólo de unas pocas milésimas de porcentaje. Ningún laboratorio en el mundo disponía de un filtro capaz de separar frecuencias tan cercanas. Sin embargo, se encontró una solución.
La luz dispersada se hizo pasar a través de un recipiente que contenía vapor de mercurio. Como resultado, toda la luz "dañina" quedó "atascada" en el recipiente y la luz "útil" pasó a través de él sin una atenuación perceptible. Los experimentadores aprovecharon una circunstancia ya conocida. Un átomo de materia, como afirma la física cuántica, es capaz de emitir ondas de luz sólo en frecuencias muy específicas. Al mismo tiempo, este átomo también es capaz de absorber luz. Además, sólo ondas de luz de aquellas frecuencias que él mismo puede emitir.
En una lámpara de mercurio, la luz es emitida por vapor de mercurio, que brilla bajo la influencia descarga eléctrica, que ocurre dentro de la lámpara. Si esta luz pasa a través de un recipiente que también contiene vapor de mercurio, será absorbida casi por completo. Sucederá lo que predice la teoría: los átomos de mercurio del recipiente absorberán la luz emitida por los átomos de mercurio de la lámpara.
La luz de otras fuentes, como una lámpara de neón, pasará ilesa a través del vapor de mercurio. Los átomos de mercurio ni siquiera le prestarán atención. La parte de la luz de una lámpara de mercurio que se esparce en cuarzo con un cambio de longitud de onda tampoco será absorbida.
Fue esta conveniente circunstancia la que aprovecharon Mandelstam y Landsberg.
descubrimiento asombroso
En 1927 comenzaron experimentos decisivos. Los científicos iluminaron un cristal de cuarzo con la luz de una lámpara de mercurio y procesaron los resultados. Y... se sorprendieron.
Los resultados del experimento fueron inesperados e inusuales. Lo que los científicos descubrieron no fue en absoluto lo que esperaban, ni lo que predijo la teoría. Descubrieron un fenómeno completamente nuevo. ¿Pero cuál? ¿Y no es esto un error? La luz dispersada no reveló las frecuencias esperadas, sino frecuencias mucho más altas y más bajas. En el espectro de la luz dispersada apareció toda una combinación de frecuencias que no estaban presentes en la luz que incide sobre el cuarzo. Era simplemente imposible explicar su aparición mediante heterogeneidades ópticas en el cuarzo.
Comenzó un control exhaustivo. Los experimentos se llevaron a cabo sin problemas. Fueron concebidos de manera tan ingeniosa, perfecta e inventiva que uno no podía evitar admirarlos.
“Leonid Isaakovich a veces resolvía problemas técnicos muy difíciles de manera tan hermosa y a veces tan ingeniosa que cada uno de nosotros involuntariamente nos preguntamos: "¿Por qué no se me ocurrió esto antes?" - dice uno de los empleados.
Varios experimentos de control confirmaron persistentemente que no había ningún error. En las fotografías del espectro de luz dispersada aparecían persistentemente líneas débiles pero bastante obvias, que indicaban la presencia de frecuencias "extra" en la luz dispersada.
Desde hace muchos meses, los científicos buscan una explicación a este fenómeno. ¿Dónde aparecieron las frecuencias “alienígenas” en la luz dispersa?
Y llegó el día en que a Mandelstam se le ocurrió una conjetura sorprendente. Fue un descubrimiento sorprendente, el mismo que ahora se considera uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX.
Pero tanto Mandelstam como Landsberg llegaron a la decisión unánime de que este descubrimiento sólo podría publicarse después de una verificación exhaustiva, después de una penetración exhaustiva en las profundidades del fenómeno. Los experimentos finales han comenzado.
Con la ayuda del sol
El 16 de febrero, los científicos indios C.N. Raman y K.S. Krishnan envió un telegrama desde Calcuta a esta revista con breve descripción de su descubrimiento.
En aquellos años, a la revista Nature llegaban cartas de todo el mundo sobre diversos descubrimientos. Pero no todos los mensajes están destinados a causar entusiasmo entre los científicos. Cuando salió a la luz el número de la carta de los científicos indios, los físicos se emocionaron mucho. El título de la nota por sí solo es “ Nuevo tipo radiación secundaria” – despertó interés. Después de todo, la óptica es una de las ciencias más antiguas; en el siglo XX no era posible descubrir en ella algo desconocido.
Cabe imaginar con qué interés los físicos de todo el mundo esperaban nuevas cartas de Calcuta.
Su interés se vio impulsado en gran medida por la propia personalidad de uno de los autores del descubrimiento, Raman. Se trata de un hombre con un destino curioso y una biografía extraordinaria, muy similar a la de Einstein. En su juventud, Einstein era un simple profesor de gimnasio y luego un empleado de la oficina de patentes. Fue durante este período que completó la más significativa de sus obras. Raman, un físico brillante, también después de graduarse de la universidad, se vio obligado a trabajar en el departamento de finanzas durante diez años y solo después fue invitado al departamento de la Universidad de Calcuta. Raman pronto se convirtió en el director reconocido de la escuela de físicos de la India.
Poco antes de los hechos descritos, Raman y Krishnan se interesaron por una curiosa tarea. En aquel momento, las pasiones provocadas por el descubrimiento de 1923 aún no habían amainado. físico americano Compton, quien, mientras estudiaba el paso de los rayos X a través de la materia, descubrió que algunos de estos rayos, al alejarse de la dirección original, aumentan su longitud de onda. Traducido al lenguaje de la óptica, podemos decir que los rayos X, al chocar con las moléculas de una sustancia, cambiaron su "color".
Este fenómeno se explica fácilmente mediante las leyes de la física cuántica. Por tanto, el descubrimiento de Compton fue una de las pruebas decisivas de la exactitud de la joven teoría cuántica.
Decidimos probar algo similar, pero en óptica. descubierto por científicos indios. Querían hacer pasar la luz a través de una sustancia y ver cómo se dispersarían sus rayos sobre las moléculas de la sustancia y si cambiaría su longitud de onda.
Como puede ver, voluntaria o involuntariamente, los científicos indios se han propuesto la misma tarea que los científicos soviéticos. Pero sus objetivos eran diferentes. En Calcuta buscaban una analogía óptica del efecto Compton. En Moscú - confirmación experimental La predicción de Mandelstam de los cambios de frecuencia cuando la luz se dispersa por faltas de homogeneidad fluctuantes.
Raman y Krishnan diseñaron un experimento complejo porque el efecto esperado era extremadamente pequeño. El experimento requirió una fuente de luz muy brillante. Y luego decidieron utilizar el sol, recogiendo sus rayos mediante un telescopio.
El diámetro de su lente era de dieciocho centímetros. Los investigadores dirigieron la luz recogida a través de un prisma hacia recipientes que contenían líquidos y gases, que estaban completamente limpios de polvo y otros contaminantes.
Pero para detectar la pequeña extensión de longitud de onda esperada de la luz dispersa utilizando luz blanca luz del sol, que contenía prácticamente todas las longitudes de onda posibles, era inútil. Por eso, los científicos decidieron utilizar filtros de luz. Colocaron un filtro azul violeta frente a la lente y observaron la luz dispersada a través de un filtro amarillo verdoso. Con razón decidieron que lo que dejaría pasar el primer filtro se quedaría atascado en el segundo. Después de todo, el filtro amarillo-verde absorbe los rayos azul-violeta transmitidos por el primer filtro. Y ambos, colocados uno detrás del otro, deberían absorber toda la luz incidente. Si algunos rayos caen en el ojo del observador, entonces se puede decir con confianza que no estaban en la luz incidente, sino que nacieron en la sustancia en estudio.
Colón
De hecho, en la luz dispersa, Raman y Krishnan detectaron rayos que pasaban a través del segundo filtro. Grabaron frecuencias adicionales. En principio, esto podría ser el efecto óptico Compton. Es decir, cuando se dispersa sobre las moléculas de una sustancia ubicada en los vasos, la luz azul violeta puede cambiar de color y volverse amarillo verdoso. Pero esto todavía necesitaba ser demostrado. Podría haber otras razones que provoquen la aparición de la luz amarilla-verde. Por ejemplo, podría aparecer como resultado de la luminiscencia, un brillo tenue que a menudo aparece en líquidos y sólidos bajo la influencia de la luz, el calor y otras causas. Obviamente, había una cosa: esta luz nació de nuevo, no estaba contenida en la luz que caía.
Los científicos repitieron su experimento con seis líquidos diferentes y dos tipos de vapor. Estaban convencidos de que aquí no influyen ni la luminiscencia ni otros motivos.
El hecho de que la longitud de onda de la luz visible aumenta cuando se dispersa en la materia parecía establecido para Raman y Krishnan. Parecía que su búsqueda se vio coronada por el éxito. Descubrieron un análogo óptico del efecto Compton.
Pero para que los experimentos tuvieran una forma acabada y las conclusiones fueran suficientemente convincentes, era necesario hacer una parte más del trabajo. No fue suficiente detectar un cambio en la longitud de onda. Era necesario medir la magnitud de este cambio. El primer paso fue ayudado por un filtro de luz. No pudo hacer lo segundo. Aquí los científicos necesitaban un espectroscopio, un dispositivo que les permite medir la longitud de onda de la luz estudiada.
Y los investigadores comenzaron la segunda parte, no menos compleja y minuciosa. Pero ella también satisfizo sus expectativas. Los resultados confirmaron nuevamente las conclusiones de la primera parte del trabajo. Sin embargo, la longitud de onda resultó ser inesperadamente grande. Mucho más de lo esperado. Esto no molestó a los investigadores.
¿Cómo no recordar aquí a Colón? Él buscó encontrar ruta del mar a la India y, habiendo visto la tierra, no tuvo dudas de que había logrado su objetivo. ¿Tenía motivos para dudar de su confianza al ver a los habitantes rojos y la naturaleza desconocida del Nuevo Mundo?
¿No es así Raman y Krishnan, con el objetivo de descubrir el efecto Compton en luz visible, decidieron que lo encontraron examinando la luz que pasaba a través de sus líquidos y gases?! ¿Dudaron cuando las mediciones mostraron un cambio inesperadamente mayor en la longitud de onda de los rayos dispersos? ¿Qué conclusión sacaron de su descubrimiento?
Según los científicos indios, encontraron lo que buscaban. El 23 de marzo de 1928 voló a Londres un telegrama con un artículo titulado "Analogía óptica del efecto Compton". Los científicos escribieron: "Por lo tanto, la analogía óptica del efecto Compton es obvia, excepto que estamos ante un cambio en la longitud de onda mucho mayor..." Nota: "mucho mayor..."
Danza de átomos
El trabajo de Raman y Krishnan fue recibido con aplausos entre los científicos. Todos admiraban con razón su arte experimental. Por este descubrimiento, Raman recibió el Premio Nobel en 1930.
Adjunta a la carta de los científicos indios había una fotografía del espectro, en la que ocupaban el lugar las líneas que representan la frecuencia de la luz incidente y la luz dispersada sobre las moléculas de la sustancia. Esta fotografía, según Raman y Krishnan, ilustra su descubrimiento más claramente que nunca.
Cuando Mandelstam y Landsberg miraron esta fotografía, ¡vieron una copia casi exacta de la fotografía que habían recibido! Pero, al familiarizarse con su explicación, inmediatamente se dieron cuenta de que Raman y Krishnan estaban equivocados.
No, los científicos indios no descubrieron el efecto Compton, sino un fenómeno completamente diferente, el mismo que los científicos soviéticos habían estado estudiando durante muchos años...
Mientras crecía el entusiasmo causado por el descubrimiento de los científicos indios, Mandelstam y Landsberg terminaban los experimentos de control y resumían los resultados decisivos finales.
Y así, el 6 de mayo de 1928, enviaron un artículo a imprimir. Se adjuntó al artículo una fotografía del espectro.
Después de describir brevemente la historia del problema, los investigadores dieron una interpretación detallada del fenómeno descubierto.
Entonces, ¿cuál fue este fenómeno que hizo que muchos científicos sufrieran y se devanaran los sesos?
La profunda intuición y la clara mente analítica de Mandelstam le dijeron inmediatamente al científico que los cambios detectados en la frecuencia de la luz dispersa no podían ser causados por aquellos fuerzas intermoleculares, que igualan repeticiones aleatorias de densidad del aire. Al científico le quedó claro que la razón, sin duda, está dentro de las propias moléculas de la sustancia, que el fenómeno es causado por vibraciones intramoleculares de los átomos que forman la molécula.
Estas fluctuaciones ocurren con mucho más frecuencia alta, que aquellos que acompañan a la formación y reabsorción de heterogeneidades aleatorias en el medio ambiente. Son estas vibraciones de los átomos en las moléculas las que afectan la luz dispersada. Los átomos parecen marcarlo, dejar sus huellas en él, cifrarlo con frecuencias adicionales.
Fue una suposición hermosa, una invasión audaz del pensamiento humano más allá del cordón de la pequeña fortaleza de la naturaleza: la molécula. Y este reconocimiento aportó información valiosa sobre su estructura interna.
De la mano
Entonces, mientras se intentaba detectar un pequeño cambio en la frecuencia de la luz dispersada causado por fuerzas intermoleculares, se descubrió un cambio mayor en la frecuencia causado por fuerzas intramoleculares.
Así, para explicar el nuevo fenómeno, llamado “dispersión Raman de la luz”, fue suficiente complementar la teoría de la dispersión molecular creada por Mandelstam con datos sobre la influencia de las vibraciones de los átomos dentro de las moléculas. El nuevo fenómeno fue descubierto como resultado del desarrollo de la idea de Mandelstam, formulada por él en 1918.
Sí, no sin razón, como dijo el académico S.I. Vavilov, “La naturaleza regaló a Leonid Isaakovich un visionario completamente inusual mente sutil, quien inmediatamente se dio cuenta y comprendió lo principal, que la mayoría pasó por alto con indiferencia. Así se entendió la esencia fluctuante de la dispersión de la luz y así surgió la idea de un cambio en el espectro durante la dispersión de la luz, que se convirtió en la base para el descubrimiento de la dispersión Raman”.
Posteriormente se derivaron enormes beneficios de este descubrimiento y recibió una valiosa aplicación práctica.
En el momento de su descubrimiento, parecía sólo una contribución muy valiosa a la ciencia.
¿Qué pasa con Raman y Krishnan? ¿Cómo reaccionaron ante el descubrimiento de los científicos soviéticos y también ante el suyo propio? ¿Entendieron lo que habían descubierto?
La respuesta a estas preguntas está contenida en la siguiente carta de Raman y Krishnan, que enviaron a la prensa 9 días después de la publicación del artículo de los científicos soviéticos. Sí, se dieron cuenta de que el fenómeno que observaron no era el efecto Compton. Esta es la dispersión de luz Raman.
Después de la publicación de las cartas de Raman y Krishnan y los artículos de Mandelstam y Landsberg, quedó claro para los científicos de todo el mundo que el mismo fenómeno se producía y estudiaba de forma independiente y casi simultáneamente en Moscú y Calcuta. Pero los físicos de Moscú lo estudiaron en cristales de cuarzo y los físicos indios lo estudiaron en líquidos y gases.
Y este paralelismo, por supuesto, no fue casual. Habla de la relevancia del problema y de su gran importancia científica. No es sorprendente que los científicos franceses Rocard y Kaban también obtuvieran de forma independiente resultados cercanos a las conclusiones de Mandelstam y Raman a finales de abril de 1928. Después de un tiempo, los científicos recordaron que allá por 1923, el físico checo Smekal predijo teóricamente el mismo fenómeno. Tras los trabajos de Smekal, aparecieron las investigaciones teóricas de Kramers, Heisenberg y Schrödinger.
Al parecer, sólo la falta de información científica puede explicar el hecho de que científicos de muchos países trabajaran para resolver el mismo problema sin siquiera saberlo.
Treinta y siete años después
Los estudios raman no sólo han descubierto nuevo capitulo en la ciencia de la luz. Al mismo tiempo dieron arma poderosa tecnología. Industria recibida gran manera estudiando las propiedades de la materia.
Después de todo, las frecuencias de dispersión de luz Raman son huellas que las moléculas del medio que dispersa la luz se superponen a la luz. y en diferentes sustancias Estas impresiones no son las mismas. Esto es lo que le dio al académico Mandelstam el derecho de llamar a la dispersión Raman de la luz el “lenguaje de las moléculas”. Aquellos que puedan leer las huellas de las moléculas en los rayos de luz y determinar la composición de la luz dispersada, las moléculas, utilizando este lenguaje, les contarán los secretos de su estructura.
En el negativo de una fotografía del espectro Raman no hay más que líneas de negrura variable. Pero a partir de esta fotografía, el especialista calculará las frecuencias de las vibraciones intramoleculares que aparecieron en la luz dispersada después de su paso a través de la sustancia. La imagen contará sobre muchos aspectos hasta ahora desconocidos. vida interior moléculas: sobre su estructura, sobre las fuerzas que unen los átomos en moléculas, sobre movimientos relativosátomos. Al aprender a descifrar los espectrogramas Raman, los físicos aprendieron a comprender el peculiar "lenguaje luminoso" con el que las moléculas hablan de sí mismas. Así, el nuevo descubrimiento permitió penetrar más profundamente en la estructura interna de las moléculas.
Hoy en día, los físicos utilizan la dispersión Raman para estudiar la estructura de líquidos, cristales y sustancias vítreas. Los químicos utilizan este método para determinar la estructura de varios compuestos.
El personal del laboratorio desarrolló métodos para estudiar sustancias utilizando el fenómeno de dispersión de luz Raman instituto fisico lleva el nombre de P.N. Academia de Ciencias Lebedev de la URSS, dirigida por el académico Landsberg.
Estos métodos permiten producir de forma rápida y precisa datos cuantitativos y análisis cualitativos gasolinas de aviación, productos de craqueo, productos derivados del petróleo y muchos otros líquidos orgánicos complejos. Para ello, basta con iluminar la sustancia en estudio y utilizar un espectrógrafo para determinar la composición de la luz dispersada por ella. Parece muy simple. Pero antes de que este método resultara verdaderamente conveniente y rápido, los científicos tuvieron que trabajar mucho para crear equipos precisos y sensibles. Y he aquí por qué.
De la cantidad total de energía luminosa que ingresa a la sustancia en estudio, solo una parte insignificante, aproximadamente una diez mil millonésima parte, representa la parte de luz dispersada. Y la dispersión Raman rara vez representa ni siquiera el dos o el tres por ciento de este valor. Aparentemente, esta es la razón por la que la dispersión de Raman pasó desapercibida durante mucho tiempo. No es de extrañar que la obtención de las primeras fotografías Raman requiriera exposiciones que duraran decenas de horas.
Los modernos equipos creados en nuestro país permiten obtener espectro raman sustancias puras¡en unos minutos y a veces incluso segundos! Incluso para el análisis de mezclas complejas, en las que las sustancias individuales están presentes en cantidades de varios por ciento, suele ser suficiente un tiempo de exposición de no más de una hora.
Han pasado treinta y siete años desde que Mandelstam y Landsberg, Raman y Krishnan descubrieron, descifraron y entendieron el lenguaje de las moléculas grabadas en placas fotográficas. Desde entonces, se ha trabajado intensamente en todo el mundo para compilar un “diccionario” del lenguaje de las moléculas, que los ópticos llaman catálogo de frecuencias Raman. Cuando se elabore dicho catálogo, la decodificación de espectrogramas se facilitará enormemente y la dispersión Raman estará aún más plenamente al servicio de la ciencia y la industria.
¿Por qué el cielo es azul? ¿Por qué el sol es amarillo? Estas preguntas, tan naturales, se han planteado ante el hombre desde la antigüedad. Sin embargo, para obtener una explicación correcta de estos fenómenos fue necesario el esfuerzo de destacados científicos de la Edad Media y épocas posteriores, hasta finales del XIX v.
¿Qué hipótesis existieron? ¿Qué hipótesis no se han planteado en diferentes tiempos para explicar el color del cielo. Primera hipótesis Al observar cómo el humo sobre el fondo de una chimenea oscura adquiere un color azulado, Leonardo da Vinci escribió: ... la claridad sobre la oscuridad se vuelve azul, cuanto más bella es la luz y la oscuridad, más excelentes." Goethe se adhirió aproximadamente al mismo punto de vista, que no sólo fue mundial poeta famoso, sino también el científico natural más importante de su tiempo. Sin embargo, esta explicación del color del cielo resultó insostenible, ya que, como se hizo evidente más tarde, al mezclar blanco y negro sólo se pueden producir tonos grises, no colores. Azul El humo de una chimenea es causado por un proceso completamente diferente.
¿Qué hipótesis existieron? Hipótesis 2 Después del descubrimiento de la interferencia, en particular en películas delgadas, Newton intentó aplicarla para explicar el color del cielo. Para ello tuvo que partir de la base de que las gotas de agua tienen la forma de burbujas de paredes finas, como las pompas de jabón. Pero como las gotas de agua contenidas en la atmósfera son en realidad esferas, esta hipótesis pronto estalló, como una pompa de jabón.
¿Qué hipótesis existieron? 3 hipótesis Científicos del siglo XVIII. Marriott, Bouguer, Euler pensaban que el color azul del cielo se explica por su propio color componentes aire. Esta explicación incluso recibió cierta confirmación más tarde, ya en el siglo XIX, cuando se estableció que el oxígeno líquido es azul y el ozono líquido es azul. Más cercano a explicación correcta O. B. Saussure se acercó al color del cielo. Creía que si el aire fuera absolutamente puro, el cielo sería negro, pero el aire contiene impurezas que reflejan predominantemente el color azul (en particular, vapor de agua y gotas de agua).
Resultados del estudio: El primero en crear una teoría matemática rigurosa y armoniosa sobre la dispersión de la luz molecular en la atmósfera fue el científico inglés Rayleigh. Creía que la dispersión de la luz no se produce en las impurezas, como pensaban sus predecesores, sino en las propias moléculas de aire. Para explicar el color del cielo presentamos sólo una de las conclusiones de la teoría de Rayleigh:
Los resultados del estudio: el color de la mezcla de rayos dispersados será azul. El brillo o intensidad de la luz dispersada varía en proporción inversa a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz que incide sobre la partícula dispersante. Por tanto, la dispersión molecular es extremadamente sensible al más mínimo cambio en la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la longitud de onda de los rayos violetas (0,4 μm) es aproximadamente la mitad de la longitud de onda de los rayos rojos (0,8 μm). Por lo tanto, los rayos violetas se dispersarán 16 veces más fuerte que los rojos, y con igual intensidad de los rayos incidentes habrá 16 veces más en la luz dispersada. Todos los demás rayos de colores del espectro visible (azul, cian, verde, amarillo, naranja) se incluirán en la luz dispersada en cantidades inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda de cada uno de ellos. Si ahora todos los rayos dispersos de colores se mezclan en esta proporción, entonces el color de la mezcla de rayos dispersos será azul.
Literatura: S.V. Zvereva.En el mundo luz del sol.L., Gidrometeoizdat, 1988
HIPÓTESIS: Plan de trabajo: Estudiar qué es la luz; Investigar el cambio de color de un medio transparente según el ángulo de incidencia de los rayos de luz; Dar explicación científica El fenómeno observado Los cambios en el color del cielo están asociados con el ángulo de los rayos de luz que ingresan a la atmósfera terrestre.
Parte teórica Todo el mundo ha visto cómo los bordes del cristal y las pequeñas gotas de rocío brillan con todos los colores del arco iris. ¿Qué está sucediendo? Después de todo, los rayos de luz blanca del sol caen sobre cuerpos transparentes e incoloros. Estos fenómenos son conocidos por la gente desde hace mucho tiempo. Por mucho tiempo se creía que luz blanca el más simple, y los colores creados son propiedades especiales algunos cuerpos
1865 James Maxwell. Creó la teoría de las ondas electromagnéticas. La luz es una onda electromagnética. Heinrich Hertz descubrió un método para crear y distribuir ondas electromagnéticas.
La luz es ondas electromagnéticas, que representa un conjunto de ondas que tienen diferentes longitudes. Con nuestra visión, percibimos un pequeño intervalo de longitudes de EMW como luz. Juntas, estas ondas nos dan luz blanca. Y si seleccionamos una parte de las ondas de este intervalo, las percibimos como luz que tiene algún tipo de color. Hay siete colores primarios en total.
Procedimiento del experimento: Llene el recipiente (acuario) con agua; Agrega un poco de leche al agua (son partículas de polvo) Dirige la luz de la linterna hacia arriba del agua; Este es el color del cielo al mediodía. Cambiamos el ángulo de incidencia de la luz sobre el agua de 0 a 90. Observa el cambio de color.
Conclusión: El cambio de color del cielo depende del ángulo con el que los rayos de luz entran en la atmósfera terrestre. El color del cielo cambia durante el día de azul a rojo. Y cuando la luz no entra a la atmósfera, entonces este lugar La noche cae sobre la tierra. Por la noche, cuando el tiempo es favorable, nos llega luz desde estrellas distantes y la luna brilla con luz reflejada.
pero cuantos existen diferentes colores, ¿qué hace que las cosas que nos rodean sean coloridas? Y el conocimiento científico ya puede responder a muchas de esas preguntas. Por ejemplo, explique color del cielo.
Para empezar, habrá que mencionar al gran Isaac Newton, quien observó la descomposición del sol blanco a su paso. prisma de vidrio. Lo que vio ahora se llama fenómeno. variaciones, y la imagen multicolor en sí. espectro. Los colores resultantes coincidían exactamente con los colores del arco iris. Es decir, ¡Newton observó un arco iris en el laboratorio! Fue gracias a sus experimentos a finales del siglo XVIII que se estableció que la luz blanca es una mezcla varios colores. Además, el mismo Newton demostró que si la luz descompuesta en espectro se mezcla nuevamente, se obtendrá luz blanca. En el siglo XIX se demostró que la luz son ondas electromagnéticas que se propagan a una enorme velocidad de 300.000 km/s. Y ya a principios del siglo pasado, este conocimiento se complementó con la idea de un cuanto de luz: fotón. Por tanto, la luz tiene una naturaleza dual: ondas y partículas. Esta unificación se convirtió en la explicación de muchos fenómenos, en particular, el espectro de radiación térmica de los cuerpos calentados. Como lo es el nuestro.
Después de esta introducción, es hora de pasar a nuestro tema. El color azul del cielo... ¡Quién no lo ha admirado al menos un par de veces en su vida! Pero, ¿es tan sencillo decir que la culpa es de la dispersión de la luz en la atmósfera? ¿Por qué entonces el color del cielo no es azul bajo la luz? luna llena? ¿Por qué el color azul no es igual en todas partes del cielo? ¿Qué pasa con el color del cielo cuando sale y se pone el sol? Después de todo, puede ser amarillo, rosa e incluso verde. Pero éstas siguen siendo características de la dispersión. Por tanto, veámoslo con más detalle.
La explicación del color del cielo y sus características pertenece al físico inglés John William Rayleigh, que estudió la dispersión de la luz. Fue él quien señaló que el color del cielo está determinado por la dependencia de la dispersión de la frecuencia de la luz. La radiación del Sol, que ingresa al aire, interactúa con las moléculas de gases que componen el aire. Y dado que la energía de un fotón cuántico de luz aumenta al disminuir la longitud de onda de la luz, el efecto más poderoso sobre las moléculas de gas, o más bien sobre los electrones de estas moléculas, lo ejercen los fotones de las partes azul y violeta. espectro de luz. Llegando a oscilaciones forzadas, los electrones devuelven la energía extraída de la onda luminosa en forma de fotones de radiación. Sólo estos fotones secundarios se emiten ya en todas direcciones, no sólo en la dirección de la luz incidente originalmente. Este será el proceso de dispersión de la luz. Además, es necesario tener en cuenta movimiento constante aire y fluctuaciones en su densidad. De lo contrario habríamos visto un cielo negro.
Ahora volvamos a radiación térmica tel. La energía en su espectro se distribuye de manera desigual y se describe según las leyes establecidas por el físico alemán Wilhelm Wien. El espectro de nuestro Sol será igualmente desigual en energías fotónicas. Es decir, habrá muchos menos fotones de la parte violeta que de la parte azul, y más aún de la parte azul. Si también tenemos en cuenta la fisiología de la visión, es decir, la máxima sensibilidad de nuestro ojo al color azul verdoso, obtenemos un cielo azul o azul oscuro.
Tenga en cuenta que cuanto más largo sea el camino rayo de sol En la atmósfera, menos fotones sin interactuar de las regiones azul y azul del espectro permanecen en ella. Por lo tanto, el color del cielo es desigual y los colores de la mañana o de la tarde son de color amarillo rojizo debido a largo camino luz a través de la atmósfera. Además, el polvo, el humo y otras partículas contenidas en el aire también afectan en gran medida la dispersión de la luz en la atmósfera. Se pueden recordar pinturas famosas de Londres sobre este tema. O recuerdos del desastre de 1883 ocurrido durante la erupción del volcán Krakatoa. Las cenizas de la erupción que ingresaron a la atmósfera provocaron el color azulado del Sol en muchos países de la región del Pacífico, así como los amaneceres rojos que se observan en toda la Tierra. Pero estos efectos ya se explican mediante otra teoría: la teoría de la dispersión de partículas proporcionales a la longitud de onda de la luz. Esta teoría fue propuesta al mundo por el físico alemán Gustav Mie. Idea principal ella - tales partículas debido a su relativa tallas grandes La luz roja se dispersa con más fuerza que la azul o la violeta.
Así, el color del cielo no es sólo una fuente de inspiración para poetas y artistas, sino una consecuencia de sutiles leyes físicas que el genio humano supo descubrir.
