Mano temos aktualumas slypi tame, kad ji bus įdomi ir naudinga klausytojams, nes daugelis žiūri į aiškų mėlynas dangus, žavisi juo ir retas žino, kodėl jis toks mėlynas, kas suteikia tokią spalvą.

Parsisiųsti:

Peržiūra:

1. Įvadas. Su. 3
2. Pagrindinė dalis. Su. 4-6

1. Mano klasiokų spėjimai

1. Senovės mokslininkų spėjimai
2. Šiuolaikinis požiūris
3. Įvairios dangaus spalvos
4. Išvada.

1. Išvada. Su. 7
2. Literatūra. Su. 8

1. Įvadas.

Man patinka, kai oras giedras, saulėtas, dangus be nė vieno debesėlio, o dangaus spalva mėlyna. „Įdomu, – pagalvojau, – kodėl dangus mėlynas?

Tyrimo tema:Kodėl dangus mėlynas?

Tyrimo tikslas:Sužinok, kodėl dangus mėlynas?

Tyrimo tikslai:

Išsiaiškinkite senovės mokslininkų prielaidas.

Sužinokite modernumą mokslinis taškas regėjimas.

Stebėkite dangaus spalvą.

Tyrimo objektas– mokslo populiarinimo literatūrą.

Studijų dalykas- mėlyna dangaus spalva.

Tyrimo hipotezės:

Tarkime, debesys susideda iš vandens garų ir vandens mėlyna spalva;

Arba saulė turi spindulių, kurie dangų nudažo tokia spalva.

Studijų planas:

1. Peržiūrėti enciklopedijas;
2. Rasti informaciją internete;
3. Prisiminkite studijuotas temas apie jus supantį pasaulį;
4. Paklausk mamos;
5. Išsiaiškinkite klasės draugų nuomones.

Mano temos aktualumas slypi tame, kad ji bus įdomi ir naudinga klausytojams, nes daug kas žiūri į giedrą mėlyną dangų ir juo žavisi, o retas žino, kodėl jis toks mėlynas, kas jam suteikia tokią spalvą.

2. Pagrindinė dalis.

Mano klasiokų spėjimai.

Galvojau, ką bendramoksliai atsakys į klausimą: kodėl dangus mėlynas? Gal kažkieno nuomonė sutaps su mano, o gal bus visiškai kitokia.

Apklausti 24 mūsų mokyklos 3 klasės mokiniai. Atsakymų analizė parodė:

8 mokiniai pasiūlė, kad dangus yra mėlynas dėl vandens, kuris garuoja iš Žemės;

4 mokiniai atsakė, kad mėlyna spalva ramina;

4 mokiniai mano, kad dangaus spalvai įtaką daro atmosfera ir saulė;

3 mokiniai mano, kad erdvė yra tamsi, o atmosfera balta, todėl spalva yra mėlyna.

2 mokiniai mano, kad atmosferoje lūžta saulės spindulys ir susidaro mėlyna spalva.

2 mokiniai pasiūlė tokį variantą – mėlyną dangaus spalvą – nes šalta.

1 mokinys – taip veikia gamta.

Įdomu tai, kad viena iš mano hipotezių sutampa su labiausiai paplitusia vaikinų nuomone - debesys susideda iš vandens garų, o vanduo yra mėlynas.

Senovės mokslininkų spėjimai.

Kai pradėjau ieškoti atsakymo į savo klausimą literatūroje, sužinojau, kad daugelis mokslininkų sukosi smegenyse ieškodami atsakymo. Buvo iškelta daug hipotezių ir prielaidų.

Pavyzdžiui, senovės graikai, į klausimą - kodėl dangus mėlynas? – Nedvejodamas iš karto atsakyčiau: „Dangus mėlynas, nes pagamintas iš gryniausio kalnų krištolo! Dangus yra kelios krištolo sferos, nuostabiai tiksliai įterptos viena į kitą. O viduryje yra Žemė su jūromis, miestais, šventyklomis, kalnų viršūnės, miško keliukai, tavernos ir tvirtovės.

Tai buvo senovės graikų teorija, bet kodėl jie taip manė? Dangaus nebuvo galima paliesti, buvo galima tik pažvelgti į jį. Stebėkite ir apmąstykite. Ir daryti įvairius spėjimus. Mūsų laikais tokie spėjimai būtų vadinami „ mokslinė teorija“, tačiau senovės graikų laikais jie buvo vadinami spėjimais. Ir štai po ilgų stebėjimų ir dar ilgesnių apmąstymų senovės graikai nusprendė, kad tai paprastas ir gražus paaiškinimas toks keistas reiškinys kaip mėlyna dangaus spalva.

Nusprendžiau patikrinti, kodėl jie taip galvoja. Jei įdėsime paprasto stiklo gabalėlį, pamatysime, kad jis skaidrus. Bet jei tokių akinių sukrausite visą šūsnį ir pabandysite pro juos žiūrėti, pamatysite melsvą atspalvį.

Toks paprastas dangaus spalvos paaiškinimas tęsėsi pusantro tūkstančio metų.

Leonardo da Vinci pasiūlė dangų nudažyti šia spalva, nes „...šviesa virš tamsos tampa mėlyna...“.

Tos pačios nuomonės laikėsi ir kai kurie kiti mokslininkai, bet visgi, vėliau paaiškėjo, kad ši hipotezė iš esmės neteisinga, nes sumaišius juodą su balta vargu ar gausite mėlyną, nes šių spalvų derinys suteikia tik pilką ir jos atspalvius.

Kiek vėliau, XVIII amžiuje, buvo manoma, kad dangaus spalvą suteikia oro komponentai. Remiantis šia teorija, buvo manoma, kad ore yra daug priemaišų, nes grynas oras būtų juodas. Po šios teorijos buvo daug daugiau prielaidų ir spėjimų, tačiau nė vienas iš jų negalėjo savęs pateisinti.

Šiuolaikinis požiūris.

Kreipiausi į šiuolaikinių mokslininkų nuomonę. Šiuolaikiniai mokslininkai rado atsakymą ir įrodė, kodėl dangus yra mėlynas.

Dangus yra tik oras, tas įprastas oras, kuriuo kvėpuojame kas sekundę, kurio nematyti ar paliesti, nes jis skaidrus ir nesvarus. Bet mes kvėpuojame skaidriu oru, kodėl jis virš mūsų galvų įgauna tokią mėlyną spalvą?

Visa paslaptis pasirodė mūsų atmosferoje.

Saulės spinduliai turi praeiti pro didžiulį oro sluoksnį, prieš atsitrenkdami į žemę.

Saulės spindulys baltas. A balta spalva yra spalvotų spindulių mišinys. Kaip mažas rimas, leidžiantis lengvai įsiminti vaivorykštės spalvas:

1. kiekvienas (raudonas)
2. medžiotojas (oranžinė)
3. linkėjimai (geltona)
4. žinoti (žalia)
5. kur (mėlyna)
6. sėdi (mėlyna)
7. fazanas (violetinė)

Saulės spindulys, susidūręs su oro dalelėmis, skyla į septynių spalvų spindulius.

Raudoni ir oranžiniai spinduliai yra ilgiausi ir iš saulės sklinda tiesiai į akis. O mėlynieji spinduliai yra trumpiausi, į visas puses atsimuša nuo oro dalelių ir žemę pasiekia mažiau nei visi kiti. Taigi dangus persmelktas mėlynų spindulių.

Įvairios dangaus spalvos.

Dangus ne visada mėlynas. Pavyzdžiui, naktį, kai saulė nesiunčia spindulių, matome dangų ne mėlyną, atmosfera atrodo skaidri. O per skaidrų orą žmogus gali matyti planetas ir žvaigždes. O dieną mėlyna spalva vėl slepia nuo mūsų akių kosminius kūnus.

Dangaus spalva gali būti raudona – saulėlydžio metu, debesuotu oru, balta arba pilka.

Išvados.

Taigi atlikęs tyrimą galiu padaryti tokias išvadas:

1. visa paslaptis yra dangaus spalvoje mūsų atmosferoje- Žemės planetos oro apvalkale.
2. Saulės spindulys, einantis per atmosferą, skyla į septynių spalvų spindulius.
3. Raudoni ir oranžiniai spinduliai yra ilgiausi, o mėlyni – trumpiausi..
4. Mėlyni spinduliai Žemę pasiekia mažiau nei kiti, o šių spindulių dėka dangus persmelktas mėlynos spalvos.
5. Dangus ne visada mėlynas.

Svarbiausia, kad dabar aš žinau, kodėl dangus yra mėlynas. Mano antroji hipotezė pasitvirtino iš dalies. Mano dviejų klasiokų spėjimai pasirodė esantys arčiausiai teisingo atsakymo.

Paprastas paaiškinimas

Kas yra dangus?

Dangus yra begalybė. Bet kuriai tautai dangus yra tyrumo simbolis, nes tikima, kad jame gyvena pats Dievas. Žmonės, atsisukę į dangų, prašo lietaus arba atvirkščiai – saulės. Tai yra, dangus nėra tik oras, dangus yra grynumo ir nekaltumo simbolis.

Dangus - tai tiesiog oras, tas įprastas oras, kuriuo kvėpuojame kas sekundę, kurio nematyti ar paliesti, nes jis skaidrus ir nesvarus. Bet mes kvėpuojame skaidriu oru, kodėl jis virš mūsų galvų įgauna tokią mėlyną spalvą? Ore yra keletas elementų: azoto, deguonies, anglies dioksidas, vandens garai, įvairios dulkių dėmės, kurios nuolat juda.

Fizikos požiūriu

Praktikoje, kaip teigia fizikai, dangus tėra oras, nuspalvintas saulės spindulių. Paprasčiau tariant, saulė šviečia Žemėje, bet saulės spinduliai Norėdami tai padaryti, jie turi praeiti per didžiulį oro sluoksnį, kuris tiesiogine prasme gaubia Žemę. Ir kaip saulės spindulys turi daug spalvų, tiksliau septynias vaivorykštės spalvas. Nežinantiems verta priminti, kad septynios vaivorykštės spalvos yra raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo, violetinė.

Be to, kiekvienas spindulys turi visas šias spalvas ir, eidamas per šį oro sluoksnį, į visas puses purškia įvairias vaivorykštės spalvas, tačiau įvyksta stipriausia mėlynos spalvos sklaida, dėl kurios dangus įgauna mėlyną spalvą. Trumpai apibūdinti, mėlynas dangus yra purslai, kuriuos sukuria šia spalva nuspalvintas spindulys.

Ir mėnulyje

Atmosferos nėra, todėl dangus Mėnulyje yra ne mėlynas, o juodas. Į orbitą iškeliavę astronautai mato juodą, juodą dangų, kuriame žaižaruoja planetos ir žvaigždės. Žinoma, dangus Mėnulyje atrodo labai gražiai, bet vis tiek nesinorėtų matyti nuolat juodo dangaus virš galvos.

Dangus keičia spalvą

Dangus ne visada yra mėlynas, jis linkęs keisti spalvą. Turbūt visi pastebėjo, kad kartais būna balkšva, kartais melsvai juoda... Kodėl taip? Pavyzdžiui, naktį, kai saulė nesiunčia savo spindulių, dangų matome ne mėlyną, atmosfera mums atrodo skaidri. O per skaidrų orą žmogus gali matyti planetas ir žvaigždes. O dieną mėlyna spalva vėl patikimai paslėps paslaptingą erdvę nuo smalsių akių.

Įvairios hipotezės Kodėl dangus mėlynas? (Gėtės, Niutono, XVIII a. mokslininkų, Rayleigh hipotezės)

Kokios hipotezės nebuvo iškeltos skirtingas laikas paaiškinti dangaus spalvą. Stebėdamas, kaip dūmai tamsaus židinio fone įgauna melsvą spalvą, Leonardo da Vinci rašė: „... šviesa virš tamsos tampa mėlyna, kuo gražesnė, tuo šviesesnė ir tamsesnė apytiksliai laikėsi tas pats požiūris Gėtė, kuris buvo ne tik pasaulinio garso poetas, bet ir didžiausias savo meto gamtos mokslininkas. Tačiau toks dangaus spalvos paaiškinimas pasirodė nepagrįstas, nes, kaip paaiškėjo vėliau, maišant juodą ir baltą galima gauti tik pilkus tonus, o ne spalvotus. Židinio dūmų mėlyną spalvą sukelia visiškai kitoks procesas.

Nustačius trukdžius, ypač plonose plėvelėse, Niutonas bandė taikyti trukdžius, kad paaiškintų dangaus spalvą. Norėdami tai padaryti, jis turėjo daryti prielaidą, kad vandens lašeliai yra plonasienių burbuliukų, panašių į muilo burbulus, formą. Tačiau kadangi atmosferoje esantys vandens lašeliai iš tikrųjų yra sferos, ši hipotezė greitai „sprogo“ kaip muilo burbulas.

Mokslininkai XVIII a Marriott, Bouguer, Euler manė, kad mėlyna dangaus spalva paaiškinama jo paties spalva komponentai oro. Šis paaiškinimas netgi gavo tam tikrą patvirtinimą vėliau, jau XIX amžiuje, kai buvo nustatyta, kad skystas deguonis yra mėlynas, o skystas ozonas yra mėlynas. Arčiausiai teisingas paaiškinimas dangaus spalva priartėjo prie O.B. Saussure. Jis tikėjo, kad jei oras būtų visiškai grynas, dangus būtų juodas, tačiau ore yra priemaišų, kurios daugiausia atspindi mėlyną spalvą (ypač vandens garų ir vandens lašelių). Iki antrosios XIX amžiaus pusės. Sukaupta daug eksperimentinės medžiagos apie šviesos sklaidą skysčiuose ir dujose, buvo atrasta viena iš dangaus sklindančios šviesos ypatybių – jos poliarizacija. Arago buvo pirmasis, kuris jį atrado ir ištyrė. Tai buvo 1809 m. Vėliau Babinet, Brewster ir kiti mokslininkai tyrė dangaus poliarizaciją. Dangaus spalvos klausimas taip patraukė mokslininkų dėmesį, kad daug platesnės reikšmės turintys šviesos sklaidos skysčiuose ir dujose eksperimentai buvo atliekami „laboratorinio atgaminimo“ požiūriu. mėlyna dangaus spalva. šie eksperimentai nukreipė mokslininkų mintis pakeliui. teisingu keliu- ieškoti mėlynos dangaus spalvos priežasties saulės spindulių sklaidoje atmosferoje.

Pirmasis, kuris sukūrė harmoningą, griežtą matematinę teoriją molekulinė sklaidašviesos atmosferoje, buvo anglų mokslininkas Rayleighas. Jis tikėjo, kad šviesos sklaida vyksta ne ant priemaišų, kaip manė jo pirmtakai, o ant pačių oro molekulių. Pirmasis Rayleigh darbas apie šviesos sklaidą buvo paskelbtas 1871 m. Galutinėje formoje jo sklaidos teorija, pagrįsta elektromagnetinė prigimtisšviesa, sukurta tuo metu, buvo išdėstyta veikale „Apie šviesą iš dangaus, jos poliarizaciją ir spalvą“, išleistame 1899 m. Už darbą šviesos sklaidos srityje Rayleigh (jo pilnas vardas Johnas Williamas Stretas, lordas Reilis III) dažnai vadinamas Reiliu sklaidytoju, priešingai nei jo sūnus Lordas Reilis IV. Rayleigh IV vadinamas Atmosferiniu Reiliu dėl jo didelio indėlio į atmosferos fizikos plėtrą. Norėdami paaiškinti dangaus spalvą, pateiksime tik vieną iš Rayleigh teorijos išvadų, aiškindami įvairius optinius reiškinius keletą kartų. Ši išvada teigia, kad išsklaidytos šviesos ryškumas arba intensyvumas kinta atvirkščiai, atsižvelgiant į sklaidos dalelės šviesos bangos ilgio ketvirtąją galią. Taigi, molekulinė sklaida yra itin jautri menkiausiam šviesos bangos ilgio pokyčiui. Pavyzdžiui, violetinių spindulių bangos ilgis (0,4 μm) yra maždaug pusė raudonųjų spindulių bangos ilgio (0,8 μm). Todėl violetiniai spinduliai bus išsklaidyti 16 kartų stipriau nei raudonieji, o esant vienodam krentančių spindulių intensyvumui, išsklaidytoje šviesoje jų bus 16 kartų daugiau. Visi kiti spalvoti matomo spektro spinduliai (mėlyna, žalsvai mėlyna, žalia, geltona, oranžinė) bus įtraukti į išsklaidytą šviesą kiekiais, atvirkščiai proporcingais kiekvieno iš jų bangos ilgio ketvirtajai galiai. Jei dabar visi spalvoti išsklaidyti spinduliai bus sumaišyti tokiu santykiu, tada išsklaidytų spindulių mišinio spalva bus mėlyna.

Tiesioginė saulės šviesa (t. y. šviesa, sklindanti tiesiai iš saulės disko), dėl sklaidos prarandanti daugiausia mėlynus ir violetinius spindulius, įgauna silpną gelsvą atspalvį, kuris sustiprėja Saulei besileidžiant į horizontą. Dabar spinduliai turi nukeliauti vis ilgesnį kelią per atmosferą. Per ilgą kelią trumpųjų bangų, t. y. violetinių, mėlynų, žalsvai mėlynų, spindulių praradimas tampa vis labiau pastebimas. tiesioginė šviesa Dažniausiai Žemės paviršių pasiekia ilgųjų bangų spinduliai – raudoni, oranžiniai, geltoni. Todėl Saulės ir Mėnulio spalva pirmiausia tampa geltona, vėliau oranžine ir raudona. Raudona Saulės spalva ir mėlyna dangaus spalva yra dvi to paties sklaidos proceso pasekmės. Tiesioginėje šviesoje, kai ji praeina per atmosferą, daugiausia išlieka ilgųjų bangų spinduliai (raudona saulė), o išsklaidyta šviesa yra trumpųjų bangų (mėlynas dangus). Taigi, Rayleigh teorija labai aiškiai ir įtikinamai paaiškino mėlyno dangaus ir raudonos saulės paslaptį.

dangaus šiluminė molekulinė sklaida

Kai vėjas virš gražaus mėlyno dangaus užmeta baltą purų permatomą peleriną, žmonės vis dažniau ima pakelti akis. Jei tuo pat metu apsivelka ir didelį pilką kailinį su sidabriniais lietaus siūlais, tai aplinkiniai nuo jo slepiasi po skėčiais. Jei apranga tamsiai violetinė, tai visi sėdi namuose ir nori pamatyti saulėtą mėlyną dangų.

Ir tik pasirodžius ilgai lauktam saulėtam mėlynam dangui, kuris apsivelka akinančiai mėlyną, auksiniais saulės spinduliais puoštą suknelę, žmonės džiaugiasi – ir šypsodamiesi palieka namus laukdami gero oro.

Klausimas, kodėl dangus yra mėlynas, jaudina žmonių protus nuo neatmenamų laikų. Graikų legendos rado atsakymą. Jie tvirtino, kad šį atspalvį jai suteikė gryniausias kalnų krištolas.

Leonardo da Vinci ir Goethe laikais jie taip pat ieškojo atsakymo į klausimą, kodėl dangus yra mėlynas. Jie tikėjo, kad mėlyna dangaus spalva gaunama maišant šviesą su tamsa. Tačiau vėliau ši teorija buvo paneigta kaip nepagrįsta, nes paaiškėjo, kad derinant šias spalvas galima gauti tik pilko spektro tonus, bet ne spalvą.

Po kurio laiko atsakymą į klausimą, kodėl dangus yra mėlynas, XVIII amžiuje bandė paaiškinti Marriott, Bouguer ir Euler. Jie tikėjo, kad tai buvo natūrali dalelių, sudarančių orą, spalva. Ši teorija buvo populiari net kito amžiaus pradžioje, ypač kai buvo nustatyta, kad skystas deguonis yra mėlynas, o skystas ozonas yra mėlynas.

Saussure'as pirmasis sugalvojo daugiau ar mažiau protingą idėją, kuris pasiūlė, kad jei oras būtų visiškai grynas, be priemaišų, dangus būtų juodas. Bet kadangi atmosferoje yra įvairių elementų(pavyzdžiui, garų ar vandens lašai), tada jie, atspindėdami spalvą, suteikia dangui norimą atspalvį.

Po to mokslininkai ėmė vis labiau artėti prie tiesos. Arago atrado poliarizaciją, vieną iš išsklaidytos šviesos, kuri atsimuša į dangų, savybių. Fizika neabejotinai padėjo mokslininkui padaryti šį atradimą. Vėliau atsakymo pradėjo ieškoti ir kiti tyrinėtojai. Tuo pačiu metu mokslininkus taip sudomino klausimas, kodėl dangus yra mėlynas, kad jį išsiaiškinti buvo atlikta puiki sumaįvairių eksperimentų, kurie paskatino idėją, kad Pagrindinė priežastis Mėlyna spalva atsiranda dėl to, kad mūsų saulės spinduliai yra tiesiog išsibarstę atmosferoje.

Paaiškinimas

Pirmasis matematiškai pagrįstą atsakymą dėl molekulinės šviesos sklaidos sukūrė britų tyrinėtojas Rayleighas. Jis iškėlė hipotezę, kad šviesa yra išsklaidyta ne dėl atmosferoje esančių priemaišų, o dėl pačių oro molekulių.

Jo teorija buvo sukurta – ir tokią išvadą padarė mokslininkai. Saulės spinduliai į Žemę patenka per jos atmosferą (storą oro sluoksnį), vadinamąją oro vokas planetos. Tamsus dangus visiškai užpildytas oru, kuris, nors ir visiškai skaidrus, nėra tuščias, o susideda iš dujų molekulių – azoto (78%) ir deguonies (21%), taip pat vandens lašelių, garų, ledo kristalų ir smulkių. gabalus kieta medžiaga

(pavyzdžiui, dulkių dalelės, suodžiai, pelenai, vandenyno druska ir kt.). Kai kurie spinduliai sugeba laisvai prasiskverbti tarp jų dujų molekulių , visiškai jas aplenkdami, todėl mūsų planetos paviršių pasiekia be pokyčių, tačiau dauguma spindulių susiduria su dujų molekulėmis, kurios susijaudina, gauna energiją ir išsiskiria į skirtingos pusės

įvairiaspalviai spinduliai, visiškai nuspalvinantys dangų, todėl matome saulėtą mėlyną dangų. Pati balta šviesa susideda iš visų vaivorykštės spalvų, kurias dažnai galima pamatyti, kai ji suskaidoma į sudedamąsias dalis. Taip atsitinka, kad oro molekulės labiausiai išsklaido mėlyną ir violetinę spalvas, nes jų yra daugiausia

trumpa dalis spektrą, nes jie turi trumpiausią bangos ilgį. Sumaišius mėlynos ir atmosferoje violetinės gėlės Su

Kadangi mūsų planetos atmosfera nėra vienalytė, o gana skirtinga (prie Žemės paviršiaus ji tankesnė nei aukščiau), jos struktūra ir savybės skiriasi, galime stebėti mėlynus atspalvius. Prieš saulėlydį ar saulėtekį, kai saulės spindulių ilgis žymiai padidėja, mėlyna ir violetinė spalvos yra išsibarsčiusios atmosferoje ir visiškai nepasiekia mūsų planetos paviršiaus. Geltonai raudonos bangos, kurias stebime danguje šiuo laikotarpiu, sėkmingai pasiekia.

Naktimis, kai saulės spinduliai negali pasiekti tam tikros planetos pusės, ten atmosfera tampa skaidri, matome „juodąją“ erdvę. Būtent taip tai mato virš atmosferos esantys astronautai. Verta pažymėti, kad astronautams pasisekė, nes būdami daugiau nei 15 km virš žemės paviršiaus, dieną jie gali vienu metu stebėti Saulę ir žvaigždes.

Dangaus spalva kitose planetose

Kadangi dangaus spalva labai priklauso nuo atmosferos, tai nenuostabu skirtingos planetos tai skirtingos spalvos. Įdomu tai, kad Saturno atmosfera yra tokios pat spalvos kaip ir mūsų planetos.

Urano dangus yra labai gražios akvamarino spalvos. Jo atmosferą daugiausia sudaro helis ir vandenilis. Jame taip pat yra metano, kuris visiškai sugeria raudoną spalvą ir išsklaido žalią ir mėlyną spalvas. Neptūno dangus yra mėlynas: šios planetos atmosferoje helio ir vandenilio nėra tiek daug kaip mūsų, tačiau yra daug metano, kuris neutralizuoja raudoną šviesą.

Atmosferos Mėnulyje – Žemės palydove, taip pat Merkurijuje ir Plutone – visiškai nėra, todėl šviesos spinduliai neatsispindi, todėl dangus čia juodas, o žvaigždės – lengvai atskiriamos. Mėlyna ir žalios spalvos Saulės spindulius visiškai sugeria Veneros atmosfera, o kai Saulė yra netoli horizonto, dangus būna geltonas.

Kodėl dangus mėlynas? Sunku rasti atsakymą į tokį paprastą klausimą. Daugelis mokslininkų sukosi smegenyse ieškodami atsakymo. Geriausias sprendimas problemą maždaug prieš 100 metų pasiūlė anglų fizikas Lordas Džonas Reilis.

Saulė skleidžia akinamai gryną baltą šviesą. Tai reiškia, kad dangaus spalva turėtų būti tokia pati, bet vis tiek mėlyna. Kas atsitinka su balta šviesa žemės atmosferoje?

Balta šviesa yra spalvotų spindulių mišinys. Naudodami prizmę galime padaryti vaivorykštę.

Prizmė padalija baltą spindulį į spalvotas juosteles:

■Raudona

■Oranžinė

■ Geltona

■ Žalia

■ Mėlyna

■ Mėlyna

■ Violetinė

Kartu šie spinduliai vėl sudaro baltą šviesą. Galima daryti prielaidą, kad saulės šviesa pirmiausia suskaidoma į spalvotus komponentus. Tada kažkas nutinka, ir Žemės paviršių pasiekia tik mėlyni spinduliai.

Taigi kodėl dangus mėlynas?

Galimi keli paaiškinimai. Žemę supantis oras yra dujų mišinys: azoto, deguonies, argono ir kt. Atmosferoje taip pat yra vandens garų ir ledo kristalų. Dulkės ir kitos smulkios dalelės yra suspenduotos ore. IN viršutiniai sluoksniai Atmosferoje yra ozono sluoksnis. Ar tai gali būti priežastis? Kai kurie mokslininkai manė, kad ozonas ir vandens molekulės sugeria raudonus spindulius ir perduoda mėlynus. Tačiau paaiškėjo, kad atmosferoje tiesiog nebuvo pakankamai ozono ir vandens, kad dangus būtų mėlynas.

1869 metais anglas Johnas Tindallas pasiūlė, kad dulkės ir kitos dalelės išsklaido šviesą. Mėlyna šviesa yra išsklaidyta mažiausiai ir praeina per tokių dalelių sluoksnius, kad pasiektų Žemės paviršių. Savo laboratorijoje jis sukūrė smogo modelį ir apšvietė jį ryškiai baltu spinduliu. Smogas tapo giliai mėlynas. Tindall nusprendė, kad jei oras būtų visiškai skaidrus, niekas neišsklaidytų šviesos, o mes galėtume grožėtis ryškiai baltu dangumi. Lordas Reilis taip pat palaikė šią idėją, bet neilgam. 1899 m. jis paskelbė savo paaiškinimą:

Dangų mėlynai nuspalvina oras, o ne dulkės ar dūmai.

Pagrindinė teorija apie mėlyną dangaus spalvą

Dalis saulės spindulių prasiskverbia tarp dujų molekulių su jomis nesusidurdami ir Žemės paviršių pasiekia nepakitę. Kitas, dauguma, sugeria dujų molekulės. Kai fotonai absorbuojami, molekulės sužadinamos, tai yra, jos įkraunamos energija, o paskui ją išspinduliuoja fotonų pavidalu. Šie antriniai fotonai turi skirtingą bangos ilgį ir gali būti bet kokios spalvos nuo raudonos iki violetinės. Jie išsisklaido į visas puses: ir į Žemę, ir į Saulę, ir į šonus. Lordas Rayleighas pasiūlė, kad skleidžiamo pluošto spalva priklauso nuo vienos ar kitos spalvos kvantų vyravimo pluošte. Kai dujų molekulė susiduria su saulės spindulių fotonais, antriniame raudonajame kvante yra aštuoni mėlyni kvantai.

Koks rezultatas? Intensyvi mėlyna šviesa tiesiogine prasme lieja mus iš visų pusių iš milijardų atmosferoje esančių dujų molekulių. Šioje šviesoje yra susimaišę kitų spalvų fotonai, todėl ji nėra vien mėlyna.

Kodėl tada saulėlydis raudonas?

Tačiau dangus ne visada yra mėlynas. Natūraliai kyla klausimas: jei visą dieną matome mėlyną dangų, kodėl saulėlydis raudonas? Raudona spalva yra mažiausiai išsklaidyta dujų molekulių. Saulėlydžio metu Saulė artėja prie horizonto ir saulės spindulys nukreipiamas į Žemės paviršių ne vertikaliai, kaip dieną, o kampu.

Todėl kelias per atmosferą yra daug Be to kad tai vyksta dienos metu kai Saulė aukštai. Dėl šios priežasties mėlynai mėlynas spektras yra absorbuojamas storame atmosferos sluoksnyje, nepasiekdamas Žemės. Ir ilgesnes šviesos bangos raudonai geltonos spalvos spektro pasiekia Žemės paviršių, nuspalvindami dangų ir debesis saulėlydžiui būdingomis raudonomis ir geltonomis spalvomis.

Mokslinis paaiškinimas

Aukščiau pateikėme atsakymą gana paprasta kalba. Žemiau pateikiame naudojimo pagrindimą mokslo terminai ir formules.

Ištrauka iš Wiki:

Priežastis, dėl kurios dangus atrodo mėlynas, yra ta, kad oras trumpųjų bangų šviesą išsklaido labiau nei ilgos bangos šviesą. Rayleigh sklaidos intensyvumas, kurį sukelia oro dujų molekulių skaičiaus svyravimai, atitinkantys šviesos bangos ilgius, yra proporcingi 1/λ 4, λ yra bangos ilgis, ty violetinė matomo spektro dalis yra išsklaidyta apytiksliai. 16 kartų intensyviau nei raudona. Kadangi mėlynos šviesos bangos ilgis yra trumpesnis, matomo spektro pabaigoje ji yra išsklaidyta į atmosferą labiau nei raudona šviesa. Dėl šios priežasties dangaus plotas už Saulės krypties yra mėlynos spalvos (bet ne violetinės, nes saulės spektras netolygus ir violetinės spalvos intensyvumas jame mažesnis, taip pat dėl ​​mažesnio jautrumo). akies į violetine spalva o daugiau – mėlynai, kuri dirgina ne tik mėlynai jautrius tinklainės kūgius, bet ir jautrius raudoniems bei žalsviems spinduliams).

Saulėlydžio ir aušros metu šviesa liečiasi žemės paviršiaus, todėl šviesos nueitas kelias atmosferoje tampa daug ilgesnis nei dieną. Dėl šios priežasties dauguma mėlynos ir net žalia šviesa yra išsklaidytas nuo tiesioginių saulės spindulių, todėl tiesioginė saulės šviesa, taip pat jos apšviesti debesys ir dangus bei šalia horizonto esantis dangus nudažyti raudonais tonais.

Tikriausiai, esant kitokiai atmosferos sudėčiai, pavyzdžiui, kitose planetose, dangaus spalva, įskaitant saulėlydį, gali skirtis. Pavyzdžiui, dangaus spalva Marse yra rausvai rožinė.

Sklaida ir sugertis yra pagrindinės šviesos intensyvumo atmosferoje susilpnėjimo priežastys. Sklaida skiriasi priklausomai nuo sklaidos dalelės skersmens ir šviesos bangos ilgio santykio. Kai šis santykis yra mažesnis nei 1/10, atsiranda Rayleigh sklaida, kurioje sklaidos koeficientas yra proporcingas 1/λ 4 . Esant didesnėms sklaidos dalelių dydžio ir bangos ilgio santykio reikšmėms, sklaidos dėsnis keičiasi pagal Gustave Mie lygtį; kai šis santykis didesnis nei 10, geometrinės optikos dėsniai taikomi pakankamai tiksliai praktikai.

Matymo ir supratimo džiaugsmas
yra pati gražiausia gamtos dovana.
Albertas Einšteinas

Dangaus mėlynumo paslaptis

Kodėl dangus mėlynas?...

Nėra žmogaus, kuris bent kartą gyvenime apie tai nebūtų pagalvojęs. Viduramžių mąstytojai jau bandė paaiškinti dangaus spalvos kilmę. Kai kurie iš jų teigė, kad mėlyna yra tikroji oro arba vienos iš jį sudarančių dujų spalva. Kiti manė, kad tikroji dangaus spalva yra juoda – tokia, kokia jis atrodo naktį. Dienos metu juoda dangaus spalva derinama su balta saulės spindulių spalva, o rezultatas yra... mėlynas.

Dabar galbūt nesutiksi žmogaus, kuris, norėdamas gauti mėlynus dažus, maišytų juodą ir baltą. Ir buvo laikas, kai spalvų maišymo dėsniai dar buvo neaiškūs. Jas vos prieš tris šimtus metų įrengė Niutonas.

Niutonas susidomėjo paslaptimi dangaus mėlynumo. Jis pradėjo atmetęs visas ankstesnes teorijas.

Pirma, jis teigė, kad baltos ir juodos spalvos mišinys niekada neduoda mėlynos spalvos. Antra, mėlyna nėra tikroji oro spalva. Jei taip būtų, Saulė ir Mėnulis saulėlydžio metu atrodytų ne raudoni, kaip iš tikrųjų, o mėlyni. Taip atrodytų tolimų snieguotų kalnų viršūnės.

Įsivaizduokite, kad oras yra spalvotas. Net jei jis labai silpnas. Tada storas jo sluoksnis veiktų kaip dažytas stiklas. O jei žiūrėsite per dažytą stiklą, tada visi objektai atrodys tokios pat spalvos kaip šis stiklas. Kodėl tolimos snieguotos viršūnės mums atrodo rausvos, o ne mėlynos?

Ginčuose su jo pirmtakais tiesa buvo Niutono pusėje. Jis įrodė, kad oras nėra spalvotas.

Bet vis tiek jis neįminė dangiškosios žydros mįslės. Jį suglumino vaivorykštė – vienas gražiausių, poetiškiausių gamtos reiškinių. Kodėl ji staiga atsiranda ir dingsta taip pat netikėtai? Niutonas negalėjo būti patenkintas vyraujančiu prietaru: vaivorykštė yra ženklas iš viršaus, ji pranašauja geras oras. Jis siekė rasti materialią kiekvieno reiškinio priežastį. Jis taip pat rado vaivorykštės priežastį.

Vaivorykštė yra šviesos lūžio lietaus lašuose rezultatas. Tai suprasdamas, Niutonas sugebėjo apskaičiuoti vaivorykštės lanko formą ir paaiškinti vaivorykštės spalvų seką. Jo teorija negalėjo paaiškinti tik dvigubos vaivorykštės atsiradimo, tačiau tai buvo padaryta tik po trijų šimtmečių, pasitelkus labai sudėtingą teoriją.

Vaivorykštės teorijos sėkmė užhipnotizavo Niutoną. Jis klaidingai nusprendė, kad mėlyną dangaus spalvą ir vaivorykštę nulėmė ta pati priežastis. Vaivorykštė tikrai prasiveržia, kai Saulės spinduliai prasiskverbia pro lietaus lašų būrį. Tačiau dangaus mėlynumas matomas ne tik lietuje! Atvirkščiai, būtent giedru oru, kai lietaus net nebūna, dangus būna ypač mėlynas. Kaip didysis mokslininkas to nepastebėjo? Niutonas manė, kad mažyčiai vandens burbuliukai, kurie pagal jo teoriją sudarė tik mėlyną vaivorykštės dalį, sklando ore bet kokiu oru. Bet tai buvo kliedesys.

Pirmas sprendimas

Praėjo beveik 200 metų, ir kitas anglų mokslininkas ėmėsi šio klausimo - Rayleigh, kuris nebijojo, kad užduotis buvo nepajėgi net didžiajam Niutonui.

Rayleigh studijavo optiką. O žmonės, kurie savo gyvenimą skiria šviesos tyrinėjimui, daug laiko praleidžia tamsoje. Pašalinė šviesa trukdo atlikti geriausius eksperimentus, todėl optinės laboratorijos langai beveik visada uždengti juodomis nepralaidžiomis užuolaidomis.

Reilis valandų valandas išbuvo savo niūrioje laboratorijoje vienas su šviesos spinduliais, sklindančiais iš instrumentų. Spindulių kelyje jie sukosi kaip gyvos dulkių dėmės. Jie buvo ryškiai apšviesti, todėl išsiskyrė tamsiame fone. Galbūt mokslininkas ilgą laiką mąsliai stebėjo jų sklandžius judesius, kaip ir žmogus stebi židinio židinio kibirkščių žaismą.

Argi ne šios šviesos spinduliuose šokančios dulkių dėmės leido suprasti Reili nauja mintis apie dangaus spalvos kilmę?

Net senovėje buvo žinoma, kad šviesa keliauja tiesia linija. Šį svarbų atradimą galėjo padaryti pirmykštis žmogus, stebėdamas, kaip, prasibraunant pro trobelės plyšius, saulės spinduliai krito ant sienų ir grindų.

Tačiau vargu ar jį vargino mintis, kodėl jis mato šviesos spindulius žiūrėdamas į juos iš šalies. Ir čia yra apie ką pagalvoti. Juk nuo plyšio iki grindų sklinda saulės spinduliai. Stebėtojo akis yra šone ir vis dėlto mato šią šviesą.

Mes taip pat matome šviesą iš prožektorių, nukreiptų į dangų. Tai reiškia, kad dalis šviesos kažkaip nukrypsta nuo tiesioginio kelio ir nukreipiama į mūsų akį.

Kas verčia jį klysti? Pasirodo, tai yra pačios dulkių dėmės, kurios užpildo orą. Į akis patenka dulkės išsklaidyti spinduliai ir spinduliai, kurie, susidūrę su kliūtimis, nusuka nuo kelio ir pasklinda tiesia linija nuo sklindančios dulkių dėmės į mūsų akį.

„Ar šios dulkių dėmės nuspalvina dangų mėlynai? – vieną dieną pagalvojo Reilis. Jis suskaičiavo ir spėjimas virto tikrumu. Jis rado paaiškinimą dėl mėlynos dangaus spalvos, raudonos aušros ir mėlynos miglos! Na, žinoma, mažyčiai dulkių grūdeliai, kurių dydis mažesnis už šviesos bangos ilgį, išsklaido saulės šviesą ir kuo trumpesnis jos bangos ilgis, tuo stipriau, paskelbė Rayleigh 1871 m. O kadangi violetiniai ir mėlyni spinduliai matomame saulės spektre turi trumpiausią bangos ilgį, jie yra išsibarstę stipriausiai, suteikdami dangui mėlyną spalvą.

Saulė ir snieguotos viršūnės pakluso šiam Rayleigh skaičiavimui. Jie netgi patvirtino mokslininko teoriją. Saulėtekio ir saulėlydžio metu, kai saulės šviesa praeina per didžiausią oro storį, violetiniai ir mėlyni spinduliai, teigia Rayleigh teorija, yra išsklaidomi stipriausiai. Tuo pačiu jie nukrypsta nuo tiesaus kelio ir nekreipia stebėtojo akių. Stebėtojas daugiausia mato raudonus spindulius, kurie yra išsklaidyti daug silpniau. Štai kodėl saulė saulėtekio ir saulėlydžio metu mums atrodo raudona. Dėl tos pačios priežasties tolimų snieguotų kalnų viršūnės atrodo rausvos.

Žiūrėdami į giedrą dangų matome mėlynai mėlynus spindulius, kurie dėl sklaidos nukrypsta nuo tiesaus kelio ir patenka į akis. O migla, kurią kartais matome šalia horizonto, mums taip pat atrodo mėlyna.

Erzina smulkmena

Argi ne gražus paaiškinimas? Pats Reilis buvo taip sužavėtas, mokslininkus taip nustebino teorijos harmonija ir Rayleigh pergalė prieš Niutoną, kad nė vienas iš jų nepastebėjo vieno paprasto dalyko. Tačiau ši smulkmena turėjo visiškai pakeisti jų vertinimą.

Kas paneigs, kad toli nuo miesto, kur ore daug mažiau dulkių, mėlyna dangaus spalva yra ypač skaidri ir ryški? Pačiam Rayleigh buvo sunku tai paneigti. Todėl... ne dulkių dalelės išsklaido šviesą? Kas tada?

Jis dar kartą peržiūrėjo visus savo skaičiavimus ir įsitikino, kad jo lygtys teisingos, tačiau tai reiškė, kad sklaidančios dalelės iš tiesų nebuvo dulkių grūdeliai. Be to, ore esantys dulkių grūdeliai yra daug ilgesni už šviesos bangos ilgį, o skaičiavimai įtikino Rayleigh, kad didelis jų susikaupimas ne sustiprina dangaus mėlynumą, o, priešingai, jį susilpnina. Šviesos sklaida didelėmis dalelėmis silpnai priklauso nuo bangos ilgio, todėl nekeičia jos spalvos.

Šviesai sklaidant ant stambių dalelių, tiek išsklaidyta, tiek prasiskverbianti šviesa išlieka balta, todėl didelių dalelių atsiradimas ore suteikia dangui balkšvą spalvą, o kaupiasi. didelis kiekis Dideli lašeliai sukelia baltą debesų ir rūko spalvą. Tai lengva patikrinti ant paprastos cigaretės. Dūmai, išeinantys iš kandiklio, visada atrodo balkšvi, o dūmai, kylantys iš jo degančio galo, yra melsvos spalvos.

Mažiausios dūmų dalelės, kylančios iš degančio cigaretės galo, yra mažesnės už šviesos bangos ilgį ir, remiantis Rayleigh teorija, išsklaido daugiausia violetinę ir mėlyną spalvas. Tačiau praeinant siaurais tabako storio kanalais, dūmų dalelės sulimpa (koaguliuoja), susijungia į didesnius gumulus. Daugelis jų tampa didesni už šviesos bangos ilgį ir visus šviesos bangos ilgius išsklaido maždaug vienodai. Štai kodėl iš kandiklio sklindantys dūmai atrodo balkšvi.

Taip, buvo nenaudinga ginčytis ir ginti teoriją, pagrįstą dulkių dėmėmis.

Taigi mokslininkams vėl iškilo mėlynos dangaus spalvos paslaptis. Tačiau Rayleigh nepasidavė. Jei mėlyna dangaus spalva yra grynesnė ir ryškesnė, tuo grynesnė atmosfera, samprotavo jis, tai dangaus spalvos negali lemti niekas kitas, tik pačios oro molekulės. Oro molekulės, rašė jis savo naujuose straipsniuose, yra mažiausios dalelės, kurios išsklaido saulės šviesą!

Šį kartą Rayleigh buvo labai atsargus. Prieš pranešdamas apie savo naują idėją, jis nusprendė ją išbandyti, kažkaip palyginti teoriją su patirtimi.

Galimybė atsirado 1906 m. Rayleigh padėjo amerikiečių astrofizikas Abbottas, tyrinėjęs mėlyną dangaus švytėjimą Vilsono kalno observatorijoje. Apdorodamas dangaus ryškumo matavimo rezultatus pagal Rayleigh sklaidos teoriją, Abbott apskaičiavo molekulių skaičių kiekviename kubiniame oro centimetre. Tai pasirodė didžiulis skaičius! Pakanka pasakyti, kad jei šios molekulės būtų paskirstytos visiems gyvenantiems žmonėms Žemė, tada kiekvienas gaus daugiau nei 10 milijardų šių molekulių. Trumpai tariant, Abbott atrado, kad kiekviename kubiniame oro centimetre prie normali temperatūra o atmosferos slėgyje yra 27 milijardai kartų milijardas molekulių.

Galima nustatyti molekulių skaičių kubiniame dujų centimetre Skirtingi keliai paremtas visiškai skirtingais ir nepriklausomais reiškiniais. Visi jie lemia labai sutampančius rezultatus ir suteikia skaičių, vadinamą Loschmidt numeriu.

Šis skaičius yra gerai žinomas mokslininkams ir ne kartą tarnavo kaip matas ir kontrolė aiškinant dujose vykstančius reiškinius.

Taigi skaičius, kurį Abbott gavo matuodamas dangaus švytėjimą, labai tiksliai sutapo su Loschmidto skaičiumi. Tačiau savo skaičiavimuose jis naudojo Rayleigh sklaidos teoriją. Taigi tai aiškiai įrodė, kad teorija buvo teisinga, molekulinė šviesos sklaida tikrai egzistuoja.

Atrodė, kad Rayleigh teoriją patikimai patvirtino patirtis; visi mokslininkai laikė tai nepriekaištinga.

Jis tapo visuotinai priimtas ir buvo įtrauktas į visus optikos vadovėlius. Buvo galima lengvai atsikvėpti: pagaliau buvo rastas paaiškinimas reiškiniui, kuris buvo toks pažįstamas ir kartu paslaptingas.

Juo labiau stebina tai, kad 1907 m mokslinis žurnalas vėl buvo iškeltas klausimas: kodėl dangus mėlynas?!.

Ginčas

Kas išdrįso suabejoti visuotinai priimta Rayleigh teorija?

Kaip bebūtų keista, tai buvo vienas aršiausių Rayleigh gerbėjų ir gerbėjų. Galbūt niekas taip neįvertino ir nesuprato Rayleigh, taip gerai išmanė jo darbus ir nesidomėjo jo moksline veikla, kaip jaunas rusų fizikas Leonidas Mandelštamas.

„Leonido Isaakovičiaus proto charakteris“, – vėliau prisiminė kitas sovietų mokslininkas, akademikas N. D.. Papaleksi – turėjo daug bendro su Rayleigh. Ir tai nėra atsitiktinumas, kad jų būdai mokslinė kūryba dažnai eidavo lygiagrečiai ir ne kartą kirsdavo.

Jie ir šį kartą susikirto su dangaus spalvos kilmės klausimu. Prieš tai Mandelstamas daugiausia domėjosi radijo inžinerija. Mūsų amžiaus pradžioje tai buvo absoliučiai nauja sritis mokslas, ir mažai žmonių tai suprato. Po to, kai buvo atrastas A.S. Popovui (1895 m.) buvo praėję vos keli metai, o darbų pabaiga nesibaigė. Per trumpą laiką Mandelstamas atliko daug rimtų šios srities tyrimų elektromagnetinės vibracijos radijo inžinerijos prietaisų atžvilgiu. 1902 m. apgynė disertaciją ir, būdamas dvidešimt trejų, Strasbūro universitete įgijo gamtos filosofijos daktaro laipsnį.

Spręsdamas radijo bangų sužadinimo klausimus, Mandelstamas natūraliai studijavo Rayleigh, kuris buvo pripažintas tyrimo autoritetas, darbus. svyravimo procesai. O jaunasis gydytojas neišvengiamai susipažino su dangaus spalvinimo problema.

Tačiau susipažinęs su dangaus spalvos klausimu, Mandelstamas ne tik parodė visuotinai priimtos Rayleigh molekulinės šviesos sklaidos teorijos klaidingumą arba, kaip jis pats sakė, „neadekvatumą“, bet ne tik atskleidė paslaptį. dangaus mėlynos spalvos, bet ir padėjo pamatus tyrimams, paskatinusiems vieną iš svarbiausi atradimai XX amžiaus fizika.

Viskas prasidėjo nuo ginčo in absentia su vienu didžiausių fizikų, kvantinės teorijos tėvu M. Plancku. Kai Mandelstamas susipažino su Rayleigh teorija, ji jį pakerėjo savo užsispyrimu ir vidiniais paradoksais, kurių, jauno fiziko nuostabai, senasis, patyręs Reilis nepastebėjo. Rayleigh teorijos nepakankamumas ypač aiškiai atsiskleidė analizuojant kitą teoriją, kuria remiantis Planckas paaiškina šviesos susilpnėjimą, kai ji praeina per optiškai vienalytę skaidrią terpę.

Šioje teorijoje buvo remiamasi tuo, kad pačios medžiagos molekulės, per kurias praeina šviesa, yra antrinių bangų šaltiniai. Planckas teigė, kad šioms antrinėms bangoms sukurti išleidžiama dalis praeinančios bangos energijos, kuri susilpnėja. Matome, kad ši teorija remiasi Rayleigh molekulinės sklaidos teorija ir remiasi jos autoritetu.

Lengviausias būdas suprasti reikalo esmę yra pažvelgti į bangas vandens paviršiuje. Jei banga susiduria su stacionariais ar plūduriuojančiais objektais (poliais, rąstais, valtimis ir kt.), tai mažos bangos išsklaido į visas puses nuo šių objektų. Tai ne kas kita, kaip išsibarstymas. Dalis krintančios bangos energijos išleidžiama jaudinančioms antrinėms bangoms, kurios yra gana panašios į išsklaidytą šviesą optikoje. Tokiu atveju pradinė banga susilpnėja – ji nublanksta.

Plaukiojantys objektai gali būti daug mažesni nei bangos ilgis, keliaujantis vandeniu. Net maži grūdeliai sukels antrines bangas. Žinoma, mažėjant dalelių dydžiui, jų formuojamos antrinės bangos silpnėja, tačiau jos vis tiek atims pagrindinės bangos energiją.

Maždaug taip Planckas įsivaizdavo šviesos bangos, kuri praeina pro dujas, susilpnėjimo procesą, tačiau grūdų vaidmenį jo teorijoje atliko dujų molekulės.

Mandelstamas susidomėjo šiuo Plancko darbu.

Mandelštamo minčių eigą taip pat galima paaiškinti naudojant vandens paviršiaus bangų pavyzdį. Tik reikia į tai atidžiau pažiūrėti. Taigi, net ir maži grūdeliai, plūduriuojantys vandens paviršiuje, yra antrinių bangų šaltinis. Tačiau kas atsitiks, jei šie grūdai bus pilami taip tirštai, kad padengtų visą vandens paviršių? Tada paaiškės, kad pavienės antrinės bangos, kurias sukelia daugybė grūdelių, susidės taip, kad visiškai užges tas bangų dalis, kurios bėga į šonus ir atgal, ir sklaida sustos. Lieka tik banga, einanti į priekį. Ji bėgs į priekį visiškai nesusilpnėjusi. Vienintelis visos grūdų masės buvimo rezultatas bus šiek tiek sumažėjęs pirminės bangos sklidimo greitis. Ypač svarbu, kad visa tai nepriklausytų nuo to, ar grūdai stovi, ar juda vandens paviršiuje. Grūdų sankaupa tiesiog veiks kaip apkrova vandens paviršiui, pakeisdama jo viršutinio sluoksnio tankį.

Mandelstamas atliko matematinį skaičiavimą tuo atveju, kai molekulių skaičius ore yra toks didelis, kad net tokiame mažame plote kaip šviesos bangos ilgis yra labai didelis skaičius molekulių. Paaiškėjo, kad šiuo atveju antrinės šviesos bangos, sužadintos atskirų chaotiškai judančių molekulių, sumuojasi taip pat, kaip bangos pavyzdyje su grūdeliais. Tai reiškia, kad šiuo atveju šviesos banga sklinda be sklaidos ir susilpnėjimo, bet šiek tiek mažesniu greičiu. Tai paneigė Rayleigh teoriją, kuri manė, kad sklaidančių dalelių judėjimas visais atvejais užtikrina bangų sklaidą, todėl paneigė ja paremtą Plancko teoriją.

Taigi, remiantis sklaidos teorija, buvo aptiktas smėlis. Visas didingas pastatas pradėjo drebėti ir grasino sugriūti.

Atsitiktinumas

Bet kaip su Loschmidto skaičiaus nustatymu pagal dangaus mėlyną švytėjimą? Juk patirtis patvirtino Rayleigh sklaidos teoriją!

„Šis sutapimas turėtų būti laikomas atsitiktiniu“, – rašė Mandelstamas 1907 m. savo darbe „Apie optiškai vienalytę ir drumstą terpę“.

Mandelstamas parodė, kad atsitiktinis molekulių judėjimas negali padaryti dujų vienalytės. Priešingai, in tikros dujos Dėl chaotiško šiluminio judėjimo visada atsiranda mažų retėjimo ir sutankinimų. Būtent jie lemia šviesos sklaidą, nes sutrikdo optinį oro homogeniškumą. Tame pačiame darbe Mandelstamas rašė:

„Jei terpė yra optiškai nehomogeniška, tada, paprastai kalbant, krintanti šviesa taip pat bus išsklaidyta į šonus.

Bet kadangi nehomogeniškumo, atsirandančio dėl chaotiško judėjimo, dydžiai yra mažesni už šviesos bangų ilgį, bangos, atitinkančios violetinę ir mėlyną spektro dalis, bus išsklaidytos daugiausia. Ir tai ypač lemia mėlyną dangaus spalvą.

Taip žydraus dangaus mįslė pagaliau buvo įminta. Teorinė dalis sukūrė Rayleigh. Fizinė prigimtis difuzorius sumontavo Mandelstam.

Didelis Mandelstamo nuopelnas slypi tame, kad jis įrodė, jog tobulo dujų homogeniškumo prielaida yra nesuderinama su šviesos sklaidos faktu. Jis suprato, kad mėlyna dangaus spalva įrodė, kad dujų homogeniškumas buvo tik akivaizdus. Tiksliau, dujos atrodo vienalytės tik tada, kai tiriamos neapdorotais instrumentais, tokiais kaip barometras, svarstyklės ar kiti instrumentai, kuriuos vienu metu veikia daugybė milijardų molekulių. Tačiau šviesos spindulys pajunta nepalyginamai mažesnius molekulių kiekius, matuojamus tik dešimtimis tūkstančių. Ir to pakanka, kad būtų galima neabejotinai nustatyti, kad dujų tankis nuolat keičiasi nedideliais vietiniais pokyčiais. Todėl terpė, kuri yra vienalytė mūsų „šiurkščiu“ požiūriu, iš tikrųjų yra nevienalytė. „Šviesos požiūriu“ atrodo drumstas ir todėl išsklaido šviesą.

Atsitiktiniai lokalūs medžiagos savybių pokyčiai, atsirandantys dėl molekulių terminio judėjimo, dabar vadinami svyravimais. Išsiaiškinęs molekulinės šviesos sklaidos svyravimo kilmę, Mandelstamas atvėrė kelią naujam medžiagos tyrimo metodui – svyravimo arba statistiniam metodui, kurį vėliau Smoluchowskis, Lorentzas, Einšteinas ir pats sukūrė į naują didelę fizikos katedrą. statistinė fizika.

Dangus turi mirksėti!

Taigi, buvo atskleista dangaus mėlynos spalvos paslaptis. Tačiau šviesos sklaidos tyrimas tuo nesibaigė. Atkreipdamas dėmesį į beveik nepastebimus oro tankio pokyčius ir aiškindamas dangaus spalvą svyruojančia šviesos sklaida, Mandelštamas, puikiai suvokęs mokslininką, atrado naują, dar subtilesnę šio proceso ypatybę.

Juk oro nehomogeniškumą lemia atsitiktiniai jo tankio svyravimai. Šių atsitiktinių nehomogeniškumo dydis ir gumulėlių tankis laikui bėgant kinta. Todėl, samprotavo mokslininkas, intensyvumas – išsklaidytos šviesos stiprumas – laikui bėgant taip pat turėtų keistis! Juk kuo tankesni molekulių gumulėliai, tuo intensyvesnė šviesa ant jų sklaidosi. O kadangi šie gumulėliai chaotiškai atsiranda ir išnyksta, dangus, paprasčiau tariant, turėtų mirgėti! Jo švytėjimo stiprumas ir spalva turėtų nuolat keistis (bet labai silpnai)! Bet ar kas nors pastebėjo tokį mirgėjimą? Žinoma ne.

Šis efektas yra toks subtilus, kad plika akimi jūs to nepastebėsite.

Nė vienas iš mokslininkų taip pat nepastebėjo tokio dangaus švytėjimo pasikeitimo. Pats Mandelstamas neturėjo galimybės patikrinti savo teorijos išvadų. Organizuoti sudėtingus eksperimentus iš pradžių trukdė prastos sąlygos Carinė Rusija o paskui pirmųjų revoliucijos metų sunkumai, užsienio intervencija ir pilietinis karas.

1925 m. Mandelštamas tapo Maskvos universiteto katedros vedėju. Čia jis susitiko su puikiu mokslininku ir kvalifikuotu eksperimentuotoju Grigorijumi Samuilovichiumi Landsbergiu. Taigi, sieja gili draugystė ir bendrumas mokslinių interesų, kartu jie tęsė šturmą dėl paslapčių, paslėptų silpnuose išsklaidytos šviesos spinduliuose.

Universiteto optinės laboratorijos tais metais dar buvo labai prastos instrumentų. Universitete nebuvo nė vieno instrumento, galinčio aptikti dangaus mirgėjimą arba tuos nedidelius krintančios ir išsklaidytos šviesos dažnių skirtumus, kurie, kaip numatė teorija, buvo šio mirgėjimo pasekmė.

Tačiau tai nesustabdė tyrėjų. Jie atsisakė idėjos imituoti dangų laboratorinėmis sąlygomis. Tai tik apsunkintų ir taip subtilią patirtį. Jie nusprendė tirti ne baltos sudėtingos šviesos sklaidą, o vieno, griežtai apibrėžto dažnio spindulių sklaidą. Jei jie tiksliai žinos krentančios šviesos dažnį, bus daug lengviau ieškoti tų arti jos esančių dažnių, kurie turėtų atsirasti sklaidos metu. Be to, teorija rodo, kad stebėjimus atlikti buvo lengviau kietosios medžiagos, nes juose molekulės yra daug arčiau nei dujose, o kuo tankesnė medžiaga, tuo didesnė sklaida.

Prasidėjo kruopšti tinkamiausių medžiagų paieška. Galiausiai pasirinkimas krito ant kvarco kristalų. Vien todėl, kad jie dideli skaidrūs kristalai kvarcas yra labiau prieinamas nei bet kuris kitas.

Tai truko dvejus metus parengiamieji eksperimentai, buvo atrinkti gryniausi kristalų pavyzdžiai, patobulinta technika, nustatyti ženklai, pagal kuriuos buvo galima neginčijamai atskirti sklaidą ant kvarco molekulių nuo sklaidos ant atsitiktinių intarpų, kristalų nehomogeniškumo ir priemaišų.

Protas ir darbas

Neturėdami galingos spektrinės analizės įrangos, mokslininkai pasirinko išradingą sprendimą, kuris turėjo sudaryti galimybę naudoti esamus instrumentus.

Pagrindinis šio darbo sunkumas buvo tas, kad silpna šviesa, kurią sukelia molekulinė sklaida, buvo padengta daug stipresne šviesa, išsklaidyta mažų priemaišų ir kitų defektų kristalų mėginiuose, kurie buvo gauti eksperimentams. Tyrėjai nusprendė pasinaudoti tuo, kad išsklaidyta šviesa susidaro dėl kristalų defektų ir atspindžių iš įvairios dalys nustatymai tiksliai atitinka krintančios šviesos dažnį. Juos domino tik šviesa, kurios dažnis pasikeitė pagal Mandelštamo teoriją. Taigi užduotis buvo išryškinti pasikeitusio dažnio šviesą, kurią sukelia molekulinė sklaida šios daug ryškesnės šviesos fone.

Siekdami užtikrinti, kad išsklaidytos šviesos dydis būtų aptiktas, mokslininkai nusprendė apšviesti kvarcą galingiausiu jiems prieinamu apšvietimo įtaisu – gyvsidabrio lempa.

Taigi, kristale išsklaidyta šviesa turi būti sudaryta iš dviejų dalių: silpna šviesa pakitęs dažnis, dėl molekulinės sklaidos (šios dalies tyrimas buvo mokslininkų tikslas), ir dėl daug stipresnės nepakitusio dažnio šviesos. dėl pašalinių priežasčių(ši dalis buvo žalinga, apsunkino tyrimą).

Metodo idėja patraukli dėl savo paprastumo: reikia sugerti pastovaus dažnio šviesą ir į spektrinį aparatą perduoti tik pasikeitusio dažnio šviesą. Tačiau dažnių skirtumai buvo tik kelios tūkstantosios procento dalys. Nė vienoje pasaulio laboratorijoje nebuvo filtro, galinčio atskirti tokius artimus dažnius. Tačiau sprendimas buvo rastas.

Išsklaidyta šviesa buvo praleista per indą, kuriame buvo gyvsidabrio garų. Dėl to visa „kenksminga“ šviesa „įstrigo“ inde, o „naudinga“ šviesa prasiskverbė be pastebimo susilpnėjimo. Eksperimentuotojai pasinaudojo viena jau žinoma aplinkybe. Medžiagos atomas, kaip teigia kvantinė fizika, gali skleisti šviesos bangas tik labai specifiniais dažniais. Tuo pačiu metu šis atomas gali sugerti šviesą. Be to, tik tų dažnių šviesos bangas, kurias jis pats gali skleisti.

Gyvsidabrio lempoje šviesą skleidžia gyvsidabrio garai, kurie veikiami švyti elektros iškrova, atsirandantis lempos viduje. Jei ši šviesa praleidžiama per indą, kuriame taip pat yra gyvsidabrio garų, ji bus beveik visiškai sugerta. Tai, ką numato teorija, atsitiks: gyvsidabrio atomai inde sugers šviesą, kurią skleidžia lempoje esantys gyvsidabrio atomai.

Kitų šaltinių, pavyzdžiui, neoninės lempos, šviesa praeis pro gyvsidabrio garus nepažeista. Gyvsidabrio atomai net nekreips į tai dėmesio. Ta gyvsidabrio lempos šviesos dalis, kuri buvo išsklaidyta kvarce, pasikeitus bangos ilgiui, taip pat nebus sugerta.

Mandelštamas ir Landsbergis pasinaudojo šia patogia aplinkybe.

Nuostabus atradimas

1927 metais prasidėjo ryžtingi eksperimentai. Mokslininkai apšvietė kvarco kristalą gyvsidabrio lempos šviesa ir apdorojo rezultatus. Ir... jie nustebo.

Eksperimento rezultatai buvo netikėti ir neįprasti. Tai, ką atrado mokslininkai, buvo visai ne tai, ko jie tikėjosi, ne tai, ką numatė teorija. Jie atrado visiškai naują reiškinį. Bet kuri? Ir ar tai ne klaida? Išsklaidyta šviesa atskleidė ne laukiamus dažnius, o daug aukštesnius ir žemesnius dažnius. Išsklaidytos šviesos spektre atsirado visas dažnių derinys, kurių nebuvo šviesoje, krintančioje ant kvarco. Paaiškinti jų išvaizdą optiniais kvarco nehomogeniškumais buvo tiesiog neįmanoma.

Prasidėjo nuodugnus patikrinimas. Eksperimentai buvo atlikti nepriekaištingai. Jie buvo sumanyti tokie šmaikštūs, tobuli ir išradingi, kad jais negalima nesižavėti.

„Leonidas Isaakovičius kartais išspręsdavo labai sudėtingas technines problemas taip gražiai, o kartais nuostabiai paprastai, kad kiekvienas iš mūsų nevalingai uždavė klausimą: „Kodėl man tai neatėjo anksčiau? – sako vienas iš darbuotojų.

Įvairūs kontroliniai eksperimentai nuolat patvirtino, kad klaidų nėra. Išsklaidytos šviesos spektro nuotraukose nuolat pasirodė silpnos, tačiau gana akivaizdžios linijos, rodančios „papildomų“ dažnių buvimą išsklaidytoje šviesoje.

Daugelį mėnesių mokslininkai ieškojo šio reiškinio paaiškinimo. Kur išsklaidytoje šviesoje atsirado „svetimi“ dažniai?!

Ir atėjo diena, kai Mandelštamą ištiko nuostabus spėjimas. Tai buvo nuostabus atradimas, tas pats, kuris dabar laikomas vienu svarbiausių XX amžiaus atradimų.

Tačiau ir Mandelštamas, ir Landsbergis vienbalsiai nusprendė, kad šis atradimas gali būti paskelbtas tik kruopščiai patikrinus, visapusiškai įsiskverbus į reiškinio gelmes. Prasidėjo paskutiniai eksperimentai.

Su saulės pagalba

Vasario 16 dieną Indijos mokslininkai C.N. Ramanas ir K.S. Krišnanas iš Kalkutos išsiuntė šiam žurnalui telegramą su Trumpas aprašymas jo atradimo.

Tais metais į žurnalą „Nature“ plūdo laiškai iš viso pasaulio apie įvairius atradimus. Tačiau ne kiekviena žinutė turi sukelti mokslininkų jaudulį. Kai pasirodė problema su Indijos mokslininkų laišku, fizikai buvo labai susijaudinę. Vien užrašo pavadinimas yra „ Naujas tipas antrinė spinduliuotė“ – sukėlė susidomėjimą. Juk optika yra vienas seniausių mokslų, 20 amžiuje joje nedažnai buvo įmanoma atrasti ką nors nežinomo.

Galima įsivaizduoti, su kokiu susidomėjimu viso pasaulio fizikai laukė naujų laiškų iš Kalkutos.

Jų susidomėjimą didele dalimi paskatino pati vieno iš atradimo autorių Ramano asmenybė. Tai smalsaus likimo ir nepaprastos biografijos žmogus, labai panašus į Einšteino. Einšteinas jaunystėje buvo paprastas gimnazijos mokytojas, o vėliau – patentų biuro darbuotojas. Būtent šiuo laikotarpiu jis baigė reikšmingiausius savo darbus. Ramanas, puikus fizikas, taip pat baigęs universitetą, buvo priverstas dešimt metų išdirbti finansų skyriuje ir tik po to buvo pakviestas į Kalkutos universiteto katedrą. Ramanas netrukus tapo pripažintu Indijos fizikų mokyklos vadovu.

Prieš pat aprašytus įvykius Ramanas ir Krišnanas susidomėjo kurioziška užduotimi. Tuo metu aistros, kurias sukėlė atradimas 1923 m., dar nebuvo nurimusios Amerikos fizikas Comptonas, kuris, tyrinėdamas rentgeno spindulių prasiskverbimą per medžiagą, atrado, kad kai kurie iš šių spindulių, išsisklaidę nuo pradinės krypties, padidina savo bangos ilgį. Išvertus į optikos kalbą, galima sakyti, kad rentgeno spinduliai, susidūrę su medžiagos molekulėmis, pakeitė savo „spalvą“.

Šį reiškinį nesunkiai paaiškino kvantinės fizikos dėsniai. Todėl Comptono atradimas buvo vienas iš lemiamų jaunosios kvantinės teorijos teisingumo įrodymų.

Nusprendėme pabandyti kažką panašaus, bet optikoje. atrado Indijos mokslininkai. Jie norėjo praleisti šviesą per medžiagą ir pamatyti, kaip jos spinduliai bus išsklaidyti ant medžiagos molekulių ir ar nepasikeis jų bangos ilgis.

Kaip matote, norom nenorom, Indijos mokslininkai iškėlė sau tokią pat užduotį kaip ir sovietų mokslininkai. Tačiau jų tikslai buvo skirtingi. Kalkutoje jie ieškojo optinės Compton efekto analogijos. Maskvoje - eksperimentinis patvirtinimas Mandelstamo prognozė, kad dažnis pasikeičia, kai šviesa yra išsklaidyta dėl svyruojančių nehomogeniškumo.

Ramanas ir Krišnanas sukūrė sudėtingą eksperimentą, nes laukiamas poveikis buvo labai mažas. Eksperimentui reikėjo labai ryškaus šviesos šaltinio. Ir tada jie nusprendė panaudoti saulę, rinkdami jos spindulius naudodami teleskopą.

Jo objektyvo skersmuo buvo aštuoniolika centimetrų. Tyrėjai nukreipė surinktą šviesą per prizmę į indus, kuriuose buvo skysčių ir dujų, kurie buvo kruopščiai išvalyti nuo dulkių ir kitų teršalų.

Tačiau norint aptikti numatomą mažą išsklaidytos šviesos bangos ilgio išplėtimą naudojant baltą saulės šviesa, kuriame yra beveik visi galimi bangos ilgiai, buvo beviltiška. Todėl mokslininkai nusprendė naudoti šviesos filtrus. Jie padėjo mėlynai violetinį filtrą prieš objektyvą ir stebėjo išsklaidytą šviesą per geltonai žalią filtrą. Jie teisingai nusprendė, kad tai, ką leis pirmasis filtras, įstrigs antrajame. Juk geltonai žalias filtras sugeria mėlynai violetinius spindulius, kuriuos perduoda pirmasis filtras. Ir abu, išdėstyti vienas už kito, turėtų sugerti visą krintantį šviesą. Jei kai kurie spinduliai pateks į stebėtojo akį, bus galima drąsiai teigti, kad jie buvo ne krintančioje šviesoje, o gimė tiriamoje medžiagoje.

Kolumbas

Iš tiesų, išsklaidytoje šviesoje Ramanas ir Krišnanas aptiko spindulius, praeinančius per antrąjį filtrą. Jie įrašė papildomus dažnius. Iš esmės tai gali būti optinis Komptono efektas. Tai yra, kai išsisklaidė ant induose esančios medžiagos molekulių, mėlynai violetinė šviesa gali pakeisti savo spalvą ir tapti geltonai žalia. Tačiau tai dar reikėjo įrodyti. Gali būti ir kitų priežasčių, dėl kurių atsiranda geltonai žalia šviesa. Pavyzdžiui, jis gali atsirasti dėl liuminescencijos – silpno švytėjimo, kuris dažnai atsiranda skysčiuose ir kietose medžiagose, veikiant šviesai, šilumai ir kitoms priežastims. Akivaizdu, kad buvo vienas dalykas – ši šviesa atgimė iš naujo, ji nebuvo sutalpinta krintančioje šviesoje.

Mokslininkai pakartojo savo eksperimentą su šešiais skirtingais skysčiais ir dviejų tipų garais. Jie buvo įsitikinę, kad nei liuminescencija, nei kitos priežastys čia neturi reikšmės.

Tai, kad matomos šviesos bangos ilgis didėja, kai ji yra išsklaidyta materijoje, Ramanui ir Krišnanui atrodė nustatyta. Atrodė, kad jų paieškas vainikavo sėkmė. Jie atrado optinį Komptono efekto analogą.

Bet tam, kad eksperimentai įgautų išbaigtą formą, o išvados būtų pakankamai įtikinamos, reikėjo atlikti dar vieną darbo dalį. To nepakako nustatyti bangos ilgio pokytį. Reikėjo išmatuoti šio pokyčio mastą. Pirmą žingsnį padėjo atlikti šviesos filtras. Jis buvo bejėgis padaryti antrą. Čia mokslininkams prireikė spektroskopo – prietaiso, leidžiančio išmatuoti tiriamos šviesos bangos ilgį.

Tyrėjai pradėjo antrąją dalį, ne mažiau sudėtingą ir kruopščią. Tačiau ji taip pat patenkino jų lūkesčius. Rezultatai dar kartą patvirtino pirmosios darbo dalies išvadas. Tačiau bangos ilgis pasirodė netikėtai ilgas. Daug daugiau nei tikėtasi. Tai tyrėjų netrikdė.

Kaip mes čia neprisiminsime Kolumbo? Jis siekė surasti jūros maršrutasį Indiją ir, pamatęs kraštą, neabejojo, kad savo tikslą pasiekė. Ar jis turėjo pagrindo abejoti savo pasitikėjimu, matydamas raudonodžius gyventojus ir nepažįstamą Naujojo pasaulio prigimtį?

Ar ne tiesa, kad Ramanas ir Krišnanas, siekdami atrasti Komptono efektą matomoje šviesoje, manė, kad jį rado ištyrę šviesą, sklindančią per jų skysčius ir dujas? Ar jie abejojo, kai matavimai parodė netikėtai didesnį išsklaidytų spindulių bangos ilgio pokytį? Kokią išvadą jie padarė iš savo atradimo?

Indijos mokslininkų teigimu, jie rado tai, ko ieškojo. 1928 m. kovo 23 d. į Londoną atskrido telegrama su straipsniu „Optinė Komptono efekto analogija“. Mokslininkai rašė: „Taigi, optinė Komptono efekto analogija yra akivaizdi, išskyrus tai, kad mes susiduriame su daug didesniu bangos ilgio pokyčiu...“ Pastaba: „daug didesnis...“

Atomų šokis

Ramano ir Krišnano darbai buvo sutikti mokslininkų plojimais. Visi pagrįstai žavėjosi jų eksperimentiniu menu. Už šį atradimą Ramanas 1930 metais buvo apdovanotas Nobelio premija.

Prie indų mokslininkų laiško buvo pridėta spektro nuotrauka, kurioje savo vietą užėmė linijos, vaizduojančios krintančios šviesos dažnį ir šviesą, išsklaidytą ant medžiagos molekulių. Ši nuotrauka, pasak Ramano ir Krišnano, aiškiau nei bet kada iliustravo jų atradimą.

Kai Mandelstamas ir Landsbergis pažvelgė į šią nuotrauką, jie pamatė beveik tikslią gautos nuotraukos kopiją! Tačiau susipažinę su jos paaiškinimu, jie iškart suprato, kad Ramanas ir Krišnanas klydo.

Ne, Indijos mokslininkai atrado ne Komptono efektą, o visiškai kitokį reiškinį, tą patį, kurį daugelį metų tyrinėjo sovietų mokslininkai...

Kol Indijos mokslininkų atradimo sukeltas jaudulys augo, Mandelstamas ir Landsbergis baigė kontrolinius eksperimentus ir apibendrino galutinius lemiamus rezultatus.

Ir todėl 1928 m. gegužės 6 d. jie išsiuntė straipsnį spausdinti. Prie straipsnio buvo pridėta spektro nuotrauka.

Trumpai apibūdinę problemos istoriją, mokslininkai išsamiai išaiškino atrastą reiškinį.

Taigi, koks buvo šis reiškinys, dėl kurio daugelis mokslininkų kentėjo ir sukaustė smegenis?

Gili Mandelstamo intuicija ir aiškus analitinis protas mokslininkui iškart pasakė, kad aptiktų išsklaidytos šviesos dažnio pokyčių negali sukelti tos tarpmolekulinės jėgos, kurios išlygina atsitiktinius oro tankio pasikartojimus. Mokslininkui tapo aišku, kad priežastis neabejotinai slypi pačiose medžiagos molekulėse, kad reiškinį sukelia molekulę sudarančių atomų intramolekulinės vibracijos.

Tokių svyravimų pasitaiko kur kas daugiau aukštas dažnis, nei tie, kurie lydi atsitiktinių nehomogeniškumo formavimąsi ir rezorbciją aplinkoje. Būtent šie molekulių atomų virpesiai veikia išsklaidytą šviesą. Atomai, atrodo, jį pažymi, palieka savo pėdsakus ir užšifruoja papildomais dažniais.

Tai buvo gražus spėjimas, drąsi žmogaus minties invazija už mažos gamtos tvirtovės – molekulės – kordono. Ir ši žvalgyba atnešė vertingos informacijos apie jo vidinę struktūrą.

Ranka rankon

Taigi, bandant aptikti nedidelį tarpmolekulinių jėgų sukeltą išsklaidytos šviesos dažnio pokytį, buvo aptiktas didesnis dažnio pokytis, kurį sukelia intramolekulinės jėgos.

Taigi, norint paaiškinti naująjį reiškinį, kuris buvo vadinamas „Ramano šviesos sklaida“, Mandelstamo sukurtą molekulinės sklaidos teoriją pakako papildyti duomenimis apie atomų virpesių įtaką molekulėse. Naujas reiškinys buvo atrastas plėtojant Mandelštamo idėją, kurią jis suformulavo dar 1918 m.

Taip, ne be reikalo, kaip sakė akademikas S. I.. Vavilovas: „Gamta apdovanojo Leonidui Isaakovičiui visiškai neįprastą vizionierių subtilus protas, kuris iš karto pastebėjo ir suprato pagrindinį dalyką, kurį dauguma praėjo abejingai. Taip buvo suprasta šviesos sklaidos svyravimo esmė ir taip atsirado mintis apie spektro pasikeitimą šviesos sklaidos metu, kuri tapo Ramano sklaidos atradimo pagrindu.

Vėliau iš šio atradimo buvo gauta didžiulė nauda ir jis buvo vertingas praktinis pritaikymas.

Atradimo momentu tai atrodė tik vertingiausias indėlis į mokslą.

O kaip Ramanas ir Krišnanas? Kaip jie reagavo į sovietų mokslininkų atradimą, taip pat į savo pačių? Ar jie suprato, ką atrado?

Atsakymas į šiuos klausimus pateikiamas kitame Ramano ir Krišnano laiške, kurį jie išsiuntė spaudai praėjus 9 dienoms po sovietų mokslininkų straipsnio paskelbimo. Taip, jie suprato, kad jų pastebėtas reiškinys nebuvo Komptono efektas. Tai Ramano šviesos sklaida.

Paskelbus Ramano ir Krišnano laiškus bei Mandelštamo ir Landsbergio straipsnius, viso pasaulio mokslininkams tapo aišku, kad tas pats reiškinys savarankiškai ir beveik vienu metu buvo kuriamas ir tiriamas Maskvoje ir Kalkutoje. Tačiau Maskvos fizikai jį tyrinėjo kvarco kristaluose, o Indijos fizikai – skysčiuose ir dujose.

Ir šis paralelizmas, žinoma, nebuvo atsitiktinis. Ji pasakoja apie problemos aktualumą ir didelę jos mokslinę svarbą. Nenuostabu, kad rezultatus, artimus Mandelstamo ir Ramano išvadoms 1928 m. balandžio pabaigoje, nepriklausomai gavo ir prancūzų mokslininkai Rocardas ir Kabanas. Po kurio laiko mokslininkai prisiminė, kad dar 1923 metais čekų fizikas Smekalas teoriškai numatė tą patį reiškinį. Po Smekalo darbų pasirodė Kramerso, Heisenbergo ir Schrödingerio teoriniai tyrimai.

Matyt, tik mokslinės informacijos stoka gali paaiškinti faktą, kad daugelio šalių mokslininkai dirbo spręsdami tą pačią problemą to net nežinodami.

Po trisdešimt septynerių metų

Ramano tyrimai ne tik atrado naujas skyriusšviesos moksle. Tuo pačiu metu jie suteikė galingų ginklų technologijoms. Pramonė turi puikų būdą ištirti medžiagos savybes.

Juk Ramano šviesos sklaidos dažniai yra atspaudai, kuriuos ant šviesos uždeda terpės, kuri išsklaido šviesą, molekulės. Ir į skirtingos medžiagosšie atspaudai nėra vienodi. Būtent tai suteikė akademikui Mandelstamui teisę Ramano šviesos sklaidą vadinti „molekulių kalba“. Tiems, kurie gali perskaityti molekulių pėdsakus ant šviesos spindulių ir nustatyti išsklaidytos šviesos sudėtį, molekulės šia kalba papasakos apie savo sandaros paslaptis.

Ramano spektro nuotraukos negatyve nėra nieko kito, išskyrus įvairaus juodumo linijas. Tačiau pagal šią nuotrauką specialistas apskaičiuos intramolekulinių virpesių dažnius, kurie atsirado išsklaidytoje šviesoje po to, kai ji praėjo per medžiagą. Nuotrauka papasakos apie daugybę iki šiol nežinomų aspektų vidinis gyvenimas molekulės: apie jų struktūrą, apie jėgas, kurios jungia atomus į molekules, apie santykiniai judesiai atomai. Mokydami iššifruoti Ramano spektrogramas, fizikai išmoko suprasti savotišką „šviesos kalbą“, kuria molekulės pasakoja apie save. Taigi naujas atradimas leido mums įsiskverbti giliau vidinė struktūra molekulių.

Šiandien fizikai Ramano sklaidą naudoja tirdami skysčių, kristalų ir stiklinių medžiagų struktūrą. Chemikai šiuo metodu nustato įvairių junginių struktūrą.

Medžiagos tyrimo metodus, naudojant Ramano šviesos sklaidos fenomeną, sukūrė P.N. fizinio instituto laboratorijos darbuotojai. Lebedevo SSRS mokslų akademija, kuriai vadovavo akademikas Landsbergis.

Šie metodai leidžia greitai ir tiksliai pagaminti kiekybinius ir kokybines analizes aviaciniai benzinai, krekingo produktai, naftos produktai ir daugelis kitų sudėtingų organinių skysčių. Norėdami tai padaryti, pakanka apšviesti tiriamą medžiagą ir spektrografu nustatyti jos išsklaidytos šviesos sudėtį. Atrodo labai paprasta. Tačiau kol šis metodas pasirodė tikrai patogus ir greitas, mokslininkai turėjo daug dirbti, kad sukurtų tikslią, jautrią įrangą. Ir todėl.

Iš iš viso Iš į tiriamą medžiagą patenkančios šviesos energijos tik nereikšminga dalis – maždaug dešimt milijardų – sudaro išsklaidytos šviesos dalį. Ir Ramano sklaida retai sudaro net du ar tris procentus šios vertės. Matyt, todėl pats Ramano išsibarstymas ilgą laiką liko nepastebėtas. Nenuostabu, kad norint gauti pirmąsias Ramano nuotraukas, reikėjo ekspozicijos, trunkančios dešimtis valandų.

Mūsų šalyje sukurta moderni įranga leidžia gauti Ramano spektrą grynos medžiagos per kelias minutes, o kartais net per sekundes! Net ir analizuojant sudėtingus mišinius, kuriuose atskirų medžiagų yra keli procentai, paprastai pakanka ne ilgesnės nei valandos poveikio.

Praėjo trisdešimt septyneri metai, kai Mandelštamas ir Landsbergis, Ramanas ir Krišnanas atrado, iššifravo ir suprato fotoplokštelėse įrašytų molekulių kalbą. Nuo tada visame pasaulyje vyksta sunkus darbas kuriant molekulių kalbos „žodyną“, kurį optikai vadina Ramano dažnių katalogu. Kai toks katalogas bus sudarytas, spektrogramų dekodavimas labai palengvės, o Ramano sklaida dar labiau pasitarnaus mokslui ir pramonei.