Mengapa langit datang dalam pelbagai warna? Kenapa matahari terbenam berwarna merah? Jadi kenapa langit biru

Kegembiraan melihat dan memahami
adalah anugerah alam yang paling indah.
Albert Einstein

Misteri langit biru

Kenapa langit biru?...

Tidak ada orang yang tidak memikirkan perkara ini sekurang-kurangnya sekali dalam hidupnya. Pemikir zaman pertengahan sudah cuba menjelaskan asal usul warna langit. Sebahagian daripada mereka mencadangkan bahawa biru adalah warna sebenar udara atau salah satu gas penyusunnya. Orang lain fikir begitu warna sebenar langit hitam - cara ia kelihatan pada waktu malam. Pada siang hari, warna hitam langit digabungkan dengan warna putih sinaran matahari, dan hasilnya adalah... biru.

Sekarang, mungkin, anda tidak akan bertemu dengan orang yang, ingin mendapatkan cat biru, akan bercampur hitam dan putih. Dan ada masanya undang-undang pencampuran warna masih tidak jelas. Mereka dipasang hanya tiga ratus tahun yang lalu oleh Newton.

Newton juga tertarik dengan misteri langit biru. Dia bermula dengan menolak semua teori terdahulu.

Pertama, dia berpendapat, campuran putih dan hitam tidak pernah menghasilkan biru. Kedua, biru bukanlah warna sebenar udara sama sekali. Jika ini berlaku, maka Matahari dan Bulan pada waktu matahari terbenam tidak akan kelihatan merah, seperti yang sebenarnya, tetapi biru. Beginilah rupa puncak gunung bersalji yang jauh.

Bayangkan udara berwarna. Walaupun ia sangat lemah. Kemudian lapisan tebalnya akan bertindak seperti kaca yang dicat. Dan jika anda melihat melalui kaca yang dicat, maka semua objek akan kelihatan seperti warna yang sama dengan kaca ini. Mengapakah puncak bersalji yang jauh kelihatan kepada kita merah jambu, dan tidak biru sama sekali?

Dalam pertikaian dengan pendahulunya, kebenaran berada di pihak Newton. Dia membuktikan bahawa udara tidak berwarna.

Tetapi dia tetap tidak menyelesaikan teka-teki biru langit. Dia keliru dengan pelangi, salah satu fenomena alam yang paling indah dan puitis. Mengapa ia tiba-tiba muncul dan hilang begitu sahaja tanpa diduga? Newton tidak dapat berpuas hati dengan kepercayaan karut yang berlaku: pelangi adalah tanda dari atas, ia meramalkan cuaca yang baik. Dia berusaha mencari punca material bagi setiap fenomena. Dia juga menemui sebab pelangi.

Pelangi adalah hasil pembiasan cahaya dalam titisan hujan. Setelah memahami perkara ini, Newton dapat mengira bentuk arka pelangi dan menerangkan urutan warna pelangi. Teorinya tidak dapat menjelaskan hanya rupa pelangi berganda, tetapi ini dilakukan hanya tiga abad kemudian dengan bantuan teori yang sangat kompleks.

Kejayaan teori pelangi menghipnotis Newton. Dia tersilap memutuskan bahawa warna biru langit dan pelangi disebabkan oleh sebab yang sama. Pelangi benar-benar tercetus apabila sinaran Matahari menembusi sekumpulan titisan hujan. Tetapi kebiruan langit kelihatan bukan sahaja dalam hujan! Sebaliknya, dalam cuaca cerah, apabila tiada sedikit pun hujan, langit menjadi biru. Bagaimanakah saintis hebat itu tidak menyedarinya? Newton berpendapat bahawa gelembung-gelembung kecil air, yang menurut teorinya hanya membentuk bahagian biru pelangi, terapung di udara dalam sebarang cuaca. Tetapi ini adalah khayalan.

Penyelesaian pertama

Hampir 200 tahun berlalu, dan seorang lagi saintis Inggeris mengambil isu ini - Rayleigh, yang tidak takut bahawa tugas itu berada di luar kuasa Newton yang hebat.

Rayleigh belajar optik. Dan orang yang menumpukan hidupnya untuk mengkaji cahaya menghabiskan banyak masa dalam kegelapan. Cahaya luar mengganggu eksperimen terbaik, itulah sebabnya tingkap makmal optik hampir selalu ditutup dengan langsir hitam yang tidak boleh ditembusi.

Rayleigh tinggal selama berjam-jam di makmalnya yang suram bersendirian dengan pancaran cahaya keluar dari instrumen. Di laluan sinar mereka berpusing seperti bintik-bintik debu yang hidup. Mereka diterangi dengan terang dan oleh itu menonjol dengan latar belakang gelap. Ahli sains itu mungkin telah menghabiskan masa yang lama dengan teliti memerhatikan pergerakan lancar mereka, sama seperti seseorang melihat permainan bunga api di dalam perapian.

Bukankah bintik-bintik debu yang menari-nari dalam pancaran cahaya yang mencadangkan kepada Rayleigh idea baharu tentang asal usul warna langit?

Malah pada zaman dahulu, diketahui bahawa cahaya bergerak dalam garis lurus. Penemuan penting ini boleh dibuat oleh manusia primitif, memerhatikan bagaimana, menembusi celah-celah pondok, sinaran matahari jatuh ke dinding dan lantai.

Tetapi tidak mungkin dia terganggu dengan pemikiran mengapa dia melihat sinar cahaya apabila melihatnya dari sisi. Dan di sini ada sesuatu untuk difikirkan. Lagipun hari ni cerah cahaya datang rasuk dari retak ke lantai. Mata pemerhati terletak di sebelah dan, bagaimanapun, melihat cahaya ini.

Kami juga melihat cahaya dari lampu sorot yang ditujukan ke langit. Ini bermakna sebahagian daripada cahaya entah bagaimana terpesong jalan yang lurus dan pergi ke mata kita.

Apa yang membuatkan dia sesat? Ternyata ini adalah bintik-bintik debu yang memenuhi udara. Sinar yang dihamburkan oleh setitik habuk dan sinar masuk ke mata kita, yang apabila menghadapi halangan, mematikan jalan dan menyebar dalam garis lurus dari setitik debu yang berselerak ke mata kita.

"Adakah bintik-bintik debu ini yang mewarnai langit biru?" – Rayleigh berfikir pada suatu hari. Dia membuat pengiraan dan tekaan itu bertukar menjadi kepastian. Dia menemui penjelasan untuk warna biru langit, fajar merah dan jerebu biru! Sudah tentu, butiran debu yang kecil, yang saiznya lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, menyerakkan cahaya matahari dan semakin pendek panjang gelombangnya, semakin kuat, Rayleigh mengumumkan pada tahun 1871. Dan kerana sinar ungu dan biru dalam spektrum suria yang boleh dilihat mempunyai panjang gelombang terpendek, ia bertaburan paling kuat, memberikan langit warna biru.

Matahari dan puncak bersalji mematuhi pengiraan Rayleigh ini. Mereka juga mengesahkan teori saintis itu. Pada matahari terbit dan terbenam, apabila cahaya matahari melalui ketebalan udara yang paling besar, sinar ungu dan biru, kata teori Rayleigh, bertaburan paling kuat. Pada masa yang sama, mereka menyimpang dari jalan yang lurus dan tidak menarik perhatian pemerhati. Pemerhati melihat terutamanya sinar merah, yang bertaburan jauh lebih lemah. Itulah sebabnya matahari kelihatan merah kepada kita pada matahari terbit dan terbenam. Atas sebab yang sama, puncak gunung bersalji yang jauh kelihatan merah jambu.

Melihat ke langit yang cerah, kita melihat sinar biru-biru yang menyimpang kerana berselerak dari jalan yang lurus dan masuk ke dalam mata kita. Dan jerebu yang kadang-kadang kita lihat dekat ufuk juga kelihatan biru kepada kita.

Perkara remeh yang menjengkelkan

Cantik kan penjelasannya? Rayleigh sendiri begitu terbawa-bawa dengannya, para saintis begitu kagum dengan keharmonian teori dan kemenangan Rayleigh ke atas Newton sehinggakan tiada seorang pun daripada mereka menyedari satu perkara yang mudah. Perkara remeh ini, bagaimanapun, sepatutnya mengubah penilaian mereka sepenuhnya.

Siapa yang akan menafikan bahawa jauh dari bandar, di mana terdapat lebih sedikit habuk di udara, warna biru langit sangat jelas dan terang? Sukar untuk Rayleigh sendiri menafikan perkara ini. Oleh itu... bukan zarah debu yang menyerakkan cahaya? Kemudian apa?

Dia menyemak semula semua pengiraannya dan menjadi yakin bahawa persamaannya adalah betul, tetapi ini bermakna zarah-zarah yang berserakan sememangnya bukan butiran debu. Di samping itu, butiran debu yang terdapat di udara jauh lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya, dan pengiraan meyakinkan Rayleigh bahawa pengumpulan besar daripadanya tidak meningkatkan kebiruan langit, tetapi, sebaliknya, melemahkannya. Penyerakan cahaya oleh zarah besar dengan lemah bergantung pada panjang gelombang dan oleh itu tidak menyebabkan perubahan dalam warnanya.

Apabila cahaya bertaburan pada zarah besar, kedua-dua cahaya yang tersebar dan dihantar kekal putih, oleh itu penampilan zarah besar di udara memberikan langit warna keputihan, dan pengumpulan sejumlah besar titisan besar menyebabkan warna putih awan dan kabus. Ini mudah untuk diperiksa pada rokok biasa. Asap yang keluar daripada corong itu sentiasa kelihatan keputihan, dan asap yang naik dari hujungnya yang terbakar berwarna kebiruan.

Zarah terkecil asap yang naik dari hujung rokok yang terbakar adalah lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya dan, menurut teori Rayleigh, berselerak kebanyakannya warna ungu dan biru. Tetapi apabila melalui saluran sempit dalam ketebalan tembakau, zarah asap melekat bersama (mengumpal), bersatu menjadi ketulan yang lebih besar. Kebanyakannya menjadi lebih besar daripada panjang gelombang cahaya, dan mereka menyerakkan semua panjang gelombang cahaya lebih kurang sama. Inilah sebabnya asap yang keluar dari corong kelihatan keputihan.

Ya, tidak ada gunanya berhujah dan mempertahankan teori berdasarkan serpihan debu.

Jadi, misteri warna biru langit sekali lagi muncul di hadapan saintis. Tetapi Rayleigh tidak berputus asa. Jika warna biru langit lebih tulen dan lebih terang lagi bersih suasana, dia beralasan, maka warna langit tidak boleh disebabkan oleh apa-apa selain daripada molekul udara itu sendiri. Molekul udara, dia menulis dalam artikel barunya, adalah zarah terkecil yang menyerakkan cahaya matahari!

Kali ini Rayleigh sangat berhati-hati. Sebelum melaporkan idea barunya, dia memutuskan untuk mengujinya, untuk membandingkan teori dengan pengalaman.

Peluang itu muncul pada tahun 1906. Rayleigh dibantu oleh ahli astrofizik Amerika Abbott, yang mengkaji cahaya biru langit di Balai Cerap Mount Wilson. Memproses hasil pengukuran kecerahan langit berdasarkan teori hamburan Rayleigh, Abbott mengira bilangan molekul yang terkandung dalam setiap sentimeter padu udara. Ia ternyata jumlah yang besar! Cukuplah untuk mengatakan bahawa jika anda mengedarkan molekul ini kepada semua orang yang mendiami dunia, maka semua orang akan mendapat lebih daripada 10 bilion molekul ini. Ringkasnya, Abbott mendapati bahawa setiap sentimeter padu udara pada suhu dan tekanan atmosfera biasa mengandungi 27 bilion kali satu bilion molekul.

Bilangan molekul dalam satu sentimeter padu gas boleh ditentukan cara yang berbeza berdasarkan fenomena yang berbeza dan bebas. Mereka semua membawa kepada keputusan yang hampir sama dan memberikan nombor yang dipanggil nombor Loschmidt.

Nombor ini terkenal kepada saintis, dan lebih daripada sekali ia telah menjadi ukuran dan kawalan dalam menerangkan fenomena yang berlaku dalam gas.

Oleh itu, nombor yang diperoleh Abbott semasa mengukur cahaya langit bertepatan dengan nombor Loschmidt dengan ketepatan yang tinggi. Tetapi dalam pengiraannya dia menggunakan teori hamburan Rayleigh. Oleh itu, ini jelas membuktikan bahawa teori itu betul, penyebaran molekul cahaya benar-benar wujud.

Nampaknya teori Rayleigh telah disahkan dengan pasti oleh pengalaman; semua saintis menganggapnya sempurna.

Ia menjadi diterima umum dan dimasukkan ke dalam semua buku teks optik. Seseorang boleh bernafas lega: akhirnya penjelasan telah ditemui untuk fenomena yang begitu biasa dan pada masa yang sama misteri.

Lebih mengejutkan bahawa pada tahun 1907, pada halaman jurnal saintifik yang terkenal, persoalan sekali lagi dikemukakan: mengapa langit biru?!

Pertikaian

Siapa yang berani mempersoalkan teori Rayleigh yang diterima umum?

Anehnya, ini adalah salah satu peminat dan pengagum Rayleigh yang paling bersemangat. Mungkin tiada siapa yang menghargai dan memahami Rayleigh begitu banyak, mengetahui karyanya dengan baik, dan tidak berminat dengan karya saintifiknya seperti ahli fizik Rusia muda Leonid Mandelstam.

"Watak fikiran Leonid Isaakovich," seorang lagi saintis Soviet, Academician N.D. kemudian teringat. Papaleksi - mempunyai banyak persamaan dengan Rayleigh. Dan bukan kebetulan bahawa cara mereka kreativiti saintifik sering berjalan selari dan bersilang beberapa kali.

Mereka terlintas sendiri kali ini juga, mengenai persoalan asal usul warna langit. Sebelum ini, Mandelstam meminati bidang kejuruteraan radio. Pada awal abad kita, ini adalah bidang sains yang sama sekali baru, dan hanya sedikit orang yang memahaminya. Selepas penemuan A.S. Popov (pada tahun 1895) hanya beberapa tahun telah berlalu, dan tidak ada penghujung penghujung kerja. Dalam tempoh yang singkat, Mandelstam menjalankan banyak penyelidikan serius dalam bidang ayunan elektromagnet berhubung dengan peranti kejuruteraan radio. Pada tahun 1902 beliau mempertahankan disertasinya dan pada usia dua puluh tiga tahun menerima ijazah kedoktorannya. falsafah semula jadi Universiti Strasbourg.

Semasa menangani isu pengujaan gelombang radio, Mandelstam secara semula jadi mengkaji karya Rayleigh, yang merupakan pihak berkuasa yang diiktiraf dalam kajian itu. proses berayun. Dan doktor muda itu pasti mengenali masalah mewarnai langit.

Tetapi, setelah membiasakan diri dengan isu warna langit, Mandelstam bukan sahaja menunjukkan kekeliruan, atau, seperti yang dikatakannya sendiri, "ketidakcukupan" teori penyebaran cahaya molekul Rayleigh yang diterima umum, bukan sahaja mendedahkan rahsia itu. warna biru langit, tetapi juga meletakkan asas untuk penyelidikan yang membawa kepada salah satu penemuan fizik yang paling penting pada abad ke-20.

Semuanya bermula dengan pertikaian in absentia dengan salah seorang ahli fizik terkemuka, ayah teori kuantum, M. Planck. Apabila Mandelstam berkenalan dengan teori Rayleigh, ia memikatnya dengan sikap pendiam dan paradoks dalaman, yang, mengejutkan ahli fizik muda, Rayleigh yang tua dan berpengalaman tinggi tidak menyedarinya. Ketidakcukupan teori Rayleigh telah didedahkan dengan jelas apabila menganalisis teori lain, dibina berdasarkannya oleh Planck untuk menerangkan pengecilan cahaya apabila melalui medium lutsinar yang homogen secara optik.

Dalam teori ini, ia telah diambil sebagai asas bahawa molekul bahan yang dilalui cahaya adalah sumber gelombang sekunder. Untuk mencipta gelombang sekunder ini, Planck berpendapat, sebahagian daripada tenaga gelombang yang berlalu dibelanjakan, yang dilemahkan. Kita melihat bahawa teori ini adalah berdasarkan teori Rayleigh tentang penyerakan molekul dan bergantung kepada kuasanya.

Cara paling mudah untuk memahami intipati perkara adalah dengan melihat ombak di permukaan air. Jika gelombang menemui objek pegun atau terapung (cerucuk, kayu balak, bot, dll.), maka ombak kecil berselerak ke semua arah dari objek ini. Ini tidak lebih daripada berselerak. Sebahagian daripada tenaga gelombang kejadian dibelanjakan untuk gelombang sekunder yang menarik, yang agak serupa dengan cahaya bertaburan dalam optik. Dalam kes ini, gelombang awal menjadi lemah - ia pudar.

Objek terapung boleh menjadi lebih kecil daripada panjang gelombang yang bergerak melalui air. Bijirin kecil pun akan menyebabkan gelombang sekunder. Sudah tentu, apabila saiz zarah berkurangan, gelombang sekunder yang mereka bentuk menjadi lemah, tetapi mereka masih akan menyerap tenaga gelombang utama.

Beginilah kira-kira bagaimana Planck membayangkan proses melemahkan gelombang cahaya semasa ia melalui gas, tetapi peranan bijirin dalam teorinya dimainkan oleh molekul gas.

Mandelstam mula berminat dengan karya Planck ini.

Pemikiran Mandelstam juga boleh dijelaskan menggunakan contoh ombak di permukaan air. Anda hanya perlu melihatnya dengan lebih teliti. Jadi, walaupun butiran kecil yang terapung di permukaan air adalah sumber gelombang sekunder. Tetapi apakah yang akan berlaku jika bijirin ini dituangkan dengan sangat tebal sehingga menutupi seluruh permukaan air? Kemudian ia akan ternyata bahawa gelombang sekunder individu yang disebabkan oleh banyak bijirin akan menambah sedemikian rupa sehingga ia akan memadamkan sepenuhnya bahagian-bahagian gelombang yang berjalan ke sisi dan ke belakang, dan hamburan akan berhenti. Yang tinggal hanyalah ombak yang berlari ke hadapan. Dia akan berlari ke hadapan tanpa melemah sama sekali. Satu-satunya hasil daripada kehadiran keseluruhan jisim bijirin akan menjadi sedikit penurunan dalam kelajuan perambatan gelombang primer. Adalah amat penting bahawa semua ini tidak bergantung pada sama ada butiran tidak bergerak atau sama ada ia bergerak di sepanjang permukaan air. Agregat bijirin hanya akan bertindak sebagai beban di permukaan air, mengubah ketumpatan lapisan atasnya.

Mandelstam membuat pengiraan matematik untuk kes apabila bilangan molekul di udara adalah sangat besar sehinggakan kawasan yang kecil seperti panjang gelombang cahaya mengandungi bilangan molekul yang sangat besar. Ternyata menengah itu gelombang cahaya, teruja oleh molekul individu yang bergerak secara huru-hara, menambah dengan cara yang sama seperti gelombang dalam contoh dengan bijirin. Ini bermakna dalam kes ini gelombang cahaya merambat tanpa serakan dan pengecilan, tetapi pada kelajuan yang lebih rendah sedikit. Ini menyangkal teori Rayleigh, yang percaya bahawa pergerakan zarah hamburan dalam semua kes memastikan penyebaran gelombang, dan oleh itu menyangkal teori Planck berdasarkannya.

Oleh itu, pasir ditemui di bawah asas teori serakan. Seluruh bangunan megah itu mula bergegar dan mengancam untuk runtuh.

Kebetulan

Tetapi bagaimana pula dengan menentukan nombor Loschmidt daripada pengukuran cahaya biru langit? Lagipun, pengalaman mengesahkan teori penyebaran Rayleigh!

"Kebetulan ini harus dianggap tidak sengaja," tulis Mandelstam pada tahun 1907 dalam karyanya "On Optical Homogeneous and Turbid Media."

Mandelstam menunjukkan bahawa pergerakan rawak molekul tidak boleh menjadikan gas homogen. Sebaliknya, dalam gas sebenar Selalunya terdapat jarang dan pemadatan kecil yang terbentuk akibat pergerakan terma yang huru-hara. Merekalah yang membawa kepada penyebaran cahaya, kerana ia mengganggu kehomogenan optik udara. Dalam karya yang sama, Mandelstam menulis:

"Jika medium optik tidak homogen, maka, secara amnya, cahaya kejadian juga akan bertaburan ke tepi."

Tetapi oleh kerana saiz ketidakhomogenan yang timbul akibat gerakan huru-hara adalah lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, gelombang yang sepadan dengan bahagian ungu dan biru spektrum akan tersebar secara dominan. Dan ini membawa, khususnya, kepada warna biru langit.

Oleh itu teka-teki langit biru akhirnya diselesaikan. Bahagian teori telah dibangunkan oleh Rayleigh. Sifat fizikal penyebar telah ditubuhkan oleh Mandelstam.

Merit besar Mandelstam terletak pada fakta bahawa dia membuktikan bahawa andaian kehomogenan sempurna gas tidak serasi dengan fakta penyebaran cahaya di dalamnya. Dia menyedari bahawa warna biru langit membuktikan bahawa kehomogenan gas hanya kelihatan. Lebih tepat lagi, gas kelihatan homogen hanya apabila diperiksa dengan instrumen mentah, seperti barometer, skala atau instrumen lain yang dipengaruhi oleh berbilion-bilion molekul sekaligus. Tetapi pancaran cahaya merasakan kuantiti molekul yang jauh lebih kecil, diukur hanya dalam puluhan ribu. Dan ini sudah cukup untuk membuktikan tanpa keraguan bahawa ketumpatan gas secara berterusan tertakluk kepada perubahan tempatan yang kecil. Oleh itu, medium yang homogen dari sudut pandangan "kasar" kita sebenarnya adalah heterogen. Dari "sudut pandangan cahaya" ia kelihatan mendung dan oleh itu menyerakkan cahaya.

Perubahan setempat secara rawak dalam sifat bahan, hasil daripada pergerakan terma molekul, kini dipanggil turun naik. Setelah menjelaskan asal-usul turun naik penyebaran cahaya molekul, Mandelstam membuka jalan untuk kaedah baru untuk mengkaji bahan - kaedah turun naik, atau statistik, yang kemudiannya dibangunkan oleh Smoluchowski, Lorentz, Einstein dan dirinya menjadi jabatan fizik yang besar - fizik statistik.

Langit mesti berkelip!

Maka, terbongkarlah misteri warna biru langit. Tetapi kajian tentang penyebaran cahaya tidak berhenti di situ. Menarik perhatian kepada perubahan yang hampir tidak dapat dilihat dalam ketumpatan udara dan menerangkan warna langit dengan penyebaran cahaya yang turun naik, Mandelstam, dengan rasa saintisnya yang tajam, menemui ciri baharu yang lebih halus dalam proses ini.

Lagipun, ketidakhomogenan udara disebabkan oleh turun naik rawak dalam ketumpatannya. Magnitud ketidakhomogenan rawak ini dan ketumpatan rumpun berubah mengikut masa. Oleh itu, saintis itu beralasan, keamatan-kekuatan cahaya yang tersebar-juga harus berubah dari semasa ke semasa! Lagipun, lebih padat rumpun molekul, lebih sengit cahaya yang bertaburan pada mereka. Dan oleh kerana rumpun ini muncul dan hilang secara huru-hara, langit, secara ringkasnya, akan berkelip! Kekuatan cahaya dan warnanya harus berubah sepanjang masa (tetapi sangat lemah)! Tetapi adakah sesiapa pernah perasan kelipan sedemikian? Sudah tentu tidak.

Kesan ini sangat halus sehingga anda tidak dapat melihatnya dengan mata kasar.

Tiada seorang pun daripada saintis telah memerhatikan perubahan seperti itu dalam cahaya langit sama ada. Mandelstam sendiri tidak mempunyai peluang untuk mengesahkan kesimpulan teorinya. Penganjuran eksperimen yang kompleks dihalang pertama kali oleh keadaan Tsar Rusia yang tidak seberapa, dan kemudian oleh kesukaran tahun-tahun pertama revolusi, campur tangan asing dan perang saudara.

Pada tahun 1925, Mandelstam menjadi ketua jabatan di Universiti Moscow. Di sini dia bertemu dengan saintis yang cemerlang dan penguji mahir Grigory Samuilovich Landsberg. Dan sebagainya, dihubungkan oleh persahabatan yang mendalam dan biasa kepentingan saintifik, bersama-sama mereka meneruskan serangan mereka terhadap rahsia yang tersembunyi dalam sinaran cahaya yang samar-samar.

Makmal optik universiti pada tahun-tahun itu masih sangat lemah dalam instrumen. Tidak ada satu pun instrumen di universiti yang mampu mengesan kerlipan langit atau perbezaan kecil dalam frekuensi kejadian dan cahaya berselerak yang diramalkan oleh teori adalah hasil daripada kerlipan ini.

Walau bagaimanapun, ini tidak menghalang penyelidik. Mereka meninggalkan idea untuk mensimulasikan langit dalam persekitaran makmal. Ini hanya akan merumitkan pengalaman yang sudah halus. Mereka memutuskan untuk mengkaji bukan penyebaran cahaya putih - kompleks, tetapi penyebaran sinar satu, frekuensi yang ditentukan dengan ketat. Jika mereka mengetahui dengan tepat kekerapan cahaya kejadian, lebih mudah untuk mencari frekuensi yang hampir dengannya yang sepatutnya timbul semasa penyebaran. Di samping itu, teori mencadangkan bahawa pemerhatian lebih mudah dilakukan pepejal, kerana di dalamnya molekul terletak lebih dekat daripada gas, dan lebih padat bahan, lebih besar hamburan.

Pencarian yang teliti bermula untuk bahan yang paling sesuai. Akhirnya pilihan jatuh pada kristal kuarza. Semata-mata kerana kristal kuarza jernih yang besar lebih berpatutan daripada yang lain.

Eksperimen persediaan berlangsung selama dua tahun, sampel kristal yang paling tulen telah dipilih, teknik itu telah dipertingkatkan, dan tanda-tanda telah ditubuhkan yang mana tidak dapat dinafikan untuk membezakan serakan pada molekul kuarza daripada serakan pada kemasukan rawak, ketidakhomogenan kristal dan kekotoran.

Cerdik dan kerja

Kekurangan peralatan yang berkuasa untuk analisis spektrum, saintis memilih penyelesaian yang bijak yang sepatutnya memungkinkan untuk menggunakan instrumen sedia ada.

Kesukaran utama dalam kerja ini ialah cahaya lemah yang disebabkan oleh penyerakan molekul telah ditindih oleh cahaya yang lebih kuat yang diserakkan oleh kekotoran kecil dan kecacatan lain dalam sampel kristal yang diperolehi untuk eksperimen. Para penyelidik memutuskan untuk mengambil kesempatan daripada fakta bahawa cahaya bertaburan yang terbentuk oleh kecacatan kristal dan pantulan daripada pelbagai bahagian tetapan betul-betul sepadan dengan kekerapan cahaya kejadian. Mereka hanya berminat dengan cahaya dengan frekuensi yang berubah mengikut teori Mandelstam.Oleh itu, tugasnya adalah untuk menyerlahkan cahaya frekuensi yang berubah yang disebabkan oleh penyerakan molekul terhadap latar belakang cahaya yang lebih terang ini.

Untuk memastikan bahawa cahaya yang bertaburan mempunyai magnitud yang boleh dikesan, saintis memutuskan untuk menerangi kuarza dengan alat pencahayaan paling berkuasa yang tersedia untuk mereka: lampu merkuri.

Jadi cahaya yang bertaburan dalam kristal mesti terdiri daripada dua bahagian: cahaya lemah frekuensi yang diubah, disebabkan oleh penyerakan molekul (kajian bahagian ini adalah matlamat saintis), dan cahaya yang lebih kuat daripada frekuensi yang tidak berubah, disebabkan oleh sebab luar (ini sebahagiannya berbahaya, ia menyukarkan penyelidikan).

Idea kaedah itu menarik kerana kesederhanaannya: adalah perlu untuk menyerap cahaya dengan frekuensi malar dan hanya meneruskan cahaya dari frekuensi yang diubah ke dalam radas spektrum. Tetapi perbezaan kekerapan hanya beberapa perseribu peratus. Tiada makmal di dunia mempunyai penapis yang mampu mengasingkan frekuensi dekat tersebut. Walau bagaimanapun, penyelesaian telah ditemui.

Cahaya bertaburan disalurkan melalui bekas yang mengandungi wap merkuri. Akibatnya, semua cahaya "berbahaya" "terperangkap" di dalam kapal, dan cahaya "berguna" melewati tanpa pengecilan yang ketara. Penguji mengambil kesempatan daripada satu keadaan yang telah diketahui. Atom jirim, seperti yang didakwa fizik kuantum, hanya mampu memancarkan gelombang cahaya sepenuhnya frekuensi tertentu. Pada masa yang sama, atom ini juga mampu menyerap cahaya. Lebih-lebih lagi, hanya gelombang cahaya frekuensi tersebut yang dia sendiri boleh pancarkan.

Dalam lampu merkuri, cahaya dipancarkan oleh wap merkuri, yang bersinar di bawah pengaruh nyahcas elektrik yang berlaku di dalam lampu. Jika cahaya ini disalurkan melalui bekas yang juga mengandungi wap merkuri, ia akan hampir diserap sepenuhnya. Apa yang diramalkan oleh teori akan berlaku: atom merkuri di dalam kapal akan menyerap cahaya yang dipancarkan oleh atom merkuri dalam lampu.

Cahaya dari sumber lain, seperti lampu neon, akan melalui wap merkuri tanpa cedera. Atom merkuri tidak akan memberi perhatian kepadanya. Bahagian cahaya dari lampu merkuri yang bertaburan dalam kuarza dengan perubahan panjang gelombang tidak akan diserap sama ada.

Keadaan mudah inilah yang dimanfaatkan oleh Mandelstam dan Landsberg.

Penemuan yang menakjubkan

Pada tahun 1927, eksperimen yang menentukan bermula. Para saintis menerangi kristal kuarza dengan cahaya lampu merkuri dan memproses hasilnya. Dan... mereka terkejut.

Keputusan eksperimen adalah tidak dijangka dan luar biasa. Apa yang ditemui oleh saintis tidak sama sekali seperti yang mereka harapkan, bukan apa yang diramalkan oleh teori. Mereka menemui fenomena yang sama sekali baru. Tetapi yang mana satu? Dan bukankah ini satu kesilapan? Cahaya yang tersebar tidak mendedahkan frekuensi yang dijangkakan, tetapi frekuensi yang lebih tinggi dan lebih rendah. Gabungan keseluruhan frekuensi muncul dalam spektrum cahaya bertaburan yang tidak terdapat dalam kejadian cahaya pada kuarza. Ia adalah mustahil untuk menerangkan penampilan mereka dengan ketidakhomogenan optik dalam kuarza.

Pemeriksaan menyeluruh bermula. Eksperimen telah dijalankan dengan sempurna. Mereka diilhamkan begitu cerdik, sempurna dan berdaya cipta sehingga seseorang tidak dapat mengelak daripada mengagumi mereka.

"Leonid Isaakovich kadang-kadang menyelesaikan masalah teknikal yang sangat sukar dengan begitu indah dan kadang-kadang dengan cemerlang sehingga setiap daripada kita secara tidak sengaja bertanya soalan: "Mengapa ini tidak berlaku kepada saya sebelum ini?" – kata salah seorang pekerja.

Pelbagai eksperimen kawalan berterusan mengesahkan bahawa tiada ralat. Dalam gambar-gambar spektrum cahaya yang bertaburan, garisan yang lemah dan agak jelas kelihatan berterusan, menunjukkan kehadiran frekuensi "tambahan" dalam cahaya yang tersebar.

Selama beberapa bulan, saintis telah mencari penjelasan untuk fenomena ini. Di manakah frekuensi "alien" muncul dalam cahaya yang bertaburan?!

Dan hari itu tiba apabila Mandelstam dikejutkan dengan tekaan yang menakjubkan. Ia adalah penemuan yang menakjubkan, penemuan yang sama yang kini dianggap sebagai salah satu penemuan paling penting pada abad ke-20.

Tetapi kedua-dua Mandelstam dan Landsberg membuat keputusan sebulat suara bahawa penemuan ini boleh diterbitkan hanya selepas pemeriksaan yang kukuh, selepas penembusan menyeluruh ke dalam kedalaman fenomena itu. Percubaan akhir telah bermula.

Dengan bantuan matahari

Pada 16 Februari, saintis India C.N. Raman dan K.S. Krishnan menghantar telegram dari Calcutta ke majalah ini dengan penerangan ringkas tentang penemuan mereka.

Pada tahun-tahun itu, surat dari seluruh dunia berbondong-bondong ke majalah Nature tentang pelbagai penemuan. Tetapi tidak setiap mesej ditakdirkan untuk menimbulkan keseronokan di kalangan saintis. Apabila isu surat daripada saintis India keluar, ahli fizik sangat teruja. Tajuk nota sahaja ialah “ Jenis baru sinaran sekunder” – menimbulkan minat. Lagipun, optik adalah salah satu sains tertua; selalunya mustahil untuk menemui sesuatu yang tidak diketahui di dalamnya pada abad ke-20.

Orang boleh bayangkan dengan minat ahli fizik di seluruh dunia menantikan surat baharu dari Calcutta.

Minat mereka sebahagian besarnya didorong oleh keperibadian salah seorang pengarang penemuan itu, Raman. Ini adalah seorang lelaki yang mempunyai nasib yang ingin tahu dan biografi yang luar biasa, sangat mirip dengan Einstein. Einstein pada masa mudanya adalah seorang guru gimnasium yang sederhana, dan kemudian seorang pekerja pejabat paten. Dalam tempoh inilah dia menyelesaikan karya yang paling penting. Raman, seorang ahli fizik yang cemerlang, juga selepas menamatkan pengajian di universiti, terpaksa berkhidmat di bahagian kewangan selama sepuluh tahun dan hanya selepas itu dijemput ke jabatan Universiti Calcutta. Raman tidak lama kemudian menjadi ketua yang diiktiraf sekolah fizik India.

Tidak lama sebelum peristiwa yang diterangkan, Raman dan Krishnan mula berminat dengan tugas yang ingin tahu. Pada masa itu, keghairahan yang disebabkan pada tahun 1923 oleh penemuan ahli fizik Amerika Compton, yang, semasa mengkaji laluan sinar-X melalui jirim, mendapati bahawa sebahagian daripada sinar ini, berselerak ke sisi dari arah asal, meningkatkan panjang gelombangnya. , masih belum reda. Diterjemahkan ke dalam bahasa optik, kita boleh mengatakan bahawa sinar-X, berlanggar dengan molekul bahan, mengubah "warna" mereka.

Fenomena ini mudah dijelaskan oleh undang-undang fizik kuantum. Oleh itu, penemuan Compton adalah salah satu bukti yang menentukan ketepatan teori kuantum muda.

Kami memutuskan untuk mencuba sesuatu yang serupa, tetapi dalam optik. ditemui oleh saintis India. Mereka ingin menghantar cahaya melalui bahan dan melihat bagaimana sinarnya akan tersebar pada molekul bahan dan sama ada panjang gelombangnya akan berubah.

Seperti yang anda lihat, secara rela atau tidak, saintis India telah menetapkan tugas yang sama seperti saintis Soviet. Tetapi matlamat mereka berbeza. Di Calcutta, mereka sedang mencari analogi optik kesan Compton. Di Moscow - pengesahan eksperimen ramalan Mandelstam tentang perubahan frekuensi apabila cahaya diserakkan oleh ketidakhomogenan turun naik.

Raman dan Krishnan mereka bentuk eksperimen yang kompleks kerana kesan yang dijangkakan adalah sangat kecil. Percubaan memerlukan sumber cahaya yang sangat terang. Dan kemudian mereka memutuskan untuk menggunakan matahari, mengumpul sinarnya menggunakan teleskop.

Diameter kantanya ialah lapan belas sentimeter. Para penyelidik mengarahkan cahaya yang dikumpul melalui prisma ke kapal yang mengandungi cecair dan gas yang dibersihkan dengan teliti daripada habuk dan bahan cemar lain.

Tetapi untuk mengesan lanjutan panjang gelombang kecil yang dijangkakan cahaya bertaburan menggunakan putih cahaya matahari, yang mengandungi hampir semua kemungkinan panjang gelombang, tidak ada harapan. Oleh itu, saintis memutuskan untuk menggunakan penapis cahaya. Mereka meletakkan penapis biru-ungu di hadapan kanta dan memerhatikan cahaya yang tersebar melalui penapis kuning-hijau. Mereka betul-betul memutuskan bahawa penapis pertama akan tersangkut pada penapis kedua. Lagipun, penapis kuning-hijau menyerap sinar biru-ungu yang dihantar oleh penapis pertama. Dan kedua-duanya, diletakkan satu di belakang yang lain, harus menyerap semua cahaya kejadian. Jika beberapa sinar jatuh ke dalam mata pemerhati, maka mungkin untuk mengatakan dengan yakin bahawa mereka tidak berada dalam cahaya kejadian, tetapi dilahirkan dalam bahan yang dikaji.

Columbus

Sesungguhnya, dalam cahaya yang bertaburan, Raman dan Krishnan mengesan sinar yang melalui penapis kedua. Mereka merekodkan frekuensi tambahan. Ini pada dasarnya boleh jadi kesan optik Compton. Iaitu, apabila bertaburan pada molekul bahan yang terletak di dalam kapal, cahaya biru-ungu boleh berubah warna dan menjadi kuning-hijau. Tetapi ini masih perlu dibuktikan. Mungkin ada sebab lain yang menyebabkan lampu kuning-hijau muncul. Sebagai contoh, ia boleh muncul sebagai hasil daripada luminescence - cahaya samar yang sering muncul dalam cecair dan pepejal di bawah pengaruh cahaya, haba dan sebab lain. Jelas sekali, ada satu perkara - cahaya ini dilahirkan semula, ia tidak terkandung dalam cahaya yang jatuh.

Para saintis mengulangi eksperimen mereka dengan enam cecair berbeza dan dua jenis wap. Mereka yakin bahawa luminescence atau sebab lain tidak memainkan peranan di sini.

Hakikat bahawa panjang gelombang cahaya yang kelihatan bertambah apabila ia tersebar dalam jirim seolah-olah terbukti kepada Raman dan Krishnan. Nampaknya pencarian mereka telah dinobatkan dengan kejayaan. Mereka menemui analog optik kesan Compton.

Tetapi agar eksperimen mempunyai bentuk siap dan kesimpulan yang cukup meyakinkan, adalah perlu untuk melakukan satu lagi bahagian kerja. Ia tidak mencukupi untuk mengesan perubahan dalam panjang gelombang. Ia adalah perlu untuk mengukur magnitud perubahan ini. Langkah pertama dibantu oleh penapis cahaya. Dia tidak berdaya untuk melakukan yang kedua. Di sini saintis memerlukan spektroskop - peranti yang membolehkan mereka mengukur panjang gelombang cahaya yang sedang dikaji.

Dan para penyelidik memulakan bahagian kedua, tidak kurang kompleks dan teliti. Tetapi dia juga memenuhi jangkaan mereka. Keputusan sekali lagi mengesahkan kesimpulan bahagian pertama kerja. Walau bagaimanapun, panjang gelombang ternyata besar tanpa diduga. Lebih daripada yang dijangkakan. Ini tidak mengganggu penyelidik.

Bagaimana seseorang tidak boleh mengingati Columbus di sini? Dia berusaha mencari laluan laut ke India dan, setelah melihat tanah itu, tidak ragu-ragu bahawa dia telah mencapai matlamatnya. Adakah dia mempunyai sebab untuk meragui keyakinannya apabila melihat penduduk merah dan sifat Dunia Baru yang tidak dikenali?

Bukankah benar bahawa Raman dan Krishnan, dalam usaha mereka untuk menemui kesan Compton dalam cahaya yang boleh dilihat, menyangka mereka telah menemuinya dengan memeriksa cahaya yang melalui cecair dan gas mereka?! Adakah mereka ragu-ragu apabila pengukuran menunjukkan perubahan yang tidak dijangka yang lebih besar dalam panjang gelombang sinaran yang tersebar? Apakah kesimpulan yang mereka buat daripada penemuan mereka?

Menurut saintis India, mereka menemui apa yang mereka cari. Pada 23 Mac 1928, telegram dengan artikel bertajuk "Analogi optik kesan Compton" terbang ke London. Para saintis menulis: "Oleh itu, analogi optik kesan Compton adalah jelas, kecuali kita berhadapan dengan perubahan dalam panjang gelombang yang lebih besar..." Nota: "jauh lebih besar..."

Tarian atom

Karya Raman dan Krishnan disambut dengan tepukan di kalangan saintis. Semua orang betul-betul mengagumi seni eksperimen mereka. Untuk penemuan ini, Raman telah dianugerahkan Hadiah Nobel pada tahun 1930.

Dilampirkan pada surat daripada saintis India adalah gambar spektrum, di mana garis yang menggambarkan kekerapan cahaya kejadian dan cahaya yang bertaburan pada molekul bahan mengambil tempat mereka. Gambar ini, menurut Raman dan Krishnan, menggambarkan penemuan mereka dengan lebih jelas berbanding sebelum ini.

Apabila Mandelstam dan Landsberg melihat gambar ini, mereka melihat salinan gambar yang hampir tepat yang mereka terima! Tetapi, setelah mengetahui penjelasannya, mereka segera menyedari bahawa Raman dan Krishnan tersilap.

Tidak, saintis India tidak menemui kesan Compton, tetapi fenomena yang sama sekali berbeza, yang sama yang telah dikaji oleh saintis Soviet selama bertahun-tahun...

Sementara keseronokan yang disebabkan oleh penemuan saintis India semakin berkembang, Mandelstam dan Landsberg sedang menyelesaikan eksperimen kawalan dan merumuskan keputusan muktamad yang menentukan.

Dan seterusnya pada 6 Mei 1928, mereka menghantar artikel untuk dicetak. Gambar spektrum telah dilampirkan pada artikel itu.

Setelah menggariskan secara ringkas sejarah isu tersebut, para penyelidik memberikan tafsiran terperinci tentang fenomena yang mereka temui.

Jadi apakah fenomena ini yang menyebabkan ramai saintis menderita dan memerah otak mereka?

Intuisi Mandelstam yang mendalam dan minda analitikal yang jelas serta-merta memberitahu saintis bahawa perubahan yang dikesan dalam kekerapan cahaya yang tersebar tidak boleh disebabkan oleh daya antara molekul yang menyamakan ulangan rawak ketumpatan udara. Ia menjadi jelas kepada saintis bahawa sebabnya sudah pasti terletak di dalam molekul bahan itu sendiri, bahawa fenomena itu disebabkan oleh getaran intramolekul atom yang membentuk molekul.

Turun naik sedemikian berlaku dengan lebih banyak lagi berfrekuensi tinggi, daripada yang mengiringi pembentukan dan penyerapan ketidakhomogenan rawak dalam persekitaran. Getaran atom dalam molekul inilah yang mempengaruhi cahaya yang tersebar. Atom nampaknya menandakannya, meninggalkan jejak mereka di atasnya, dan menyulitkannya dengan frekuensi tambahan.

Ia adalah satu tekaan yang indah, pencerobohan berani terhadap pemikiran manusia di luar batas kubu kecil alam - molekul. Dan peninjauan ini membawa maklumat berharga tentang struktur dalamannya.

Berpegangan tangan

Oleh itu, semasa cuba mengesan perubahan kecil dalam kekerapan cahaya bertaburan yang disebabkan oleh daya antara molekul, perubahan frekuensi yang lebih besar ditemui disebabkan oleh daya intramolekul.

Oleh itu, untuk menerangkan fenomena baru, yang dipanggil "Raman hamburan cahaya," ia sudah cukup untuk menambah teori penyerakan molekul yang dicipta oleh Mandelstam dengan data mengenai pengaruh getaran atom di dalam molekul. Fenomena baru itu ditemui hasil daripada perkembangan idea Mandelstam, yang dirumuskan olehnya pada tahun 1918.

Ya, bukan tanpa sebab, seperti yang dikatakan oleh Academician S.I. Vavilov, "Alam memberi Leonid Isaakovich dengan fikiran yang luar biasa, berwawasan, halus, yang segera menyedari dan memahami perkara utama yang dilalui oleh majoriti secara acuh tak acuh. Ini adalah bagaimana intipati turun naik penyebaran cahaya difahami, dan ini adalah bagaimana idea perubahan dalam spektrum semasa penyerakan cahaya muncul, yang menjadi asas kepada penemuan hamburan Raman."

Selepas itu, manfaat besar diperoleh daripada penemuan ini dan ia menerima aplikasi praktikal yang berharga.

Pada saat penemuannya, ia kelihatan hanya sumbangan yang paling berharga kepada sains.

Bagaimana pula dengan Raman dan Krishnan? Bagaimanakah mereka bertindak balas terhadap penemuan saintis Soviet, dan juga kepada mereka sendiri? Adakah mereka faham apa yang mereka temui?

Jawapan kepada soalan-soalan ini terkandung dalam surat berikut dari Raman dan Krishnan, yang mereka hantar kepada akhbar 9 hari selepas penerbitan artikel oleh saintis Soviet. Ya, mereka menyedari bahawa fenomena yang mereka perhatikan bukanlah kesan Compton. Ini adalah Raman yang menghamburkan cahaya.

Selepas penerbitan surat Raman dan Krishnan dan artikel Mandelstam dan Landsberg, menjadi jelas kepada saintis di seluruh dunia bahawa fenomena yang sama secara bebas dan hampir serentak dibuat dan dipelajari di Moscow dan Calcutta. Tetapi ahli fizik Moscow mengkajinya dalam kristal kuarza, dan ahli fizik India mengkajinya dalam cecair dan gas.

Dan paralelisme ini, tentu saja, tidak disengajakan. Dia bercakap tentang kaitan masalah dan kepentingan saintifiknya yang besar. Tidak menghairankan bahawa keputusan yang hampir dengan kesimpulan Mandelstam dan Raman pada akhir April 1928 juga diperoleh secara bebas oleh saintis Perancis Rocard dan Kaban. Selepas beberapa lama, saintis teringat bahawa pada tahun 1923, ahli fizik Czech Smekal secara teorinya meramalkan fenomena yang sama. Mengikuti kerja Smekal, penyelidikan teori oleh Kramers, Heisenberg, dan Schrödinger muncul.

Rupa-rupanya satu-satunya kelemahan maklumat saintifik dapat dijelaskan oleh fakta bahawa saintis dari banyak negara berusaha menyelesaikan masalah yang sama tanpa mengetahuinya.

Tiga puluh tujuh tahun kemudian

Penyelidikan Raman bukan sahaja membuka lembaran baru dalam ilmu cahaya. Pada masa yang sama, mereka memberikan senjata yang kuat kepada teknologi. Industri mempunyai cara terbaik untuk mengkaji sifat jirim.

Lagipun, frekuensi Raman hamburan cahaya adalah kesan yang ditindih pada cahaya oleh molekul medium yang menyerakkan cahaya. Dan dalam bahan yang berbeza cetakan ini tidak sama. Inilah yang memberi Ahli Akademik Mandelstam hak untuk memanggil Raman hamburan cahaya sebagai "bahasa molekul." Kepada mereka yang boleh membaca jejak molekul pada sinar cahaya dan menentukan komposisi cahaya yang bertaburan, molekul, menggunakan bahasa ini, akan memberitahu tentang rahsia strukturnya.

Pada negatif gambar spektrum Raman tidak ada apa-apa selain garis-garis hitam yang berbeza-beza. Tetapi daripada gambar ini, pakar akan mengira frekuensi getaran intramolekul yang muncul dalam cahaya yang bertaburan selepas ia melalui bahan tersebut. Gambar itu akan menceritakan tentang banyak pihak yang tidak diketahui sehingga kini kehidupan batin molekul: tentang strukturnya, tentang daya yang mengikat atom menjadi molekul, tentang pergerakan relatif atom. Dengan belajar untuk menguraikan spektrogram Raman, ahli fizik belajar memahami "bahasa ringan" pelik yang mana molekul memberitahu tentang diri mereka sendiri. Jadi penemuan baharu itu membolehkan kami menembusi lebih dalam struktur dalaman molekul.

Hari ini, ahli fizik menggunakan taburan Raman untuk mengkaji struktur cecair, hablur dan bahan berkaca. Ahli kimia menggunakan kaedah ini untuk menentukan struktur pelbagai sebatian.

Kaedah untuk mengkaji bahan menggunakan fenomena hamburan cahaya Raman telah dibangunkan oleh kakitangan makmal Institut Fizikal dinamakan sempena P.N. Akademi Sains Lebedev USSR, yang diketuai oleh Ahli Akademik Landsberg.

Kaedah ini membolehkan, di makmal kilang, untuk melakukan analisis kuantitatif dan kualitatif dengan cepat dan tepat bagi petrol penerbangan, produk retak, produk petroleum dan banyak cecair organik kompleks yang lain. Untuk melakukan ini, cukup untuk menerangi bahan yang sedang dikaji dan menggunakan spektrograf untuk menentukan komposisi cahaya yang bertaburan olehnya. Nampak sangat mudah. Tetapi sebelum kaedah ini ternyata benar-benar mudah dan pantas, saintis terpaksa bekerja keras untuk mencipta peralatan yang tepat dan sensitif. Dan itulah sebabnya.

Daripada jumlah tenaga cahaya yang memasuki bahan yang dikaji, hanya bahagian yang tidak penting - kira-kira satu per sepuluh bilion - menyumbang bahagian cahaya yang tersebar. Dan taburan Raman jarang menyumbang walaupun dua atau tiga peratus daripada nilai ini. Nampaknya, inilah sebabnya Raman berselerak sendiri kekal tidak disedari untuk masa yang lama. Tidak menghairankan bahawa untuk mendapatkan gambar Raman yang pertama memerlukan pendedahan berpuluh-puluh jam.

Peralatan moden yang dicipta di negara kita memungkinkan untuk mendapatkannya Spektrum Raman bahan tulen dalam beberapa minit, dan kadang-kadang juga beberapa saat! Walaupun untuk analisis campuran kompleks, di mana bahan individu terdapat dalam jumlah beberapa peratus, masa pendedahan tidak lebih daripada satu jam biasanya mencukupi.

Tiga puluh tujuh tahun telah berlalu sejak bahasa molekul yang dirakam pada plat fotografi ditemui, ditafsir dan difahami oleh Mandelstam dan Landsberg, Raman dan Krishnan. Sejak itu, kerja keras telah dilakukan di seluruh dunia untuk menyusun "kamus" bahasa molekul, yang pakar optik memanggil katalog frekuensi Raman. Apabila katalog sedemikian disusun, penyahkodan spektrogram akan dipermudahkan dan penyerakan Raman akan menjadi lebih lengkap untuk perkhidmatan sains dan industri.

Warna langit negeri yang berbeza Cuaca berbeza-beza, berbeza dari keputihan hingga biru pekat. Satu teori yang menerangkan warna langit telah dibangunkan oleh Rayleigh.

Menurut teori ini, warna langit dijelaskan oleh fakta bahawa sinar matahari, berulang kali dipantulkan dari molekul udara dan zarah-zarah kecil habuk, bertaburan di atmosfera. Gelombang cahaya dengan panjang yang berbeza diserakkan secara berbeza oleh molekul: molekul udara menyerakkan sebahagian besarnya bahagian panjang gelombang pendek spektrum suria yang boleh dilihat, i.e. sinar biru, nila dan ungu, dan kerana keamatan bahagian ungu spektrum adalah rendah berbanding dengan bahagian biru dan biru, langit kelihatan biru atau biru.

Kecerahan langit yang ketara dijelaskan oleh fakta bahawa atmosfera bumi mempunyai ketebalan yang ketara dan cahaya diserakkan oleh sejumlah besar molekul.

hidup altitud tinggi, sebagai contoh, apabila memerhati dengan kapal angkasa, lapisan jarang atmosfera kekal di atas kepala pemerhati dengan lebih sedikit molekul menyerakkan cahaya, dan oleh itu kecerahan langit berkurangan. Langit kelihatan lebih gelap, warnanya berubah seiring dengan peningkatan ketinggian. Langit kelihatan lebih gelap, warnanya berubah daripada biru tua kepada ungu gelap dengan peningkatan ketinggian. Jelas sekali, pada ketinggian yang lebih tinggi dan di luar atmosfera, langit kelihatan hitam kepada pemerhati.

Jika udara mengandungi sejumlah besar zarah yang agak besar, maka zarah ini menyerakkan gelombang cahaya yang lebih panjang. Dalam kes ini, langit mengambil warna keputihan. Titisan air besar, atau hablur air, yang membentuk awan menyerakkan semua warna spektrum hampir sama, dan oleh itu langit mendung mempunyai warna kelabu pucat.

Ini disahkan oleh pemerhatian, di mana keadaan meteorologi dan warna langit yang sepadan di atas bandar Novokuznetsk dicatatkan.

Warna ciri dalam warna langit pada 28-29 November adalah disebabkan oleh kehadiran pelepasan industri, yang tertumpu di udara dengan penurunan suhu dan kekurangan angin.

Warna langit juga dipengaruhi oleh watak dan warna permukaan bumi, serta kepadatan atmosfera.

Hukum eksponen penurunan ketumpatan atmosfera dengan ketinggian.

Formula barometrik menerangkan penurunan ketumpatan atmosfera dengan ketinggian garis besar umum; ia tidak mengambil kira angin, arus perolakan, atau perubahan suhu. Selain itu, ketinggian tidak boleh terlalu tinggi supaya kebergantungan pecutan g pada ketinggian boleh diabaikan.

Formula barometrik dikaitkan dengan nama ahli fizik Austria Ludwig Boltzmann. Tetapi petunjuk pertama sifat eksponen penurunan ketumpatan udara dengan ketinggian sebenarnya terkandung dalam kajian Newton mengenai pembiasan cahaya di atmosfera dan digunakan dalam penyusunan jadual pembiasan yang dikemas kini.

Graf di bawah menunjukkan bagaimana proses penyelidikan pembiasan astronomi idea tentang sifat umum perubahan dalam indeks biasan atmosfera dengan ketinggian telah dijelaskan.

sesuai dengan teori Kepler
Teori biasan Newton
Newtonian halus dan teori moden pembiasan cahaya di atmosfera

Pembiasan cahaya di atmosfera

Atmosfera adalah medium optik tidak homogen, oleh itu trajektori pancaran cahaya di atmosfera sentiasa melengkung sedikit sebanyak. Lenturan sinar cahaya semasa melalui atmosfera dipanggil pembiasan cahaya di atmosfera.

Terdapat pembiasan astronomi dan terestrial. Dalam kes pertama, kelengkungan sinar cahaya yang datang kepada pemerhati duniawi dari benda angkasa. Dalam kes kedua, kelengkungan sinar cahaya yang datang kepada pemerhati dari objek duniawi dipertimbangkan. Dalam kedua-dua kes, disebabkan lenturan sinar cahaya, pemerhati mungkin melihat objek dalam arah yang bukan yang sepadan dengan realiti; objek mungkin kelihatan herot. Adalah mungkin untuk memerhati objek walaupun ia sebenarnya berada di belakang ufuk. Oleh itu, pembiasan cahaya masuk atmosfera bumi boleh membawa kepada ilusi optik yang pelik.

Mari kita anggap bahawa atmosfera terdiri daripada satu set lapisan mendatar optik homogen dengan ketebalan yang sama; Indeks biasan berubah secara mendadak dari satu lapisan ke lapisan yang lain, secara beransur-ansur meningkat dalam arah dari lapisan atas ke lapisan bawah. Keadaan spekulatif semata-mata ini ditunjukkan.

Pada hakikatnya, ketumpatan atmosfera, dan oleh itu indeks biasannya, berubah dengan ketinggian bukan dalam lompatan, tetapi secara berterusan. Oleh itu, trajektori pancaran cahaya bukanlah garis putus, tetapi garis melengkung.

Mari kita andaikan bahawa sinar yang ditunjukkan dalam rajah itu berpindah kepada pemerhati dari beberapa objek angkasa. Sekiranya tiada pembiasan cahaya di atmosfera, maka objek ini akan dapat dilihat oleh pemerhati pada sudut ά. Disebabkan oleh pembiasan, pemerhati melihat objek bukan pada sudut ά, tetapi pada sudut φ. Sejak φ ά, objek kelihatan lebih tinggi di atas ufuk daripada yang sebenarnya. Dalam erti kata lain, jarak zenit yang diperhatikan bagi sesuatu objek adalah kurang daripada jarak zenit sebenar. Perbezaan Ώ = ά – φ dipanggil sudut biasan.

Mengikut data moden sudut maksimum biasan ialah 35".

Apabila pemerhati melihat matahari terbenam dan melihat bagaimana tepi bawah cahaya itu menyentuh ufuk, sebenarnya masa ini tepi ini sudah 35" di bawah garisan ufuk. Menariknya pinggir atas cakera suria dinaikkan kurang oleh pembiasan - hanya 29". Oleh itu, matahari terbenam kelihatan sedikit diratakan secara menegak.

Matahari terbenam yang menakjubkan

Apabila mempertimbangkan pembiasan cahaya, adalah perlu untuk mengambil kira, bersama-sama dengan perubahan sistematik dalam ketumpatan udara dengan ketinggian, juga satu siri faktor tambahan, kebanyakannya sudah cukup sifat rawak. Kita bercakap tentang pengaruh pada indeks biasan udara arus perolakan dan angin, suhu udara pada titik yang berbeza di atmosfera di bahagian yang berlainan di permukaan bumi.

Ciri keadaan atmosfera dan, di atas semua, ciri pemanasan atmosfera di lapisan bawahnya di pelbagai bahagian permukaan bumi membawa kepada keunikan matahari terbenam yang diperhatikan.

lorong buta. Kadangkala Matahari kelihatan tidak terbenam di belakang ufuk, tetapi di belakang beberapa garisan yang tidak kelihatan yang terletak di atas ufuk. Fenomena ini diperhatikan dengan ketiadaan sebarang awan di kaki langit. Jika anda mendaki ke puncak bukit pada masa ini, anda boleh melihat gambaran yang lebih aneh: kini Matahari terbenam di luar ufuk, tetapi pada masa yang sama cakera suria kelihatan terputus oleh "jalur buta" mendatar. kedudukan yang berhubung dengan ufuk kekal tidak berubah. Matahari terbenam yang luar biasa ini boleh dilihat, menurut saksi mata, di tempat yang berbeza kawasan geografi, sebagai contoh, di kampung Bolshoy Kamen, Wilayah Primorsky dan bandar Sochi, Wilayah Krasnodar.

Gambar ini diperhatikan jika udara berhampiran Bumi itu sendiri ternyata sejuk, dan di atasnya terdapat lapisan udara yang agak panas. Dalam kes ini, indeks biasan udara berubah dengan ketinggian lebih kurang seperti yang ditunjukkan dalam graf; peralihan dari lapisan udara sejuk yang lebih rendah kepada yang hangat yang terletak di atasnya boleh membawa kepada penurunan yang agak mendadak dalam indeks biasan. Untuk kesederhanaan, kami menganggap bahawa penurunan ini berlaku secara tiba-tiba dan, oleh itu, antara sejuk dan lapisan hangat terdapat antara muka yang jelas terletak pada ketinggian tertentu h1 di atas permukaan Bumi. Dalam rajah, nx menandakan indeks biasan udara dalam lapisan sejuk, dan nt - dalam lapisan hangat berhampiran sempadan dengan lapisan sejuk.

Indeks biasan udara berbeza sangat sedikit daripada kesatuan, oleh itu, untuk kejelasan yang lebih besar, paksi menegak Angka ini menunjukkan nilai bukan indeks biasan itu sendiri, tetapi lebihan daripada perpaduan, i.e. perbezaan n-1.

Gambar perubahan dalam indeks biasan yang dibentangkan dalam Rajah 4b) telah digunakan dalam membina laluan sinar dalam Rajah 5, yang menggambarkan sebahagian daripada permukaan dunia dan lapisan bersebelahan udara sejuk dengan ketebalan hο.

Jika anda meningkatkan φ secara beransur-ansur, bermula dari sifar, sudut α2 juga akan meningkat. Mari kita andaikan bahawa pada nilai tertentu φ = φ´ sudut α2 menjadi sama sudut hadαο , sepadan dengan lengkap refleksi dalaman di sempadan lapisan sejuk dan hangat; dalam kes ini sin α1 = 1. Sudut αο sepadan dengan rasuk BA dalam Rajah 5; ia membentuk sudut β = 90˚ - φ´ dengan mengufuk. Pemerhati tidak akan menerima sinar yang memasuki lapisan sejuk pada titik yang ketinggian sudut di atas ufuk kurang daripada ketinggian sudut titik B, i.e. kurang daripada sudut β. Ini menjelaskan titik buta.

Sinar hijau. Rasuk hijau ialah denyar yang sangat berkesan. lampu hijau, kadangkala diperhatikan pada waktu matahari terbenam dan matahari terbit. Tempoh denyar hanya 1-2 saat. Fenomena ini adalah seperti berikut: jika Matahari terbenam di langit yang cerah, maka dengan ketelusan udara yang mencukupi, anda kadang-kadang boleh memerhatikan bagaimana titik terakhir Matahari yang kelihatan dengan cepat mengubah warnanya daripada kuning pucat atau merah oren kepada hijau terang. Pada waktu matahari terbit, anda boleh melihat fenomena yang sama, tetapi dengan susunan terbalik warna berselang-seli.

Penampilan sinar hijau boleh dijelaskan dengan mengambil kira perubahan indeks biasan dengan kekerapan cahaya.

Biasanya, indeks biasan meningkat dengan peningkatan kekerapan. Sinar dengan frekuensi biasan yang lebih tinggi adalah lebih kuat. Ini bermakna sinar biru-hijau mengalami pembiasan yang lebih kuat berbanding sinar merah.

Mari kita anggap bahawa terdapat pembiasan cahaya di atmosfera, tetapi tiada penyerakan cahaya. Dalam kes ini, tepi atas dan bawah cakera suria berhampiran garis ufuk perlu diwarnakan dalam warna pelangi. Biarkan terdapat hanya dua warna dalam spektrum cahaya matahari - hijau dan merah; Cakera suria "putih" boleh dipertimbangkan dalam kes ini dalam bentuk cakera hijau dan merah yang ditumpangkan antara satu sama lain. Pembiasan cahaya di atmosfera menaikkan cakera hijau di atas ufuk ke tahap yang lebih besar daripada merah. Oleh itu, pemerhati perlu melihat Matahari terbenam seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 6a). Pinggir atas cakera suria akan berwarna hijau dan pinggir bawah merah; di bahagian tengah cakera campuran warna akan diperhatikan, i.e. warna putih akan diperhatikan.

Pada hakikatnya, seseorang tidak boleh mengabaikan penyebaran cahaya di atmosfera. Ia membawa kepada fakta bahawa sinar dengan frekuensi yang lebih tinggi disingkirkan dengan lebih cekap daripada pancaran cahaya yang datang dari Matahari. Jadi sempadan hijau di atas cakera tidak akan kelihatan, dan keseluruhan cakera akan kelihatan kemerah-merahan dan bukannya putih. Walau bagaimanapun, jika hampir keseluruhan cakera suria telah melampaui ufuk, hanya pinggir atasnya yang kekal, dan cuaca cerah dan tenang, udara bersih, maka dalam kes ini pemerhati dapat melihat pinggir hijau terang Matahari. bersama-sama dengan taburan sinar hijau terang

Kita semua terbiasa dengan fakta bahawa warna langit adalah ciri yang berubah-ubah. Kabus, awan, masa hari - semuanya mempengaruhi warna kubah di atas kepala. Peralihan hariannya tidak menduduki fikiran kebanyakan orang dewasa, yang tidak boleh dikatakan tentang kanak-kanak. Mereka sentiasa tertanya-tanya mengapa langit secara fizikal berwarna biru atau apa yang menjadikan matahari terbenam merah. Mari kita cuba memahami soalan yang tidak begitu mudah ini.

Boleh tukar

Ia patut dimulakan dengan menjawab soalan tentang apa yang sebenarnya diwakili oleh langit. DALAM dunia purba ia benar-benar dilihat sebagai kubah yang menutupi Bumi. Hari ini, bagaimanapun, hampir tidak ada yang tidak tahu bahawa, tidak kira betapa tingginya penjelajah yang ingin tahu, dia tidak akan dapat mencapai kubah ini. Langit bukanlah sesuatu, sebaliknya panorama yang terbuka apabila dilihat dari permukaan planet, sejenis rupa yang ditenun daripada cahaya. Lebih-lebih lagi, jika anda perhatikan dari titik yang berbeza, ia mungkin kelihatan berbeza. Jadi, dari naik di atas awan, pandangan yang sama sekali berbeza terbuka daripada dari tanah pada masa ini.

Langit yang cerah berwarna biru, tetapi sebaik sahaja awan masuk, ia menjadi kelabu, plumbum atau putih kotor. Langit malam hitam, kadang-kadang anda boleh melihat kawasan kemerahan di atasnya. Ini adalah pantulan pencahayaan buatan bandar. Sebab untuk semua perubahan tersebut adalah cahaya dan interaksinya dengan udara dan zarah. pelbagai bahan dalam dirinya.

Sifat warna

Untuk menjawab persoalan mengapa langit berwarna biru dari sudut fizik, kita perlu ingat apa itu warna. Ia adalah gelombang panjang tertentu. Cahaya yang datang dari Matahari ke Bumi dilihat sebagai putih. Telah diketahui sejak eksperimen Newton bahawa ia adalah pancaran tujuh sinar: merah, oren, kuning, hijau, biru, nila dan ungu. Warna berbeza dalam panjang gelombang. Spektrum merah-oren termasuk gelombang yang paling mengagumkan dalam parameter ini. bahagian spektrum dicirikan oleh panjang gelombang pendek. Penguraian cahaya menjadi spektrum berlaku apabila ia berlanggar dengan molekul pelbagai bahan, dan sebahagian daripada gelombang boleh diserap, dan sebahagian lagi boleh berselerak.

Siasatan punca

Ramai saintis telah cuba menjelaskan mengapa langit berwarna biru dari segi fizik. Semua penyelidik berusaha untuk menemui fenomena atau proses yang menyebarkan cahaya di atmosfera planet sedemikian rupa sehingga, akibatnya, hanya cahaya biru yang sampai kepada kita. Calon pertama untuk peranan zarah tersebut ialah air. Adalah dipercayai bahawa mereka menyerap cahaya merah dan menghantar cahaya biru, dan sebagai hasilnya kita melihat langit biru. Pengiraan seterusnya, bagaimanapun, menunjukkan bahawa jumlah ozon, hablur ais dan molekul wap air di atmosfera tidak mencukupi untuk memberikan langit warna biru.

Sebabnya ialah pencemaran

Pada peringkat penyelidikan seterusnya, John Tyndall mencadangkan bahawa habuk memainkan peranan zarah yang dikehendaki. Cahaya biru mempunyai rintangan yang paling besar terhadap penyebaran, dan oleh itu dapat melalui semua lapisan habuk dan zarah terampai yang lain. Tindall menjalankan eksperimen yang mengesahkan andaiannya. Dia mencipta model asap di makmal dan meneranginya dengan cahaya putih terang. Asap itu berubah menjadi biru. Ahli sains membuat kesimpulan yang tidak jelas dari penyelidikannya: warna langit ditentukan oleh zarah debu, iaitu, jika udara Bumi bersih, maka langit di atas kepala manusia akan bersinar bukan biru, tetapi putih.

Penyelidikan Tuhan

Perkara terakhir mengenai persoalan mengapa langit berwarna biru (dari sudut pandangan fizik) dikemukakan oleh saintis Inggeris, Lord D. Rayleigh. Dia membuktikan bahawa bukan habuk atau asap yang mewarnai ruang di atas kepala kita di bawah naungan yang kita kenali. Ia berada di udara sendiri. Molekul gas menyerap kebanyakan dan terutamanya panjang gelombang terpanjang, bersamaan dengan merah. Biru hilang. Beginilah tepatnya hari ini kita menerangkan warna langit yang kita lihat dalam cuaca cerah.

Mereka yang penuh perhatian akan menyedari bahawa, mengikut logik saintis, atas kubah harus berwarna ungu, kerana warna ini mempunyai panjang gelombang terpendek dalam julat yang boleh dilihat. Walau bagaimanapun, ini bukan satu kesilapan: perkadaran ungu dalam spektrum adalah lebih kecil daripada biru, dan mata manusia lebih sensitif terhadap yang kedua. Sebenarnya, biru yang kita lihat adalah hasil percampuran biru dengan ungu dan beberapa warna lain.

Matahari terbenam dan awan

Semua orang tahu bahawa dalam masa yang berbeza hari anda boleh melihat warna langit yang berbeza. Foto matahari terbenam yang indah di atas laut atau tasik adalah ilustrasi yang sempurna untuk ini. Semua jenis warna merah dan kuning digabungkan dengan biru dan biru tua menjadikan tontonan sedemikian tidak dapat dilupakan. Dan ia dijelaskan oleh penyerakan cahaya yang sama. Hakikatnya ialah semasa matahari terbenam dan subuh, pancaran matahari perlu menempuh laluan yang lebih panjang melalui atmosfera berbanding pada waktu kemuncak hari itu. Dalam kes ini, cahaya dari bahagian biru-hijau spektrum bertaburan ke dalam sisi yang berbeza dan awan yang terletak berhampiran ufuk menjadi berwarna dalam rona merah.

Apabila langit menjadi mendung, gambar berubah sepenuhnya. tidak dapat mengatasi lapisan padat, dan kebanyakan daripada mereka tidak sampai ke tanah. Sinaran yang berjaya menembusi awan bertemu dengan titisan air hujan dan awan, yang sekali lagi memesongkan cahaya. Hasil daripada semua transformasi ini, ia mencapai tanah cahaya putih, jika awan bersaiz kecil, dan kelabu, apabila langit diliputi oleh awan yang mengagumkan yang menyerap sebahagian daripada sinaran untuk kali kedua.

Langit lain

Ia menarik bahawa di planet lain sistem suria Apabila dilihat dari permukaan, seseorang boleh melihat langit yang sangat berbeza daripada di Bumi. Pada objek angkasa lepas yang tidak mempunyai atmosfera, sinaran matahari bebas sampai ke permukaan. Akibatnya, langit di sini hitam, tanpa sebarang naungan. Gambar ini boleh dilihat di Bulan, Utarid dan Pluto.

Langit Marikh mempunyai warna merah-oren. Sebabnya terletak pada habuk yang memenuhi atmosfera planet ini. Ia dicat dalam pelbagai warna merah dan oren. Apabila Matahari terbit di atas ufuk, langit Marikh bertukar merah jambu-merah, manakala kawasan serta-merta mengelilingi cakera kilauan kelihatan biru atau ungu.

Langit di atas Zuhal adalah warna yang sama seperti di Bumi. Langit Aquamarine terbentang di atas Uranus. Sebabnya terletak pada jerebu metana yang terletak di planet atas.

Zuhrah tersembunyi dari mata penyelidik oleh lapisan awan yang padat. Ia tidak membenarkan sinaran spektrum biru-hijau sampai ke permukaan planet, jadi langit di sini berwarna kuning-oren dengan jalur kelabu di sepanjang ufuk.

Meneroka ruang di atas kepala pada siang hari mendedahkan keajaiban yang tidak kurang daripada mengkaji langit berbintang. Memahami proses yang berlaku di awan dan di belakangnya membantu memahami sebab perkara yang agak biasa bagi orang biasa, yang, bagaimanapun, tidak semua orang dapat menjelaskan dengan segera.

Mengapa langit berwarna biru. Mengapa matahari kuning? Soalan-soalan ini, begitu semula jadi, telah timbul di hadapan manusia sejak zaman purba. Walau bagaimanapun, untuk mendapatkan penjelasan yang betul tentang fenomena ini, ia memerlukan usaha saintis cemerlang Zaman Pertengahan dan kemudiannya, sehingga lewat XIX V.

Apakah hipotesis yang wujud? Segala macam hipotesis telah dikemukakan pada masa yang berbeza untuk menerangkan warna langit. Hipotesis pertama Memerhatikan bagaimana asap pada latar belakang perapian yang gelap memperoleh warna kebiruan, Leonardo da Vinci menulis: ... terang di atas kegelapan menjadi biru, semakin cantik, semakin cemerlang cahaya dan gelap itu." Goethe berpegang kepada kira-kira. sudut pandangan yang sama, yang bukan sahaja di seluruh dunia penyair terkenal, tetapi juga ahli sains semula jadi terbesar pada zamannya. Walau bagaimanapun, penjelasan tentang warna langit ini ternyata tidak dapat dipertahankan, kerana, seperti yang menjadi jelas kemudian, mencampurkan hitam dan putih hanya boleh menghasilkan warna kelabu, bukan warna. Warna biru asap dari perapian disebabkan oleh proses yang sama sekali berbeza.

Apakah hipotesis yang wujud? Hipotesis 2 Selepas penemuan gangguan, khususnya dalam filem nipis, Newton cuba menggunakan gangguan untuk menerangkan warna langit. Untuk melakukan ini, dia terpaksa menganggap bahawa titisan air mempunyai bentuk buih berdinding nipis, seperti buih sabun. Tetapi oleh kerana titisan air yang terkandung di atmosfera sebenarnya adalah sfera, hipotesis ini tidak lama lagi pecah, seperti gelembung sabun.

Apakah hipotesis yang wujud? 3 hipotesis Saintis XVIII V. Marriott, Bouguer, Euler berpendapat bahawa warna biru langit dijelaskan oleh warna intrinsik bahagian konstituen udara. Penjelasan ini bahkan menerima beberapa pengesahan kemudian, sudah pada abad ke-19, apabila ia ditubuhkan oksigen cecair berwarna biru, dan ozon cecair berwarna biru. Paling dekat dengan penerangan yang betul O. B. Saussure menghampiri warna langit. Dia percaya bahawa jika udara benar-benar tulen, langit akan menjadi hitam, tetapi udara mengandungi kekotoran yang mencerminkan kebanyakan warna biru (khususnya, wap air dan titisan air).

Keputusan kajian: Yang pertama mencipta langsing, ketat teori matematik penyebaran molekul cahaya di atmosfera, adalah saintis Inggeris Rayleigh. Dia percaya bahawa penyebaran cahaya tidak berlaku pada kekotoran, seperti yang difikirkan oleh pendahulunya, tetapi pada molekul udara itu sendiri. Untuk menerangkan warna langit, kami hanya mengemukakan satu daripada kesimpulan teori Rayleigh:

Hasil kajian: warna campuran sinar bertaburan akan menjadi biru. Kecerahan, atau keamatan, cahaya yang tersebar berbeza-beza dalam perkadaran songsang kepada kuasa keempat panjang gelombang kejadian cahaya pada zarah serakan. Oleh itu, penyerakan molekul sangat sensitif terhadap perubahan sedikit pun dalam panjang gelombang cahaya. Sebagai contoh, panjang gelombang sinar ungu (0.4 μm) adalah lebih kurang separuh panjang gelombang sinar merah (0.8 μm). Oleh itu, sinar ungu akan bertaburan 16 kali lebih kuat daripada sinar merah, dan dengan intensiti sinar tuju yang sama akan terdapat 16 kali lebih banyak daripadanya dalam cahaya yang tersebar. Semua sinar berwarna lain bagi spektrum yang boleh dilihat (biru, cyan, hijau, kuning, oren) akan dimasukkan ke dalam cahaya bertaburan dalam kuantiti yang berkadar songsang dengan kuasa keempat panjang gelombang setiap satu daripadanya. Jika sekarang semua sinar bertaburan berwarna dicampur dalam nisbah ini, maka warna campuran sinar bertaburan akan menjadi biru

Sastera: S.V. Zvereva. Dalam dunia cahaya matahari. L., Gidrometeoizdat, 1988

Mengapa langit berwarna biru? Sukar untuk mencari jawapan kepada soalan yang begitu mudah. Ramai saintis memerah otak mereka untuk mencari jawapan. Penyelesaian terbaik untuk masalah itu telah dicadangkan kira-kira 100 tahun yang lalu ahli fizik Inggeris Tuan John Rayleigh.

Matahari memancarkan cahaya putih tulen yang mempesonakan. Ini bermakna bahawa warna langit harus sama, tetapi ia masih biru. Apakah yang berlaku kepada cahaya putih di atmosfera bumi?

Cahaya putih adalah campuran sinar berwarna. Menggunakan prisma kita boleh membuat pelangi.

Prisma membelah rasuk putih menjadi jalur berwarna:

■merah

■Jingga

■ Kuning

■ Hijau

■ Biru

■ Ungu

Bergabung bersama, sinar ini sekali lagi membentuk cahaya putih. Ia boleh diandaikan bahawa cahaya matahari mula-mula dipecahkan kepada komponen berwarna. Kemudian sesuatu berlaku, dan hanya sinar biru yang mencapai permukaan Bumi.

Jadi mengapa langit biru?

Terdapat beberapa kemungkinan penjelasan. Udara di sekeliling Bumi adalah campuran gas: nitrogen, oksigen, argon dan lain-lain. Terdapat juga wap air dan hablur ais di atmosfera. Habuk dan zarah lain terampai di udara zarah halus. Di lapisan atas atmosfera terdapat lapisan ozon. Mungkinkah ini sebabnya? Sesetengah saintis percaya bahawa molekul ozon dan air menyerap sinar merah dan menghantar sinar biru. Tetapi ternyata tidak cukup ozon dan air di atmosfera untuk mewarnai langit biru.

Pada tahun 1869, seorang Inggeris John Tindall mencadangkan bahawa habuk dan zarah lain menyerakkan cahaya. Cahaya biru tersebar paling sedikit dan melalui lapisan zarah tersebut untuk sampai ke permukaan Bumi. Di makmalnya, dia mencipta model asap dan meneranginya dengan pancaran putih terang. Asap bertukar menjadi biru tua. Tindall memutuskan bahawa jika udara benar-benar jelas, maka tiada apa yang akan menyerakkan cahaya, dan kami boleh mengagumi langit putih yang cerah. Tuan Rayleigh juga menyokong idea ini, tetapi tidak lama. Pada tahun 1899 beliau menerbitkan penjelasannya:

Ia adalah udara, bukan debu atau asap, yang mewarnai langit biru.

Teori utama tentang warna biru langit

Sebahagian daripada sinaran matahari melalui antara molekul gas tanpa berlanggar dengannya dan sampai ke permukaan Bumi tidak berubah. Bahagian lain yang lebih besar diserap oleh molekul gas. Apabila foton diserap, molekul menjadi teruja, iaitu, ia dicas dengan tenaga, dan kemudian memancarkannya dalam bentuk foton. Foton sekunder ini mempunyai panjang gelombang yang berbeza dan boleh menjadi sebarang warna dari merah hingga ungu. Mereka berselerak ke semua arah: ke arah Bumi, dan ke arah Matahari, dan ke sisi. Lord Rayleigh mencadangkan bahawa warna rasuk yang dipancarkan bergantung pada penguasaan kuanta satu warna atau warna lain dalam rasuk. Apabila molekul gas berlanggar dengan foton sinar suria, terdapat lapan kuantum biru untuk satu kuantum merah sekunder.

Apakah keputusannya? Cahaya biru pekat benar-benar mencurah ke atas kita dari semua arah dari berbilion molekul gas di atmosfera. Cahaya ini mempunyai foton warna lain yang bercampur, jadi ia bukan biru semata-mata.

Kenapa matahari terbenam berwarna merah?

Walau bagaimanapun, langit tidak selalunya biru. Persoalannya secara semula jadi timbul: jika kita melihat sepanjang hari langit biru kenapa matahari terbenam merah? Warna merah adalah yang paling sedikit bertaburan oleh molekul gas. Semasa matahari terbenam, Matahari menghampiri ufuk dan sinaran matahari diarahkan ke arah permukaan Bumi bukan secara menegak, seperti pada siang hari, tetapi pada sudut.

Oleh itu, laluan yang diambil melalui atmosfera adalah banyak Tambahan pula bahawa ia berlaku pada siang hari apabila matahari tinggi. Oleh kerana itu, spektrum biru-biru diserap dalam lapisan atmosfera yang tebal, tidak sampai ke Bumi. Dan gelombang cahaya yang lebih panjang daripada spektrum merah-kuning mencapai permukaan Bumi, mewarnai langit dan awan dalam warna merah dan kuning ciri-ciri matahari terbenam.

Penjelasan saintifik

Di atas kami memberikan jawapan secara perbandingan dalam bahasa mudah. Di bawah ini kami akan memetik rasional menggunakan istilah dan formula saintifik.

Petikan dari Wiki:

Sebab langit kelihatan biru adalah kerana udara menyerakkan cahaya gelombang pendek lebih daripada cahaya gelombang panjang. Keamatan serakan Rayleigh, yang disebabkan oleh turun naik dalam bilangan molekul gas udara dalam isipadu yang sepadan dengan panjang gelombang cahaya, adalah berkadar dengan 1/λ 4, λ ialah panjang gelombang, iaitu bahagian ungu spektrum yang boleh dilihat bertaburan lebih kurang. 16 kali lebih kuat daripada merah. Oleh kerana cahaya biru mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek, pada penghujung spektrum yang boleh dilihat, ia lebih banyak tersebar ke atmosfera daripada cahaya merah. Disebabkan ini, bahagian langit di luar arah Matahari mempunyai warna biru (tetapi bukan ungu, kerana spektrum suria tidak sekata dan keamatan warna ungu di dalamnya adalah kurang, dan juga disebabkan oleh sensitiviti mata yang lebih rendah kepada warna ungu dan lebih besar kepada biru, yang merengsakan bukan sahaja kon sensitif biru di retina, tetapi juga mereka yang sensitif kepada merah dan sinar hijau).

Semasa matahari terbenam dan fajar, cahaya bergerak secara tangen ke permukaan bumi, supaya laluan boleh dilalui oleh cahaya di atmosfera menjadi lebih besar daripada siang hari. Oleh kerana itu, kebanyakan cahaya biru dan hijau tersebar dari cahaya matahari langsung, jadi cahaya langsung matahari, serta awan yang meneranginya dan langit berhampiran ufuk, berwarna merah.

Mungkin, dengan komposisi atmosfera yang berbeza, contohnya, di planet lain, warna langit, termasuk ketika matahari terbenam, mungkin berbeza. Sebagai contoh, warna langit di Marikh adalah merah jambu kemerahan.

Penyebaran dan penyerapan adalah sebab utama kelemahan keamatan cahaya di atmosfera. Penyerakan berbeza-beza sebagai fungsi nisbah diameter zarah serakan kepada panjang gelombang cahaya. Apabila nisbah ini kurang daripada 1/10, penyerakan Rayleigh berlaku, di mana pekali serakan adalah berkadar dengan 1/λ 4 . Pada nilai yang lebih besar daripada nisbah saiz zarah serakan kepada panjang gelombang, hukum serakan berubah mengikut Persamaan Gustave Mie; apabila nisbah ini lebih besar daripada 10, undang-undang optik geometri digunakan dengan ketepatan yang mencukupi untuk amalan.