Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

РОЗСІЮВАННЯ СВІТЛА В ПОВІТРІ

Без сумніву, явище розсіювання світла в повітрі всім добре відоме: завдяки йому можна, наприклад, бачити промені світла, що падають збоку в темне приміщення. І, як побачимо далі, воно взагалі дозволяє бачити з більшими подробицями безпосередньо навколишній світ предметів.

Перше питання на цьому шляху, що слід було розв’язати фізикам, власне кажучи, дуже старе: чому небо блакитне? До нього можна приєднати ще такі питання: чому на сході й заході сонце червоне; чому малиновий захід передвіщає вітряну погоду? У позаминулому столітті до них додалося ще одне, що виникло у результаті досліджень: чому світло неба в напрямку, перпендикулярному напрямку на Сонце, майже повністю поляризоване?

Питання про причини яскравості денного неба ставили перед собою ще вчені, що жили багато століть тому. Арабський фізик Альхазен ще в XI ст. висловив думку, що світіння денного неба викликане відбиттям сонячного світла від частинок, що знаходяться у повітрі. Леонардо да Вінчі близько 1500 р. писав: «Я кажу, що синява повітря не є його власним кольором, а викликана теплими випарами маленьких і нечутливих атомів, на які падають сонячні промені, викликаючи їхнє світіння на тлі нескінченної пітьми тієї небесної сфери, що оточує їх і містить у собі... Якщо одержати негустий дим від сухого дерева й кинути на нього сонячні промені, то ми побачимо, що чорна тканина поміщеного за ним шматка оксамиту забарвиться в чудовий блакитний колір... Блакитні промені також з’являться, якщо воду тонким струмком впорскувати в ящик, у який проникають промені Сонця... Із цього я роблю висновок, що повітря в небі має блакитний колір тому, що частки вологи в ньому захоплюють сонячні промені».

Але минуло ще три століття епізодичних спостережень розсіювання світла, поки, нарешті, не з’явилося перше теоретичне пояснення явища. Серйозні експерименти почалися з того, що можна назвати «моделюванням неба». Таке «штучне небо» на початку 50-х рр. позаминулого сторіччя фізик Брюкке виготовив із суспензії тонко розмеленої мастики в спирті. Через кілька років замість мастики був узятий тютюновий порошок. Нарешті 1869 р. англієць Тіндаль провів серію точних кількісних експериментів із дрібними завислими в повітрі частками різних димів. Тепер уже не залишилося сумнівів у тому, що синява цигаркового димку й синява денного неба мають у якомусь розумінні загальне походження.

Можливо, і в повітрі присутні дрібні частки пилу, підняті вітром або занесені в атмосферу при виверженні вулканів? Але тоді чому при підйомі в гори спостерігається густіша синява неба? Ті, хто подорожував на літаках вище найвищих гір, знають, що на такій висоті небо має набагато насиченіше синьо-фіолетове забарвлення й разом з тим меншу яскравість світіння, ніж коли дивишся на нього з рівнини. Але ж запиленість атмосфери, природно, з висотою повинна зменшуватися. Так що думка про загальне походження синявого цигаркового диму й неба стосується, скоріше, подібного фізичного механізму, ніж однакових джерел забарвлення.

Треба сказати, що паралельно з правильним у принципі поясненням існувало також неправильне пояснення синяви неба, що сягає ще Ньютона. Ньютон, як відомо, багато займався інтерференційними кольорами тонких шарів речовини. Він припустив, що небо забарвлюється в синій колір у результаті інтерференції сонячних променів, відбитих від передньої й задньої поверхонь дрібних водяних крапельок, що знаходяться у повітрі. При такому відбитті повна поляризація світла повинна була б наступати при куті 74°, а не при спостережуваному куті відбиття 45° (тобто при куті 90° з напрямком на Сонце). Згодом Брюкке зазначив, що відтінки блакитного неба й інтерференційних кольорів різко різняться. Були також інші доводи проти ньютонівського пояснення, так що в середині XIX ст. фізики практично від нього відмовилися.

Отже, чим викликається розсіювання світла? Тіндаль уважав — дрібнодисперсними крапельками води у верхніх шарах атмосфери. Оскільки вода може бути туди занесена тільки випаром із землі, він зробив висновок, що синява неба й поляризація розсіяного сонячного світла є «двома великими загадками метеорології». Найцікавішим є те, що пояснити, хоча б в основних рисах, механізм розсіювання світла на дрібних часточках, тобто блакитний колір неба, і поляризацію розсіяних променів удалося й без знання природи розсіювальних частинок. Це зробив англійський фізик Релей 1871 р.

Міркування Релея виглядають надзвичайно просто й упорядковано. Почнемо з пояснення поляризації розсіяного світла. Припустимо, що на маленьку сферичну частинку (маленьку в порівнянні з довжиною хвилі, щоб електромагнітне поле в межах частинки можна було вважати постійним) падає неполяризована світлова хвиля. Під дією електричного складника поля хвилі відбудеться поляризація частинки, заряди обох знаків у ній розійдуться в протилежні боки, і вона стане схожою на гантель. Такий гантелеподібний розподіл зарядів називають диполем. Наш диполь коливатиметься в такт із хвилею, що палатиме на нього.

Коливний диполь завжди випускає електромагнітне випромінювання, у цьому випадку воно являє собою просто розсіяне світло. Розглянемо ту його частину, що випускається диполем у напрямках, перпендикулярних напрямку поширення падаючої хвилі (усі ці напрямки лежать в одній площині). Неполяризовану світлову хвилю можна розкласти на два компоненти, повністю поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках. Виберемо кожний із цих напрямків як напрямок поширення розсіяного під кутом 90° світла. Але тоді, спробувавши представити також розсіяну хвилю у вигляді двох поляризованих компонентів, як раніше падаючу хвилю, ми побачимо, що один із цих напрямків поляризації збігається з напрямком поширення вихідної хвилі, а вона, будучи поперечною, у цьому напрямку поляризації не мала. Отже, можливий тільки другий поляризований компонент, а це означає, що розсіяна під кутом 90° хвиля повністю поляризована.

Блакитний колір розсіяного випромінювання пояснюється так. Зрозуміло, що інтенсивність розсіяного світла залежить від інтенсивності світла, що падає на частинку, і їхнє відношення виражається якоюсь безрозмірною функцією. Що може входити в цю функцію? Обсяг розсіювальної частинки, відстань від неї до точки спостереження, довжина хвилі світла й показники заломлення частинки й середовища (дві останні величини безрозмірні). Оскільки частинка-диполь випромінює в усіх напрямках, інтенсивність зменшується обернено пропорційно квадрату відстані. Напруженість поля диполя пропорційна обсягу частинки, натомість інтенсивність випромінювання пропорційна квадрату напруженості поля, тобто квадрату обсягу частинки. Щоб комбінація обсягу V, відстані r і довжини хвилі λ не мала розмірності, доводиться прийняти, що довжина хвилі входить у відношення інтенсивностей у четвертому ступені. Таким чином, інтенсивність розсіяного світла де Іp — інтенсивність падаючого світла; f — деяка функція показників заломлення, вид якої несуттєвий для нас. Це означає, що інтенсивність розсіяного світла надзвичайно швидко зростає зі зменшенням довжини хвилі. Тому, хоча у власному випромінюванні Сонця синя ділянка спектра представлена порівняно слабко, енергія розсіяного небом випромінювання значною мірою зосереджується саме в цій області.

Ще раз нагадаємо, що йдеться про розсіяне сонячне світло. Спостерігати падаюче світло Сонця неозброєним оком неможливо, але спеціальні вимірювання за допомогою спектральних приладів показують, що Сонце при спостереженні з космосу трохи «зеленіше», ніж при погляді на нього з поверхні Землі. Описане явище, звичайно, пов’язане з тим, що при взаємодії з атмосферою із сонячного світла відсіялася частина короткохвильового випромінювання. Це особливо помітно, коли Сонце знаходиться низько над обрієм і його випромінювання проходить у повітрі набагато більший шлях, ніж удень. Тоді Сонце стає майже червоним — з його спектра значно відсіяні вже не тільки сині, але й зелені й жовті промені. Якщо в нижніх шарах атмосфери, через які в цьому випадку переважно йде сонячне випромінювання, багато пилу, що буває при вітряній погоді, Сонце ще більше «багровіє», тому що частинки пилу роблять свій внесок у розсіювання світла.

Коли Релей опублікував свою першу теорію розсіювання світла на атмосферних частинках, природа цих частинок ще залишалася невідомою. Зрозуміло було лише, що їх розміри повинні бути набагато меншими від довжини світлових хвиль, щоб поле хвилі в їхніх межах можна було б уважати постійним. Але через два роки Релей одержав листа від свого колеги Максвелла, який у ті роки приділяв багато уваги обгрунтуванню молекулярної теорії газів. Тому природно, що він запропонував Релею па роль кандидатів у розсіювальні частинки молекули повітря. Однак Релей не квапився з відповіддю. Після своєї першої роботи з розсіювання світла він надовго відійшов від цієї проблеми й молекулярну теорію світла опублікував тільки в 1899 р. Остаточний результат и вийшов, однак, незадовільним: інтенсивність розсіювання виявилася занадто малою, при такій інтенсивності небо повинне було виглядати набагато темнішим, ніж насправді. Корінь невдачі, як з’ясувалося кілька років по тому, полягав у тому, що Релей уважав атмосферне повітря занадто однорідним і думав, що єдиними розсіювальними центрами є самі молекули. Але ідеально однорідних середовищ у природі не існує. Навіть абсолютно чисте повітря, з якого повністю видалені всі сторонні тверді й рідкі частинки, абсолютно нерухоме, можна вважати однорідним тільки умовно.

Глибше розглянули цю проблему Ейнштейн і польський фізик Смолуховський. Вони встановили, що при хаотичному тепловому русі молекул газу завжди існують флуктуації (ущільнення, скупчення частинок) у деякому обсязі газу. Ці флуктуації тим більші, чим меншим є обраний обсяг газу. Природно, що внаслідок флуктуацій повітря стає менш однорідним. В обсягах повітря, які мають розміри істотно менші від довжини світлової хвилі, міститься так мало молекул, що флуктуації їхнього числа вже цілком помітні. Можна тому говорити, що світло розсіюється переважно не на самих молекулах, а на трохи більших неоднорідностях — флуктуаціях густини молекул у малих обсягах. Знаючи розподіл флуктуацій за величиною, Ейнштейн і Смолуховський змогли повторити розрахунок Релея. Тепер він призвів до чудового збігу зі спостережуваною яскравістю світіння денного неба.

Легко зрозуміти, що розсіювання світла в атмосфері — у буквальному розумінні нечисте явище. Крім молекул атмосферних газів у повітрі завжди присутні пил, водяні крапельки; атмосфера неспокійна. Крім однократного розсіювання на шляху від Сонця до спостерігача світло зазнає також багаторазового розсіювання. Показники заломлення повітря й частинок у ньому в загальному випадку залежать від довжини хвилі. Щоправда, всі ці виправлення практично не змінюють основної залежності.

У 1914 р. розрахунки Релея були уточнені з урахуванням молекулярних флуктуацій, поглинання сонячного світла пилом, що знаходиться в повітрі, і ще деяких факторів. Після цього можна було знайти кількість молекул на шляху сонячного світла через атмосферу, враховуючи при цьому зменшення її густини з висотою по барометричній формулі, а це дозволило обчислити кількість молекул в обсязі повітря, що відповідає молю — число Авогадро. Так з вимірювань розсіювання світла було отримане значення числа Авогадро, що виявилося дуже близьким до знайденого хіміками. Гіпотеза про молекулярну будову газів одержала ще одне, цього разу оптичне, обгрунтування.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.