20
Цвета рассеянного света
Кандидат физико-математических наук
А. А. БОРОВОЙ
Синева неба, белые, постояно меняющее свой очертания облака, краски восхода и заката всегда вызывали у людей чувство восхшения. Они питали фантазию позтов и художников, естественно, привлекали внимание ученых.
«Воздушная синева рождается от телевой плотности освещенного воздуха, находящeroся между верхимм краком и землей»,— писал еще Леонардо да Винчи. Околоста лет назад, в 1869 году, известный английский физик и популяризатор науки Дж. Тиндаль впервые поставил опыты, в которых наблюдал синий оттенок рассеянного света. Однако понадобилось еще немного услей и труда таких ученых, как Рэлей, Смолуховский, Мандельштам, Эйштейн, чтобы окончательно обьясить краски дневного и вечернего неба рассеянным света.
Знакомство с этим явлением мы начнем с простых модельных опытов, затем попытаемся качественно обьясить полученные результаты и от них «перекинить мостик» к цвету неба.
I. Для опытов необходимо прямотольный сосуд с произчными стенками, например акварным. Его длина должна составлять не менее 30 см. Кроме сосуда понадобится источник света, дающий слабо расходящийся лучок лучей. Можно воспользоваться диапроектором, поставив на место слайда кусочек черной бумаги с круглым отвергением диаметра 2—3 мм в центре, или приспособить для этой цели достагоно сильный электрический фонарь.
Обыты надо проводить в затемненной комнате.
Налейте в сосуд воду и направьте сквозь нее световой пучок вдоль длинной стороны сосуда (как показано на рисунке). А теперь посмотрите на него сбоку. Чем чище вода, чем меняше в ней пузырьков, пылинок и других посторонних включений, тем менее заметен пучок. Он лишь слегка подвечивает сосуд на границах воздуха — стекло и стекло — вода. Однако стоит только нарушить однород-
21
ность жидкости, например начать перемешивать воду или нагревать ее (придумайте сами, как можно это осуществить), и в местах недородностей рассеяние света, отклонение его по различным направлениям станет значительное сливнее. (Здесь можно вспомнить и всем известный факт: солнечный луч, пропикший через щель в занавеске, виден нам сбоку по светящимся в нем пылинкам.)
Из этого опыта можно сделать вывод, что свет, распространяясь в однородной жидкости, не рассеивается (или рассеивается очень слабо).
Теперь будем добавлять в воду по каплям молоко и хорошего размера жидкость. Частчики жира, содержащeros в молоке, не расторяются в воде, а находятся там во взвешенном состоянии. Уже после добавления первых капель рассеянный свет станет виден гораздо лучше. Обратите внимание — он имеет голубоватый оттенок. (Иногда наблюдается такой же эффициент, если в легком тумане вы смотрите сбоку на свет фар проезджающий машины.)
Постепенно увеличивая концентрацию молока, мы увидим, что голубоватый свет рассеянного света смешался в конце пути на желтоватый или даже красноватый. Окрашенным в также же света будет и свет, проездший через сосуд.
При большом количестве молока рассеянный свет становится белым.
Можно сделать еще несколько выводов: нарушение однородности жидкости добавлением в нее весма малых части приводит к увеличению рассеяния, при этом синей свет рассеяется сливнее, а красный слабое, так что белый свет, проездший сквозь такую жидкость, «обогащается» красным цветом; если же частичень много и они образуют целые скопления, рассеянный свет оказывается белым.
II. Качественное объяснение оптового можно понять, если опираться на такие факты:
a) Любой электрический заряд, движущая ускоренно (например, колеблющая), излучает электромагнитные волны. Излучение тем более интенсивно, чем больше ускорение (частика колебания).
b) Электромагнитная волна в каждой точке среды, куда она дошла, создает переменное электромагнитное поле.
b) Волны от зарядов, колеблющихся с одной частью, складываются таким образом, что в один точках они могут усиливать, а в других гастить друг друга.
г) Свет представляет собой электромагнитные волны. Видимый белый свет — набор электромагнитных волн, в котором смаям малая длина волны у фиолетового и синero цвета (), а смаяя больше — у желтого и красного ().
Когда свет проходит через однородную среду, его переменное поле возбуждает колебания электронов в atomах, и они начинают смыть электромагнитные волны той же частицы. Но, как показывает расчет, их излучение газит друг друга во всех направлениях, кроме направления расспространения света. При идеальной однородности среды мы вовсе не увидели бы рассеяного света.
Другое дело, когда среда недородна. Наличие недородностей создаетсовсемины условия для сложения вторичных волн и возникнет рассеяние света по различным направлениям.
Если недородности неевелики по размерам (много меньше длины волны падающего света), рассеяние света описывается законом, открытом в 1871 году англійским физиком Рэлеем: интенсивность рассеяного света прямо пропорциональна четвертой степени частицы (обратно пропорциональна четвертой степени волны). Следовательно, голубой свет рассеяется гораздо сильнее, чем газую окруженную света, а цвет проездшего через жидкость оказывается оказылся красноватым. Типдаль так описывается в эффицике: «Мы наблюдали синий цвет, который содержи