Bất ngờ về kính xanh

2

V. Nhà máy

bất ngờ
kính xanh

Kính xanh có màu gì?

Câu hỏi này có thể gây ra cảm giác vô gia cư tự nhiên. Người đọc sẽ bực bội nói: kính xanh được gọi là xanh vì nó… Tuy nhiên, không cần thiết phải vội vàng giải thích trịch thượng. Một kinh nghiệm đơn giản sẽ cho bạn thấy rằng câu hỏi về màu sắc của kính xanh hoàn toàn không đơn giản như vậy.

Nếu bạn có một mảnh thủy tinh màu xanh lá cây, hãy cẩn thận bẻ nó thành nhiều mảnh không nhỏ. Sau đó, nhìn qua một trong số chúng ở dây tóc của đèn sợi đốt. Đúng như bạn mong đợi, sợi chỉ sẽ có màu xanh lục (Hình 1). Đặt mảnh thủy tinh thứ hai lên mảnh này và nhìn lại sợi chỉ.

Bạn có thể sẽ không nhận thấy sự thay đổi về màu sắc của sợi chỉ; nó vẫn sẽ xanh. Nhưng nếu bạn đặt cái thứ ba lên hai mảnh thủy tinh và nhìn qua sợi chỉ của cả ba mảnh, bạn sẽ thấy nó đã không còn màu và có màu hơi trắng. Qua bốn mảnh, sợi chỉ sẽ có màu đỏ, và qua phần gót của các mảnh, nó sẽ có màu đỏ hồng ngọc!

Kết quả hoàn toàn bất ngờ và rất ấn tượng. Hóa ra màu sắc của kính phụ thuộc vào độ dày, và kính có màu xanh lá cây ở một lớp mỏng sẽ chuyển sang màu đỏ khi lớp đó đủ dày. Tất nhiên, không phải loại kính xanh nào cũng có đặc tính này mà chỉ có hai loại kính xanh phổ biến nhất.

Điều đáng tò mò là tính chất tương tự vốn có trong giải pháp của vấn đề quan trọng nhất

4

Hình 3. Ngắm phong cảnh xanh qua cặp kính xanh lam.

Hình 4. Cuộc sống đời thường không phải do Newton thực hiện. Khi ánh sáng trắng đi qua một nêm hỏa kế, các tia màu lục và đỏ sẽ vẫn còn trong quang phổ.

Các trận chiến thực sự là một tấm kính xanh, độ dày của nó tăng dần từ đầu này sang đầu kia. Nêm di chuyển trong một trục gá kim loại có độ lệch để quan sát thân đèn sợi đốt. Thang đo nhiệt độ được đánh dấu dọc theo mép của nêm, với nhiệt độ tăng dần từ đầu mỏng của nêm đến đầu dày. Sau khi chỉ điểm từ chối của trục gá vào thân nóng, cần phải di chuyển nêm trong trục gá cho đến khi xảy ra sự thay đổi về màu sắc nhìn thấy được của thân. Sau đó, trên thang đo được chỉ định, nối với trục gá, bạn có thể đọc được nhiệt độ của vật nóng.

Nêm đo nhiệt độ đặc biệt thường được sử dụng để xác định nhiệt độ của kim loại nóng chảy, chẳng hạn như trong lò nung lộ thiên. Mặc dù có thiết kế đơn giản nhưng chiếc nêm ở tay người có kinh nghiệm cho độ chính xác cao.

Bạn đã làm quen với nguyên lý hoạt động của một thiết bị hữu ích, đặc tính sử dụng của kính xanh, nhưng bản thân bí ẩn của chiếc kính vẫn còn là một bí ẩn.

Cuộc sống đời thường không phải do Newton tạo ra và tranh phong cảnh

Chắc hẳn nhiều bạn còn nhớ thí nghiệm mang tính bước ngoặt của Newton về sự phân hủy tia mặt trời thành quang phổ nhiều màu bằng lăng kính thủy tinh. Thí nghiệm này cho thấy ánh sáng mặt trời là hỗn hợp của các tia có màu sắc khác nhau: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Vì lý do nào đó, Newton đã không cố gắng điều chỉnh phần nào thí nghiệm này: đặt thủy tinh màu hoặc một bình đựng chất lỏng màu trên đường đi của tia nắng. Dù thế nào đi nữa, Newton không mô tả trải nghiệm như vậy trong các bài viết của mình.

Trên thực tế, sống với kính đỏ sẽ không mang lại điều gì thú vị. Thay vì một dải quang phổ nhiều màu, chỉ còn lại phần tương ứng với tia đỏ. Kết quả có thể đã được dự đoán trước: kính đỏ có màu đỏ vì nó chỉ truyền các tia đỏ và hấp thụ tất cả các tia khác.

5

Thú vị hơn nhiều là thí nghiệm với thủy tinh xanh hoặc một bình chứa đầy dung dịch diệp lục. Trong những trường hợp này, phổ của trạng thái còn lại không còn là một mà là hai sọc: xanh lục và đỏ sẫm. Điều này có nghĩa là dung dịch thủy tinh xanh và diệp lục không chỉ truyền tia xanh mà còn cả tia đỏ.

Về chất diệp lục, nhận xét của nhà thực vật học nổi tiếng người Nga K. A. Timirzev rất thú vị: “Bạn có thể chắc chắn rằng chất diệp lục truyền tia đỏ rất dễ dàng: nên đặt nó trên một phong cảnh tràn ngập ánh sáng mặt trời thông qua một tấm kính màu xanh lam đặc biệt (Hình 3), truyền các tia màu đỏ và xanh lam, nhưng vẫn giữ lại các tia màu xanh lá cây, để trước mắt chúng ta nghiên cứu, toàn bộ thiên nhiên biến đổi hoàn toàn - dưới một bức ảnh chung, chúng ta sẽ thấy thảm thực vật màu đỏ như máu. chất diệp lục nằm đằng sau những khó khăn mà bức tranh phong cảnh phải vật lộn rất nhiều? Trên bảng màu của họa sĩ, rõ ràng là không có tông màu xanh lá cây nào mà cây xanh được chiếu sáng rực rỡ thể hiện ở cự ly gần.”

Tuy nhiên, bây giờ chúng ta hãy tạm gác việc vẽ tranh sang một bên và quay trở lại với hình nêm tự nhiên. Ở đây chúng ta có thể thấy một chút về dây tóc của đèn sợi đốt và chúng ta nhận ra giữa nó và một cái nêm (Hình 4). Trên tường, chúng ta lại nhìn thấy hai sọc - xanh lá cây và đỏ, và sự tương ứng của các sọc này sẽ phụ thuộc vào độ dày của nêm tại điểm mà chùm ánh sáng đi qua. Nếu chùm tia đi qua phần mỏng của nêm thì sọc xanh sáng hơn sọc đỏ rất nhiều. Khi độ dày của hình nêm tăng lên, độ sáng của cả hai sọc trở nên sáng hơn và bắt đầu từ một thời điểm nhất định, sọc đỏ trở nên sáng hơn sọc xanh lục. Khi sọc xanh sáng hơn sọc đỏ thì sợi chỉ có màu xanh lục; khi các sọc tương ứng nghịch đảo, sợi chỉ có màu đỏ. Khi độ sáng của các sọc bằng nhau thì mỗi sợi chỉ không màu.

Cứ như thể bí ẩn về tấm kính xanh đã được giải đáp. Tuy nhiên, vẫn chưa giải thích được tại sao khi độ dày kính ngày càng tăng, sự tương ứng giữa độ sáng của sọc đỏ và xanh lục lại bị đảo ngược. Hóa ra lời giải thích này xuất phát từ một định luật quan trọng của quang học, được một thủy thủ dũng cảm phát hiện ra cách đây nhiều năm.

Thuyền trưởng biển và tiến trình hình học

Thuyền trưởng người Pháp Pierre Bouguer, sống vào nửa đầu thế kỷ 18, có lẽ không phải là một thủy thủ đơn giản. Ông đã viết nhiều chuyên luận về thiết kế tàu, điều hướng và các ngành hàng hải khác. Viện Hàn lâm Khoa học Pháp đã trao cho Bouguer ba giải thưởng cho công việc của ông trong lĩnh vực hàng hải và bầu ông làm thành viên. Buger thừa hưởng sở thích khoa học biển từ cha mình, một giáo sư thủy văn.

Nếu Buger được thừa kế tham gia vào lĩnh vực biển, thì anh ta đã tự mình tiếp cận lĩnh vực quang học. Booger là người đầu tiên thu hút sự chú ý đến các vấn đề liên quan đến sự thay đổi ánh sáng và độ chiếu sáng. Ông đã phát minh ra những công cụ đầu tiên để đo ánh sáng và chứng minh rằng những giấc mơ về ánh sáng từ Mặt trời lớn hơn 300 nghìn lần so với những giấc mơ về ánh sáng từ Mặt trăng, và “Chuyên luận quang học” của ông chứa đựng một định luật rất quan trọng về sự suy giảm ánh sáng trong các vật thể hấp thụ.

Để hiểu ý nghĩa của luật này (nó còn được gọi là luật Bouguer), chúng ta sẽ sử dụng một phép tương tự không hợp lý lắm nhưng có tính trực quan từ lĩnh vực thể thao. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang có mặt trong một đội được chuẩn bị kém cho cuộc chạy dài bảy km. Việc tập luyện kém của những người tham gia bắt đầu ảnh hưởng đến họ ngay lập tức, và quy luật gây tò mò sau đây nhanh chóng được thiết lập - chỉ một phần ba số vận động viên chạy đã xuất phát một km cự ly nhất định là thêm nó vào cuối. 2187 người tham gia đã xuất phát, đến cuối km đầu tiên còn lại 729 người trên quãng đường, đến cuối km thứ hai - 243, đến cuối km thứ ba - 81, thứ tư - 27, thứ năm - 9, thứ sáu - 3. Cuối cùng, chỉ có một người chạy hoàn thành km selma, tuyên bố là người chiến thắng. Các giám khảo thậm chí không cần phải trang điểm

6

Hình 5. Minh họa việc áp dụng định luật Bouguer để giải thích sự thay đổi màu sắc của dây tóc đèn sợi đốt khi số lượng thấu kính xanh tăng lên.

Hình 6. Con mắt tinh tường của người nghệ sĩ Nga cổ đại đã nhận thấy sự thay đổi màu sắc ở độ sâu của các nếp gấp của vải, xảy ra do sự phản xạ lặp đi lặp lại.

gọi đồng hồ bấm giờ để xác định ai chạm đích đầu tiên.

Hãy viết số vận động viên đã chạy các quãng đường khác nhau:
2187, 729, 243, 81, 27, 9, 3,1.

Dễ dàng nhận thấy rằng những con số này buộc kẻ giết người phải tuân theo một cấp số nhân, trong đó mỗi số tiếp theo nhỏ hơn ba lần so với số trước ở bên trái nó.

Hãy quay trở lại từ thể thao đến quang học. Lấy một mảnh kính sơn. Giả sử nó truyền một phần ba ánh sáng tới nó. Hãy thêm một phần tương tự thứ hai. Nó sẽ truyền một phần ba quang thông đi qua mảnh đầu tiên, tức là một phần chín quang thông tới mảnh đầu tiên. Đặt một mảnh khác, chúng ta có được một phần thứ hai mươi bảy, v.v.

Rõ ràng là có thể thu được kết quả tương tự chỉ bằng cách nhân đôi độ dày của một mảnh kính, gấp đôi, v.v. Khi độ dày của kính tăng, tỷ lệ ánh sáng truyền qua giảm theo cấp số nhân.

Đây là định luật do Bouguer phát hiện. Trong ví dụ về người chạy bộ, chúng ta đã thấy các con số giảm nhanh chóng theo cấp số nhân như thế nào.

Thể thao hơn một chút

Được trang bị Định luật Bouguer, chúng ta có thể tự tin tấn công vào bí ẩn thủy tinh xanh. Tuy nhiên, trước tiên hãy nhớ lại về thể thao.

Những người mới chạy cự ly bảy km không thành công đã tự tin thách đấu một đội gồm các võ sư giàu kinh nghiệm. Các bậc thầy đã chấp nhận thử thách và thậm chí còn đề nghị

7

điều kiện rất hào phóng. Tất cả 2187 người mới bắt đầu và chỉ có 512 bậc thầy về vạch xuất phát. Đội chiến thắng là đội có nhiều vận động viên chạy nhất trước khi kết thúc km thứ bảy.

Cả hai đội đều mặc áo thi đấu có màu sắc khi thi đấu: đội mới bắt đầu mặc áo màu xanh lá cây, đội cao thủ mặc áo màu đỏ.

Sau km đầu tiên, người mới bắt đầu đã có được phần bên dành cho người mới bắt đầu. Từ đội mới bắt đầu, vẫn còn 729 vận động viên chạy như lần trước, và đội thạc sĩ có 256. Một số lượng lớn được giữ lại cho những người mới bắt đầu. Người hâm mộ của các võ sư có phần thất vọng trước việc một nửa số vận động viên của đội này ngay lập tức bị loại khỏi cuộc thi. Nhưng một trong những người Bolshevik, sau khi dùng bút chì thực hiện những phép tính đơn giản trên hộp giấy cói, đã tự tin tuyên bố rằng nếu mọi việc tiếp tục như vậy thì chủ nhân chắc chắn sẽ thắng.

Sau km thứ hai, còn lại 243 người ở phần “màu xanh” và 128 người dành cho phần “màu đỏ”. Sau km thứ ba, có 81 “quả xanh” và 64 “quân đỏ”. Tâm trạng của những người mới bắt đầu sa sút rõ rệt. Sau bốn km có 27 cái “xanh” và 32 cái “đỏ”. Mọi người đều kính trọng nhìn thầy bói với hộp thuốc lá.

Ba km còn lại chỉ khiến thất bại của “quân xanh” trở nên tồi tệ hơn. Sau km thứ năm có 9 “xanh”, 16 “đỏ”, sau km thứ sáu - 3 và 8. Cuối cùng, ở cuối km thứ bảy, một “xanh” và bốn “đỏ” đã về đích.

Hãy viết số người chạy ở cả hai đội:

2187, 729, 243, 81, 27, 9, 3, 1
512, 256, 128, 64, 32, 16, 8, 4.

Ở nét thứ hai, tỷ lệ của số tiếp theo với số trước bằng một cạnh, còn ở nét đầu tiên, như trước, là một phần ba. Hóa ra sự chênh lệch nhỏ về quân số này không chỉ đủ bù đắp cho số lượng chuyển giao ban đầu lớn hơn của đội xanh mà còn đưa đội đỏ giành chiến thắng. Tất cả những gì cần thiết là một khoảng cách đủ dài, ít nhất là bốn km. Ở khoảng cách ngắn hơn, quân xanh sẽ thắng.

Có một sự tương tự hoàn toàn trong hành vi của các tia xanh lục và đỏ cũng như các vật chạy “xanh lục” và “đỏ” (Hình 5). Thủy tinh xanh truyền tia màu đỏ sẫm tốt hơn thủy tinh xanh, và theo định luật Bougard, sự khác biệt về độ truyền của các tia này tăng nhanh khi độ dày của lớp thủy tinh tăng lên (“khoảng cách xa”).

Nhưng sau đó câu hỏi được đặt ra một cách tự nhiên: tại sao lại có thủy tinh trong một lớp mỏng của mỗi màu xanh lá cây, nếu nó truyền tia màu đỏ sẫm tốt hơn màu xanh lá cây? Điều này được giải thích là do đặc điểm quang phổ của nguồn sáng mà thí nghiệm được thực hiện: phần màu xanh lá cây trong quang phổ của thành phố sáng hơn phần màu đỏ sẫm (nhóm “xanh” và nhiều “đỏ”). Trong một lớp thủy tinh mỏng (“khoảng cách ngắn”), sự khác biệt về sự hấp thụ của tia màu đỏ sẫm và màu lục chưa lớn đến mức che đi cường độ ban đầu của tia màu lục. Vai trò chính được thực hiện bởi các tia màu xanh lá cây, mang lại màu sắc tương ứng.

Khi độ dày của kính ngày càng tăng, theo định luật Bougar, độ truyền của tia xanh giảm nhanh hơn nhiều so với tia đỏ sẫm (số lượng người chạy “xanh” và “đỏ” ở cự ly xa). Với độ dày đủ lớn, sự khác biệt trong quá trình truyền chùm tia lớn đến mức nó chồng lên quá trình chuyển đổi ban đầu của tia xanh thành cơn thịnh nộ và chỉ còn lại một nửa màu đỏ sẫm của toàn bộ quang phổ thực tế.

Vẫn chỉ xác định vai trò của nhiệt độ của vật nóng đỏ mà chúng ta nhìn vào tấm kính. Được biết, chúng ta làm nóng bất kỳ vật kim loại nào càng nóng thì chúng ta càng cho chúng nhiều ánh sáng. Không có gì ngạc nhiên khi họ nói: “Hãy mang nó đến nhiệt độ trắng.” Vì vậy, nếu không đủ nhiệt, bóng đèn sợi đốt sẽ tạo ra ánh sáng đỏ, trong khi ở nhiệt độ bình thường, các đường chân trời sẽ trắng hơn. Điều này được giải thích là do khi nhiệt độ tăng lên, cường độ của các tia màu lục và lam tăng nhanh hơn các tia màu đỏ.

8

Điều này có nghĩa là ở nhiệt độ cao hơn, sự chênh lệch độ sáng của phần màu xanh lá cây và màu đỏ sẫm của quang phổ sẽ lớn hơn và khó che phủ nó hơn bằng sự hấp thụ trong thủy tinh. Đây là lý do tại sao ở nhiệt độ cao hơn của vật nóng, thủy tinh không còn cần thiết để thay đổi màu sắc của bức xạ quan sát được nữa.

Mực Nga cổ và những quan sát của Leonardo da Vinci

Trên một số mực in cổ của Nga, họa tiết khác thường trên áo choàng của các vị thánh rất nổi bật. Các nếp gấp được sơn bằng sơn có màu khác hẳn với màu của phần nhẵn của áo choàng. Ví dụ: nếp gấp màu đỏ trên áo vest màu xanh lá cây (Hình 6) hoặc nếp gấp màu cam trên áo choàng màu xanh lam. Con mắt tinh tường của người đàn ông giàu có người Nga cổ đại nhận thấy rằng vải không dệt có hai màu và ở các nếp gấp có màu khác so với trên bề mặt phẳng. Lý do cho vải hai màu cũng giống như trong thí nghiệm với nêm hệ mét.

Nếu một chùm ánh sáng phản xạ từ vải hai màu được truyền qua lăng kính thì hai sọc màu chắc chắn sẽ tồn tại trong quang phổ. Đối với vải hai màu xanh lá cây, hình ảnh sẽ giống như trên kính xanh: sọc đỏ và xanh lá cây sẽ vẫn còn, các tia còn lại sẽ bị hấp thụ.

Vải hai màu xanh lá cây phản chiếu tia đỏ tốt hơn vải xanh lá cây, nhưng chỉ với một phản xạ duy nhất từ ​​bề mặt mịn của vải, tia xanh lục sẽ sáng hơn trong ánh sáng tới. Vì vậy, trong ánh sáng phản chiếu một lần, tia sáng xanh vẫn hiện diện.

Trong các nếp gấp của vải, ánh sáng trải qua ít nhất hai lần phản xạ liên tiếp. Trong lần phản xạ thứ hai, tia đỏ lại bị phản xạ mạnh hơn tia xanh lục và do phản xạ kép, điều tương tự xảy ra như trong tấm kính dày màu xanh lá cây: độ sáng của tia đỏ trở nên lớn hơn độ sáng của tia xanh lục và vải đổi màu. Nhiều phản xạ sẽ nghe thấy hiệu ứng này.

Hầu hết các loại vải thông thường đều có đặc tính hoàn toàn ngược lại. Các nếp gấp tạo ra tông màu bão hòa hơn nhưng giống với bề mặt phẳng. Điều này lại được giải thích bằng những suy ngẫm lặp đi lặp lại. Ánh sáng phản chiếu từ các loại vải như vậy, sau khi phân hủy các đặc tính, chỉ tạo ra một sọc trong quang phổ của hai sọc trên vải hai màu. Ví dụ, ánh sáng, một khi được phản chiếu từ nhung màu vàng, sẽ tạo ra một dải quang phổ rộng với phần sáng nhất là phần màu vàng. Ngoài ra, quang phổ còn chứa các tia màu lục và lam. Với sự phản xạ kép, dải quang phổ trở nên hẹp hơn, vì các tia xanh lam gần như biến mất hoàn toàn và các tia xanh lục bị suy yếu đi rất nhiều. Quy luật tiến triển hình học tương tự cũng có tác dụng. Kết quả là ánh sáng phản chiếu màu vàng cam trở nên bão hòa hơn.

Một trong những thiên tài đáng chú ý nhất từng sống, Leonardo da Vinci, không chỉ nhận thấy đặc điểm này của các nếp vải bằng con mắt nghệ sĩ của mình mà còn với tư cách là một nhà khoa học, đã đưa ra lời giải thích hoàn toàn chính xác về hiện tượng quan sát được. Trong chuyên luận về hội họa, ông viết: “Những màu sắc phản chiếu có vẻ đẹp đẹp hơn nhiều so với màu tự nhiên của những cơ thể này, như có thể thấy ở những nếp gấp mở của vải vàng… khi một bề mặt được phản chiếu theo một hướng khác, hướng về phía này, và hướng này trong đó, v.v. liên tiếp đến vô tận.”

Cuốn “Chuyên luận về hội họa” tương tự nói: “Phản xạ (phản xạ) từ một cơ thể sống nhận được ánh sáng từ một cơ thể sống khác có màu đỏ hơn và hoàn hảo hơn bất kỳ bộ phận nào khác của cơ thể sống mà một người có thể có.” Chiêm ngưỡng những bức tranh tuyệt vời của Van Dyck và Rubens trong hội trường của Leningrad Hermecca với niềm vui, có thể dễ dàng nhận thấy rằng ngay cả đối với những bậc thầy vĩ đại này, hiệu ứng của nhiều phản xạ không phải là một bí mật.