왜 흐린 하늘은 회색이고 맑은 하늘은 파란색인가요? 하늘의 색.
우리 모두는 하늘의 색깔이 가변적인 특성이라는 사실에 익숙합니다. 안개, 구름, 시간 등 모든 것이 머리 위 돔의 색상에 영향을 미칩니다. 그것의 일일 교대는 어린이에 대해서는 말할 수없는 대부분의 성인의 마음을 차지하지 않습니다. 그들은 왜 하늘이 물리적으로 푸른지, 무엇이 일몰을 붉게 만드는지 끊임없이 궁금해합니다. 그렇게 간단하지 않은 질문을 이해하려고 노력합시다.
변하기 쉬운
하늘이 실제로 무엇을 나타내는지에 대한 질문에 답하는 것부터 시작해 볼 가치가 있습니다. 고대 세계에서는 실제로 지구를 덮고 있는 돔으로 여겨졌습니다. 그러나 오늘날 호기심 많은 탐험가가 아무리 높이 올라도 이 돔에 도달할 수 없다는 사실을 아는 사람은 거의 없습니다. 하늘은 사물이 아니라, 행성의 표면에서 보면 펼쳐지는 파노라마, 빛이 엮어낸 일종의 모습이다. 또한, 다른 지점에서 관찰하면 다르게 보일 수도 있습니다. 그래서 구름 위로 올라가면 이때 지상에서 보는 것과는 전혀 다른 풍경이 펼쳐진다.
맑은 하늘은 파랗지만, 구름이 들어오면 회색, 납색 또는 더러운 흰색으로 변합니다. 밤하늘은 검고 때로는 붉은 부분이 보입니다. 이것은 도시의 인공 조명을 반영한 것입니다. 이러한 모든 변화의 이유는 빛과 공기 및 그 안에 있는 다양한 물질의 입자와의 상호 작용 때문입니다.
색상의 본질
물리학적 관점에서 하늘이 왜 파란색인지에 대한 질문에 대답하려면 우리는 어떤 색인지 기억해야 합니다. 이것은 특정 길이의 파동입니다. 태양에서 지구로 오는 빛은 흰색으로 보입니다. 뉴턴의 실험 이후로 그것은 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색, 파란색, 남색, 보라색의 일곱 광선으로 이루어진 광선이라는 것이 알려졌습니다. 색상은 파장에 따라 다릅니다. 빨간색-주황색 스펙트럼에는 이 매개변수에서 가장 인상적인 파동이 포함됩니다. 스펙트럼의 일부는 짧은 파장을 특징으로 합니다. 빛이 스펙트럼으로 분해되는 것은 다양한 물질의 분자와 충돌할 때 발생하며, 파동 중 일부는 흡수되고 일부는 산란될 수 있습니다.
원인 조사
많은 과학자들은 하늘이 왜 파란지 물리학적으로 설명하려고 노력해 왔습니다. 모든 연구자들은 지구 대기에서 빛을 산란시켜 결과적으로 푸른 빛만 우리에게 도달하는 현상이나 과정을 발견하려고 노력했습니다. 그러한 입자의 역할에 대한 첫 번째 후보는 물이었습니다. 붉은 빛을 흡수하고 푸른 빛을 투과시켜 우리가 푸른 하늘을 볼 수 있다고 믿었습니다. 그러나 후속 계산에 따르면 대기 중 오존, 얼음 결정 및 수증기 분자의 양은 하늘을 푸른색으로 나타낼 만큼 충분하지 않은 것으로 나타났습니다.
이유는 오염이다
연구의 다음 단계에서 John Tyndall은 먼지가 원하는 입자의 역할을 한다고 제안했습니다. 청색광은 산란에 대한 저항력이 가장 크기 때문에 먼지와 기타 부유 입자의 모든 층을 통과할 수 있습니다. Tindall은 자신의 가정을 확인하는 실험을 수행했습니다. 그는 실험실에서 스모그 모델을 만들고 밝은 백색광으로 조명했습니다. 스모그가 푸른 색조를 띠었습니다. 과학자는 자신의 연구에서 명확한 결론을 내렸습니다. 하늘의 색은 먼지 입자에 의해 결정됩니다. 즉, 지구의 공기가 깨끗하다면 사람의 머리 위의 하늘은 파란색이 아니라 흰색으로 빛날 것입니다.
영주의 연구
(물리학적 관점에서) 하늘이 왜 파란지에 대한 질문에 대한 마지막 논점은 영국 과학자인 Lord D. Rayleigh에 의해 제시되었습니다. 그는 우리가 익숙한 그늘 속에서 우리 머리 위 공간을 물들이는 것은 먼지나 스모그가 아니라는 것을 증명했다. 그것은 공중 그 자체에 있습니다. 가스 분자는 적색과 동일한 가장 긴 파장을 대부분 흡수합니다. 파란색이 소멸됩니다. 이것이 바로 오늘 우리가 맑은 날씨에 보는 하늘의 색깔을 설명하는 방법입니다.
주의 깊은 사람들은 과학자들의 논리에 따라 돔 머리 위가 보라색이어야 한다는 것을 알게 될 것입니다. 왜냐하면 이 색상은 가시 범위에서 가장 짧은 파장을 갖기 때문입니다. 그러나 이것은 실수가 아닙니다. 스펙트럼에서 보라색의 비율은 파란색보다 훨씬 작으며 인간의 눈은 파란색에 더 민감합니다. 사실, 우리가 보는 파란색은 파란색과 보라색 및 기타 색상을 혼합한 결과입니다.
일몰과 구름
하루 중 다양한 시간에 하늘의 다양한 색상을 볼 수 있다는 것은 누구나 알고 있습니다. 바다나 호수 위로 아름다운 일몰 사진이 이를 완벽하게 보여줍니다. 파란색과 진한 파란색이 결합된 온갖 종류의 빨간색과 노란색 색조가 이러한 광경을 잊을 수 없게 만듭니다. 그리고 그것은 동일한 빛의 산란으로 설명됩니다. 사실은 일몰과 새벽 동안 태양 광선이 낮의 높이보다 대기를 통해 훨씬 더 긴 경로를 이동해야 한다는 것입니다. 이 경우 스펙트럼의 청록색 부분에서 나오는 빛은 서로 다른 방향으로 산란되고 수평선 근처에 있는 구름은 빨간색 음영으로 표시됩니다.
하늘이 흐려지면 그림이 완전히 달라집니다. 조밀한 층을 극복할 수 없으며 대부분은 단순히 땅에 닿지 않습니다. 구름을 통과한 광선은 비와 구름의 물방울과 만나 다시 빛을 왜곡시킵니다. 이러한 모든 변형의 결과로 구름의 크기가 작으면 흰색 빛이 지구에 도달하고, 두 번째로 광선의 일부를 흡수하는 인상적인 구름으로 하늘이 덮여 있으면 회색 빛이 지구에 도달합니다.
다른 하늘
태양계의 다른 행성에서는 표면에서 보면 지구와는 매우 다른 하늘을 볼 수 있다는 것이 흥미 롭습니다. 대기가 없는 우주 물체에서는 태양 광선이 자유롭게 표면에 도달합니다. 그 결과 이곳의 하늘은 그늘 하나 없이 검은색이다. 이 사진은 달, 수성, 명왕성에서 볼 수 있습니다.
화성의 하늘은 붉은 오렌지색을 띠고 있습니다. 그 이유는 행성의 대기를 채우고 있는 먼지에 있습니다. 빨간색과 주황색의 다양한 색조로 칠해져 있습니다. 태양이 수평선 위로 떠오르면 화성의 하늘은 분홍빛이 도는 붉은색으로 변하는 반면, 발광체 원반 바로 주변 영역은 파란색 또는 보라색으로 나타납니다.
토성 위의 하늘은 지구와 같은 색입니다. 청록색 하늘이 천왕성 위로 펼쳐져 있습니다. 그 이유는 상부 행성에 위치한 메탄 안개에 있습니다.
금성은 빽빽한 구름층에 의해 연구자들의 눈에 숨겨져 있습니다. 청록색 스펙트럼의 광선이 행성 표면에 도달하는 것을 허용하지 않으므로 여기의 하늘은 수평선을 따라 회색 줄무늬가 있는 노란색-주황색입니다.
낮 동안 머리 위 공간을 탐험하는 것은 별이 빛나는 하늘을 연구하는 것만큼 경이로움을 드러냅니다. 클라우드와 그 뒤에서 발생하는 프로세스를 이해하면 일반인에게 매우 친숙한 일의 이유를 이해하는 데 도움이 되지만 모든 사람이 즉시 설명할 수는 없습니다.
하늘의 색깔은 날씨 조건에 따라 흰색에서 강렬한 파란색까지 다양합니다. 하늘의 색깔을 설명하는 이론은 레일리(Rayleigh)에 의해 개발되었습니다.
이 이론에 따르면 하늘의 색깔은 공기 분자와 작은 먼지 입자에서 반복적으로 반사되는 태양 광선이 대기에 산란된다는 사실로 설명됩니다. 서로 다른 길이의 광파는 분자에 따라 다르게 산란됩니다. 공기 분자는 주로 가시 태양 스펙트럼의 단파장 부분, 즉 파란색, 남색, 보라색 광선으로, 스펙트럼의 보라색 부분의 강도가 파란색 및 파란색 부분에 비해 낮기 때문에 하늘이 파란색 또는 파란색으로 나타납니다.
하늘의 상당한 밝기는 지구 대기의 두께가 상당히 두껍고 빛이 수많은 분자에 의해 산란된다는 사실로 설명됩니다.
예를 들어, 높은 고도에서는 우주선에서 관찰할 때 대기의 희박한 층이 관찰자의 머리 위에 남아 빛을 산란시키는 분자 수가 적어지고 결과적으로 하늘의 밝기가 감소합니다. 하늘은 더 어두워 보이고 고도가 높아짐에 따라 색상이 변합니다. 하늘은 더 어두워 보이며, 고도가 높아질수록 하늘색은 진한 파란색에서 진한 보라색으로 변합니다. 분명히 더 높은 고도와 대기권 밖에서는 관찰자에게 하늘이 검게 보입니다.
공기에 상대적으로 큰 입자가 많이 포함되어 있으면 이러한 입자도 더 긴 광파를 산란시킵니다. 이 경우 하늘은 희끄무레한 색을 띠게 됩니다. 구름을 구성하는 큰 물방울, 즉 물 결정은 모든 스펙트럼 색상을 대략 동일하게 산란하므로 흐린 하늘은 옅은 회색을 띕니다.
이는 기상 조건과 이에 상응하는 노보쿠즈네츠크 시의 하늘 색상이 기록된 관찰을 통해 확인됩니다.
11월 28~29일 하늘색의 특징적인 색조는 온도가 낮아지고 바람이 부족하여 공기에 집중되는 산업 배출물이 존재하기 때문입니다.
하늘의 색깔은 지구 표면의 성질과 색깔, 대기의 밀도에 의해서도 영향을 받습니다.
높이에 따라 대기 밀도가 감소하는 지수 법칙.
기압 공식은 일반적으로 고도에 따른 대기 밀도 감소를 설명합니다. 바람, 대류 또는 온도 변화를 고려하지 않습니다. 또한 높이에 대한 가속도 g의 의존성을 무시할 수 있도록 높이가 너무 높아서는 안 됩니다.
기압 공식은 오스트리아 물리학자 루트비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)의 이름과 관련이 있습니다. 그러나 높이에 따른 공기 밀도 감소의 기하급수적 특성에 대한 첫 번째 징후는 실제로 대기 중 빛의 굴절에 대한 뉴턴의 연구에 포함되어 있으며 업데이트된 굴절표를 편집하는 데 사용되었습니다.
제시된 그래프는 천문 굴절을 연구하는 과정에서 높이에 따른 대기 굴절률 변화의 일반적인 특성에 대한 아이디어가 어떻게 개선되었는지 보여줍니다.
- 케플러의 이론과 일치한다
- 뉴턴의 굴절 이론
- 대기의 빛 굴절에 대한 세련된 뉴턴 이론과 현대 이론
대기 중 빛의 굴절
대기는 광학적으로 불균일한 매체이므로 대기 중 광선의 궤적은 항상 어느 정도 곡선입니다. 대기를 통과할 때 광선이 휘어지는 현상을 대기에서 빛의 굴절이라고 합니다.
천문굴절과 지상굴절이 있습니다. 첫 번째 경우에는 천체에서 지구 관측자에게 오는 광선의 곡률이 고려됩니다. 두 번째 경우에는 지구 물체에서 관찰자에게 오는 광선의 곡률이 고려됩니다. 두 경우 모두 광선의 휘어짐으로 인해 관찰자는 현실과 일치하지 않는 방향으로 물체를 볼 수 있습니다. 개체가 왜곡되어 나타날 수 있습니다. 실제로 지평선 뒤에 있는 물체도 관찰하는 것이 가능합니다. 따라서 지구 대기의 빛 굴절은 독특한 착시 현상을 일으킬 수 있습니다.
대기가 동일한 두께의 광학적으로 균일한 수평층 세트로 구성되어 있다고 가정해 보겠습니다. 굴절률은 한 층에서 다른 층으로 급격하게 변하며, 상위층에서 하위층으로 갈수록 점차 증가합니다. 이 순전히 추측적인 상황이 표시됩니다.
실제로 대기의 밀도와 그에 따른 굴절률은 높이에 따라 변하는 것이 아니라 지속적으로 변합니다. 그러므로 광선의 궤적은 파선이 아니라 곡선이다.
그림에 표시된 광선이 일부 천체에서 관찰자에게 전달된다고 가정해 보겠습니다. 대기 중에 빛의 굴절이 없다면 이 물체는 각도 ά에서 관찰자에게 보일 것입니다. 굴절로 인해 관찰자는 물체를 각도 ά가 아닌 각도 ψ로 봅니다. Φ ά이므로 물체는 실제보다 수평선 위로 더 높게 보입니다. 즉, 관측된 물체의 천정 거리는 실제 천정 거리보다 작습니다. 차이 Ώ = ά - ψ를 굴절각이라고 합니다.
현대 데이터에 따르면 최대 굴절각은 35인치입니다.
관찰자가 일몰을 관찰하면서 발광체의 아래쪽 가장자리가 수평선에 어떻게 닿았는지 볼 때 실제로 이 가장자리는 이미 수평선보다 35인치 아래에 있습니다. 흥미롭게도 태양 디스크의 위쪽 가장자리는 다음과 같이 올라갑니다. 굴절이 약함 - 단지 29". 따라서 지는 태양은 수직으로 약간 편평하게 보입니다.
놀라운 일몰
빛의 굴절을 고려할 때 높이에 따른 공기 밀도의 체계적인 변화와 함께 여러 가지 추가 요소를 고려해야 하며 그 중 많은 요소는 본질적으로 매우 무작위적입니다. 우리는 대류와 바람의 공기 굴절률, 지구 표면의 여러 부분에 대한 대기의 여러 지점에서의 기온에 대한 영향에 대해 이야기하고 있습니다.
대기 상태의 특징과 무엇보다도 지구 표면의 여러 부분에 걸쳐 하층의 대기 가열 특징으로 인해 관찰되는 일몰이 독특해집니다.
블라인드 레인. 때때로 태양은 수평선 뒤가 아니라 수평선 위에 위치한 보이지 않는 선 뒤에 지는 것처럼 보입니다. 이 현상은 지평선에 구름이 없을 때 관찰됩니다. 이때 언덕 꼭대기에 올라가면 더욱 낯선 그림을 볼 수 있습니다. 이제 태양이 수평선 너머로 지고 있지만 동시에 태양 디스크는 수평의 "블라인드 스트립"에 의해 잘려진 것처럼 보입니다. 수평선과 관련된 위치는 변경되지 않습니다. 목격자들에 따르면 이러한 특이한 일몰은 예를 들어 Primorsky Territory의 Bolshoy Kamen 마을과 Krasnodar Territory의 Sochi 마을과 같은 다양한 지리적 지역에서 볼 수 있습니다.
이 그림은 지구 근처의 공기가 차갑고 그 위에 상대적으로 따뜻한 공기층이 있는 경우 관찰됩니다. 이 경우 공기의 굴절률은 대략 그래프에 표시된 것처럼 높이에 따라 변합니다. 낮은 차가운 공기층에서 그 위에 있는 따뜻한 공기층으로의 전환은 굴절률이 다소 급격하게 떨어질 수 있습니다. 단순화를 위해 우리는 이러한 감소가 갑자기 발생하고 따라서 지구 표면 위의 특정 높이 h1에 위치한 차가운 층과 따뜻한 층 사이에 명확하게 정의된 경계면이 있다고 가정합니다. 그림에서 nx는 차가운 층의 공기 굴절률을 나타내고 nt는 차가운 층과의 경계 근처에 있는 따뜻한 층의 굴절률을 나타냅니다.
공기의 굴절률은 1과 거의 다르지 않으므로 명확성을 높이기 위해 이 그림의 수직축은 굴절률 자체의 값이 아니라 1에 대한 초과분, 즉 차이 n-1.
그림 4b)에 제시된 굴절률 변화 그림은 그림 5의 광선 경로를 구성하는 데 사용되었으며, 이는 구 표면의 일부와 두께 hο의 차가운 공기의 인접한 층을 묘사합니다.
ø를 0부터 점차적으로 늘리면 각도 α2도 증가합니다. 특정 값 ψ = ψ'에서 각도 α2는 차가운 층과 따뜻한 층의 경계에서 내부 전반사에 해당하는 제한 각도 αο와 동일해진다고 가정합니다. 이 경우 sin α1 = 1입니다. 각도 αο는 그림 5의 빔 BA에 해당합니다. 수평과 각도 β = 90˚ - ψ'를 형성합니다. 관찰자는 수평선 위의 각도 높이가 점 B의 각도 높이보다 작은 지점에서 차가운 층으로 들어가는 광선을 수신하지 않습니다. 각도 β보다 작습니다. 이것은 사각지대를 설명합니다.
그린 레이. 녹색 광선은 매우 눈부신 녹색 빛의 섬광으로, 때때로 일몰과 일출 시에 관찰됩니다. 플래시 지속 시간은 1~2초에 불과합니다. 현상은 다음과 같습니다. 태양이 맑은 하늘에 지고 공기가 충분히 투명하면 태양의 마지막 가시 지점이 옅은 노란색 또는 주황색-빨간색에서 밝은 녹색으로 빠르게 색상이 변하는 모습을 때때로 관찰할 수 있습니다. 일출에서도 동일한 현상을 관찰할 수 있지만 색상이 역순으로 번갈아 나타납니다.
녹색 광선의 출현은 빛의 주파수에 따른 굴절률의 변화를 고려하여 설명할 수 있습니다.
일반적으로 굴절률은 주파수가 증가함에 따라 증가합니다. 굴절률이 높은 광선은 더 강합니다. 이는 청록색 광선이 적색 광선에 비해 더 강한 굴절을 겪는다는 것을 의미합니다.
대기 중에 빛의 굴절은 있지만 빛의 산란은 없다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 수평선 근처 태양 디스크의 위쪽과 아래쪽 가장자리는 무지개 색상으로 색칠되어야 합니다. 햇빛의 스펙트럼에는 녹색과 빨간색의 두 가지 색상 만 있다고 가정합니다. 이 경우 "흰색" 태양 디스크는 녹색과 빨간색 디스크가 서로 겹쳐진 형태로 간주될 수 있습니다. 대기 중 빛의 굴절로 인해 녹색 원반이 빨간색 원반보다 수평선 위로 더 많이 올라갑니다. 따라서 관찰자는 그림 1에 보이는 것처럼 지는 태양을 보아야 합니다. 6a) . 태양 디스크의 위쪽 가장자리는 녹색이고 아래쪽 가장자리는 빨간색입니다. 디스크의 중앙 부분에는 여러 색상이 혼합되어 있는 것이 관찰됩니다. 흰색이 관찰됩니다.
실제로 대기 중 빛의 산란을 무시할 수는 없습니다. 이는 더 높은 주파수의 광선이 태양에서 나오는 광선에서 더 효율적으로 제거된다는 사실로 이어집니다. 그러면 디스크 상단의 녹색 테두리가 보이지 않게 되고, 디스크 전체가 흰색이 아닌 붉은색으로 보이게 됩니다. 그러나 거의 전체 태양 디스크가 수평선 너머로 이동하고 맨 위쪽 가장자리만 남아 있고 날씨가 맑고 고요하고 공기가 깨끗하다면 이 경우 관찰자는 태양의 밝은 녹색 가장자리를 볼 수 있습니다. 밝은 녹색 광선의 산란과 함께
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길거리에서 놀다가 하늘을 본 적이 있는데, 그것은 특별했습니다. 바닥이 없고 끝이 없고 파랗고 파랗습니다! 그리고 구름만이 이 푸른색을 살짝 덮었습니다. 하늘은 왜 파란색일까요? 피노키오 동화 '파란 하늘이여...!'에 나오는 여우 앨리스의 노래가 문득 생각났어요. 그리고 "날씨"라는 주제를 공부하면서 하늘의 상태를 설명하고 파란색이라고 말한 지리 수업도 있습니다. 그러면 결국 하늘은 왜 파란색일까요? 집에 돌아와서 어머니에게 이런 질문을 했습니다. 그녀는 사람들이 울 때 하늘에 도움을 구한다고 말했습니다. 하늘은 그들의 눈물을 빼앗아 호수처럼 파랗게 변한다. 하지만 어머니의 이야기는 내 질문을 만족시키지 못했습니다. 나는 반 친구들과 선생님들에게 하늘이 왜 파란지 아느냐고 물어보기로 했습니다. 설문조사에는 학생 24명과 교사 17명이 참여했다. 설문지를 처리한 후 다음과 같은 결과를 얻었습니다.
학교에서 지리 수업을 듣다가 선생님께 이런 질문을 했습니다. 그녀는 하늘의 색깔은 물리학의 관점에서 쉽게 설명될 수 있다고 대답했습니다. 이러한 현상을 분산이라고 합니다. Wikipedia에서 저는 분산이 빛을 스펙트럼으로 분해하는 과정이라는 것을 배웠습니다. 지리학 교사인 Larisa Borisovna는 제가 이 현상을 실험적으로 관찰할 것을 제안했습니다. 그리고 우리는 물리학실로 갔습니다. 물리학 교사인 Vasily Aleksandrovich는 이를 돕기 위해 기꺼이 동의했습니다. 특수장비를 이용하여 자연에서 분산과정이 어떻게 일어나는지 추적할 수 있었습니다.
하늘이 파란 이유에 대한 답을 찾기 위해 우리는 연구를 진행하기로 결정했습니다. 이것이 프로젝트 작성 아이디어가 나온 방법입니다. 우리는 지도교수와 함께 연구 주제, 목적, 목표를 결정하고 가설을 제시하고 아이디어 구현을 위한 연구 방법과 메커니즘을 결정했습니다.
가설: 빛은 태양에 의해 지구로 보내지며, 우리가 그것을 볼 때 가장 자주 눈부시게 하얗게 보입니다. 하늘이 하얗다는 뜻인가요? 하지만 실제로는 하늘이 파랗습니다. 연구 과정에서 우리는 이러한 모순에 대한 설명을 찾을 것입니다.
표적: 하늘이 왜 파란지 질문에 대한 답을 찾고 그 색깔이 무엇에 달려 있는지 알아보세요.
작업: 1. 주제에 대한 이론적 자료를 숙지하십시오.
2. 빛의 분산 현상을 실험적으로 연구
3. 하루 중 다양한 시간대와 기상 조건에 따라 하늘의 색을 관찰하세요.
연구대상: 하늘
안건:하늘의 빛과 색
연구 방법:분석, 실험, 관찰
작업 단계:
1. 이론적
2. 실용성
3. 최종: 연구 주제에 대한 결론
작업의 실질적인 중요성: 연구자료는 지리, 물리학 수업의 교육 모듈로 활용될 수 있습니다.
2. 주요 부분.
2.1. 문제의 이론적 측면. 물리학의 관점에서 본 푸른 하늘 현상
하늘은 왜 파란색입니까? 그러한 간단한 질문에 대한 답을 찾는 것은 매우 어렵습니다. 먼저 개념을 정의해보자. 하늘은 지구 위의 공간이나 다른 천체의 표면입니다. 일반적으로 하늘은 지구(혹은 다른 천체)의 표면에서 우주를 향해 바라볼 때 펼쳐지는 파노라마를 흔히 하늘이라고 부른다.
많은 과학자들이 답을 찾기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 벽난로의 불을 지켜보던 레오나르도 다 빈치는 이렇게 썼습니다. “어둠 위의 빛은 파랗게 된다.” 그러나 오늘날에는 흰색과 검정색을 혼합하면 회색이 생성되는 것으로 알려져 있습니다.
쌀. 1. 레오나르도 다빈치의 가설
아이작 뉴턴은 하늘의 색깔을 거의 설명할 뻔했지만, 그러기 위해서는 대기에 포함된 물방울이 비눗방울처럼 얇은 벽을 가지고 있다고 가정해야 했습니다. 그러나 이 방울들은 구형이라는 것이 밝혀졌습니다. 이는 벽 두께가 없음을 의미합니다. 그래서 뉴턴의 거품은 터졌다!
쌀. 2. 뉴턴의 가설
이 문제에 대한 최선의 해결책은 약 100년 전 영국의 물리학자 존 레일리 경(Lord John Rayleigh)이 제안했습니다. 하지만 처음부터 시작해보자. 태양은 눈부신 흰색 빛을 발산하는데, 이는 하늘의 색이 같아야 하지만 여전히 파란색임을 의미합니다. 대기 중 백색광은 어떻게 되나요? 마치 프리즘을 통과한 것처럼 대기를 통과하면 일곱 가지 색으로 나누어집니다. 당신은 아마도 다음 줄을 알고 있을 것입니다. 모든 사냥꾼은 꿩이 어디에 앉아 있는지 알고 싶어합니다. 이 문장들에는 깊은 뜻이 숨겨져 있습니다. 이는 가시광선 스펙트럼의 기본 색상을 나타냅니다.
쌀. 3. 백색광의 스펙트럼.
이 스펙트럼을 가장 자연스럽게 보여주는 것은 물론 무지개입니다.
쌀. 4 가시광선 스펙트럼
가시광선은 파장이 서로 다른 전자기파입니다. 눈에 보이지 않는 빛도 있는데, 우리 눈이 그것을 인지하지 못합니다. 이들은 자외선과 적외선입니다. 길이가 너무 길거나 너무 짧기 때문에 보이지 않습니다. 빛을 본다는 것은 그 색을 인식한다는 것을 의미하지만, 우리가 보는 색은 파장에 따라 달라집니다. 가장 긴 가시파는 빨간색이고 가장 짧은 파동은 보라색입니다.
빛이 산란되는 능력, 즉 매체 내에서 전파되는 능력도 파장에 따라 달라집니다. 붉은색 광파는 산란이 가장 심하지만 파란색과 보라색은 산란 능력이 높습니다.
쌀. 5. 광산란 능력
그리고 마지막으로, 우리는 왜 하늘이 파란색인가?라는 질문에 대한 답에 가까워졌습니다. 위에서 언급했듯이 흰색은 가능한 모든 색상의 혼합입니다. 가스 분자와 충돌하면 백색광의 7가지 색상 구성 요소가 각각 산란됩니다. 동시에, 파장이 긴 빛은 파장이 짧은 빛보다 더 심하게 산란됩니다. 이 때문에 대기 중에는 빨간색보다 파란색 스펙트럼이 8배 더 많이 남아 있습니다. 보라색은 파장이 가장 짧지만 보라색과 녹색 파장이 혼합되어 있기 때문에 하늘은 여전히 파란색으로 보입니다. 또한 우리의 눈은 보라색과 파란색의 밝기가 동일할 때 보라색보다 파란색을 더 잘 인식합니다. 하늘의 색 구성표를 결정하는 것은 이러한 사실입니다. 대기는 말 그대로 청청색 광선으로 가득 차 있습니다.
그러나 하늘이 항상 푸른 것은 아닙니다. 낮에는 하늘이 파란색, 청록색, 회색, 저녁에는 빨간색으로 보입니다. (부록 1).일몰은 왜 빨간색일까요? 일몰 동안 태양은 수평선에 접근하고 태양 광선은 낮과 같이 수직이 아닌 비스듬히 지구 표면을 향합니다. 따라서 대기를 통과하는 경로는 태양이 높은 낮에 걸리는 경로보다 훨씬 깁니다. 이로 인해 청청 스펙트럼은 지구에 도달하기 전에 대기에 흡수되고, 적색 스펙트럼의 더 긴 광파가 지구 표면에 도달하여 하늘을 빨간색과 노란색 톤으로 물들입니다. 하늘색의 변화는 분명히 축을 중심으로 한 지구의 회전, 즉 지구에 대한 빛의 입사각과 관련이 있습니다.
2.2. 실용적인 측면. 문제를 해결하기 위한 실험적인 방법
물리학 수업에서 나는 분광기 장치에 대해 알게 되었습니다. 물리학 교사인 바실리 알렉산드로비치(Vasily Aleksandrovich)는 나에게 이 장치의 작동 원리를 알려주었고 그 후 나는 독립적으로 분산이라는 실험을 수행했습니다. 프리즘을 통과한 백색광선이 굴절되어 화면에 무지개가 나타납니다. (부록 2).이 경험은 제가 이 놀라운 자연의 창조물이 하늘에 어떻게 나타나는지 이해하는 데 도움이 되었습니다. 분광기의 도움으로 오늘날 과학자들은 다양한 물질의 구성과 특성에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
사진 1. 분산 경험 시연
물리학실
집에 무지개를 갖고 싶었어요. 나의 지리 선생님인 Larisa Borisovna가 이를 수행하는 방법을 알려주었습니다. 분광기의 유사품은 물, 거울, 손전등 및 흰색 종이가 담긴 유리 용기였습니다. 물이 담긴 용기에 거울을 놓고 그 용기 뒤에 흰색 종이를 놓습니다. 반사된 빛이 종이에 떨어지도록 손전등의 빛을 거울에 비춥니다. 종이 위에 또 무지개가 나타났어요! (부록 3).실험은 어두운 방에서 진행하는 것이 좋습니다.
우리는 위에서 이미 백색광이 본질적으로 무지개의 모든 색상을 포함하고 있다고 말했습니다. 이를 확인하고 레인보우 탑을 만들어 모든 색상을 다시 흰색으로 모을 수 있습니다. (부록 4).너무 많이 돌리면 색상이 합쳐져 디스크가 흰색으로 변합니다.
무지개 형성에 대한 과학적 설명에도 불구하고, 이 현상은 대기권에서 볼 수 있는 신비한 광경 중 하나로 남아 있습니다. 보고 즐기세요!
3. 결론
부모들이 자주 묻는 아이들의 질문인 “하늘은 왜 파란색인가요?”에 대한 답을 찾기 위해 노력했습니다. 나는 흥미롭고 유익한 것들을 많이 배웠습니다. 오늘날 우리 가설의 모순은 과학적으로 설명됩니다.
모든 비밀은 우리 대기의 하늘색, 즉 지구의 공기 봉투에 있습니다.
대기를 통과하는 백색 광선은 일곱 가지 색상의 광선으로 분해됩니다.
빨간색과 주황색 광선이 가장 길고 파란색 광선이 가장 짧습니다.
푸른 광선은 다른 광선보다 지구에 덜 도달하며, 이 광선 덕분에 하늘은 푸른 색으로 스며듭니다.
하늘이 항상 파란색인 것은 아니며 이는 지구의 축 운동 때문입니다.
실험적으로 우리는 자연에서 분산이 어떻게 일어나는지 시각화하고 이해할 수 있었습니다. 학교 숙제를 하면서 나는 반 친구들에게 하늘이 파란 이유를 말했다. 분산 현상이 우리 일상생활 어디에서 관찰될 수 있는지도 흥미로웠습니다. 나는 이 독특한 현상에 대한 몇 가지 실용적인 용도를 발견했습니다. (부록 5).앞으로도 계속해서 하늘을 연구하고 싶습니다. 얼마나 많은 미스터리가 더 남아있나요? 대기 중에 어떤 다른 현상이 발생하며 그 성격은 무엇입니까? 그것들은 인간과 지구상의 모든 생명체에 어떤 영향을 미칩니까? 아마도 이것이 나의 미래 연구 주제가 될 것입니다.
서지
1. Wikipedia - 무료 백과사전
2. LA Malikova. 물리학 전자 교과서 "기하 광학"
3. Peryshkin A.V. 물리학. 9 등급. 교과서. M.: 버스타드, 2014, p.202-209
4.htt;/www. voprosy-kak-ipochemu.ru
5. 개인 사진 아카이브 “Sky over Golyshmanovo”
부록 1.
"Golyshmanovo 위의 하늘"(개인 사진 아카이브)
부록 2.
분광기를 이용한 빛의 분산
부록 3.
집에서의 빛 분산
"무지개"
부록 4.
레인보우 탑
정지 상태의 상단 회전 중 상단
부록 5.
인간 삶의 변화
비행기 탑승 시 다이아몬드 조명
자동차 헤드라이트
반사 표지판
보고 깨닫는 즐거움
자연이 준 가장 아름다운 선물이다.
알베르트 아인슈타인
하늘색의 신비
하늘은 왜 파랗지?...
살면서 한 번도 이런 생각을 해보지 않은 사람은 없을 것이다. 중세 사상가들은 이미 하늘색의 기원을 설명하려고 노력했습니다. 그들 중 일부는 파란색이 공기의 실제 색이거나 공기를 구성하는 가스 중 하나라고 제안했습니다. 다른 사람들은 하늘의 실제 색깔이 밤에 보이는 것과 같은 검은색이라고 생각했습니다. 낮에는 하늘의 검은색이 태양 광선의 흰색과 결합되어 결과적으로 파란색이 됩니다.
이제 파란색 페인트를 얻고 싶어 흑백을 섞는 사람을 만나지 못할 수도 있습니다. 그리고 혼색의 법칙이 아직 명확하지 않던 시절이 있었습니다. 그것들은 불과 300년 전에 뉴턴에 의해 설치되었습니다.
뉴턴은 또한 푸른 하늘의 신비에 관심을 갖게 되었습니다. 그는 이전의 모든 이론을 거부하는 것부터 시작했습니다.
첫째, 그는 흰색과 검정색을 혼합하면 결코 파란색을 생성하지 않는다고 주장했습니다. 둘째, 파란색은 공기의 실제 색상이 아닙니다. 만약 그렇다면, 해가 질 때 해와 달은 실제처럼 빨간색으로 보이지 않고 파란색으로 보일 것입니다. 멀리 있는 눈 덮인 산봉우리는 이런 모습일 것입니다.
공기가 색깔이 있다고 상상해보십시오. 매우 약하더라도. 그러면 두꺼운 층이 칠해진 유리처럼 작용할 것입니다. 그리고 칠해진 유리를 통해 보면 모든 물체가 이 유리와 같은 색으로 보일 것입니다. 왜 먼 눈 덮인 봉우리가 우리에게 파란색이 아닌 분홍색으로 보일까요?
전임자들과의 논쟁에서 진실은 뉴턴의 편이었습니다. 그는 공기에 색깔이 없다는 것을 증명했습니다.
그러나 그는 여전히 하늘빛 하늘의 수수께끼를 풀지 못했습니다. 그는 자연의 가장 아름답고 시적인 현상 중 하나인 무지개를 보고 혼란스러워했습니다. 왜 갑자기 나타났다가 갑자기 사라지는 걸까요? 뉴턴은 만연한 미신에 만족할 수 없었습니다. 무지개는 위에서 오는 표시이며 좋은 날씨를 예고합니다. 그는 모든 현상의 물질적 원인을 찾으려고 노력했습니다. 그는 또한 무지개의 이유를 발견했습니다.
무지개는 빗방울의 빛 굴절의 결과입니다. 이를 이해한 뉴턴은 무지개 호의 모양을 계산하고 무지개 색깔의 순서를 설명할 수 있었습니다. 그의 이론은 쌍무지개의 출현만을 설명할 수는 없었지만, 이는 매우 복잡한 이론의 도움으로 불과 3세기 후에야 가능해졌습니다.
무지개 이론의 성공은 뉴턴에게 최면을 걸었습니다. 그는 하늘과 무지개의 푸른색이 같은 이유로 발생한다고 잘못 판단했습니다. 태양 광선이 빗방울 떼를 뚫고 나올 때 무지개가 실제로 나타납니다. 하지만 하늘의 푸른색은 비에만 보이는 것이 아닙니다! 반대로, 비가 올 기미조차 보이지 않는 맑은 날씨에는 하늘이 유난히 파랗습니다. 위대한 과학자는 어떻게 이것을 눈치 채지 못했습니까? 뉴턴은 그의 이론에 따르면 무지개의 푸른 부분만을 형성하는 작은 물 거품이 어떤 날씨에도 공중에 떠 있다고 생각했습니다. 그러나 이것은 착각이었습니다.
첫 번째 솔루션
거의 200년이 지났고 또 다른 영국 과학자인 레일리(Rayleigh)는 그 작업이 위대한 뉴턴의 힘조차 넘어서는 것을 두려워하지 않았습니다.
레일리는 광학을 공부했습니다. 그리고 빛을 연구하는 데 평생을 바친 사람들은 어둠 속에서 많은 시간을 보냅니다. 외부 빛은 정밀한 실험을 방해하기 때문에 광학 실험실의 창문은 거의 항상 검은색의 뚫을 수 없는 커튼으로 덮여 있습니다.
Rayleigh는 장비에서 빛이 새어 나오는 우울한 실험실에 혼자 몇 시간 동안 머물 렀습니다. 광선의 경로에서 그들은 살아있는 먼지 얼룩처럼 소용돌이 쳤습니다. 그들은 밝게 빛났기 때문에 어두운 배경에 비해 눈에 띄었습니다. 과학자는 사람이 벽난로에서 불꽃이 튀는 것을 지켜보는 것처럼 그것들의 부드러운 움직임을 주의 깊게 관찰하는 데 오랜 시간을 보냈을 것입니다.
레일리에게 하늘색의 기원에 대한 새로운 생각을 제안한 것은 빛줄기 속에서 춤추는 이러한 먼지 얼룩이 아니었을까요?
고대에도 빛은 직선으로 이동한다는 것이 알려졌습니다. 이 중요한 발견은 원시인이 오두막의 틈새를 뚫고 어떻게 태양 광선이 벽과 바닥에 떨어지는 지 관찰하면서 이루어졌을 수 있습니다.
하지만 옆에서 보면 광선이 보이는 이유에 대한 생각이 괴로울 것 같지 않습니다. 그리고 여기에 생각할 것이 있습니다. 결국 햇빛은 균열에서 바닥까지 빛납니다. 관찰자의 눈은 옆쪽에 있지만 그럼에도 불구하고 이 빛을 봅니다.
우리는 또한 하늘을 향한 스포트라이트에서 나오는 빛을 봅니다. 이는 빛의 일부가 직접 경로에서 벗어나 우리 눈으로 향한다는 것을 의미합니다.
무엇이 그를 길에서 벗어나게 만드는가? 이것이 바로 공기를 채우는 먼지 얼룩이라는 것이 밝혀졌습니다. 먼지와 광선에 의해 흩어진 광선이 우리 눈에 들어오고, 장애물을 만나면 길을 벗어나 흩어진 먼지 얼룩에서 눈까지 직선으로 퍼집니다.
“하늘을 푸르게 물들이는 것이 바로 이 먼지 알갱이들인가요?” - 레일리는 어느 날 생각했어요. 그는 수학을 했고 그 추측은 확신으로 바뀌었습니다. 그는 하늘의 푸른 색, 붉은 새벽, 푸른 안개에 대한 설명을 찾았습니다! 물론 빛의 파장보다 크기가 작은 작은 먼지 알갱이는 햇빛을 산란시키고 파장이 짧을수록 더 강해진다고 Rayleigh는 1871년에 발표했습니다. 그리고 가시광선 스펙트럼의 보라색과 파란색 광선은 파장이 가장 짧기 때문에 가장 강하게 산란되어 하늘을 파란색으로 보이게 합니다.
태양과 눈 덮인 봉우리는 레일리의 계산을 따랐습니다. 그들은 심지어 과학자의 이론을 확인했습니다. Rayleigh의 이론에 따르면 일출과 일몰 시 햇빛이 가장 두꺼운 공기를 통과할 때 보라색과 파란색 광선이 가장 강하게 산란됩니다. 동시에 그들은 직선 경로에서 벗어나 관찰자의 시선을 사로잡지 못합니다. 관찰자는 주로 붉은색 광선을 보게 되는데, 이는 훨씬 더 약하게 산란됩니다. 이것이 바로 일출과 일몰 때 태양이 우리에게 붉게 보이는 이유입니다. 같은 이유로 멀리 있는 눈 덮인 산봉우리도 분홍색으로 보입니다.
맑은 하늘을 보면 산란으로 인해 직선 경로를 벗어나 우리 눈에 들어오는 청청색 광선이 보입니다. 그리고 우리가 가끔 지평선 근처에서 보는 안개도 우리에게는 파랗게 보입니다.
짜증나는 사소한 일
정말 아름다운 설명 아닌가요? Rayleigh 자신은 그것에 너무 매료되었고, 과학자들은 이론의 조화와 Rayleigh가 뉴턴에 대한 승리에 너무 놀랐기 때문에 그들 중 누구도 한 가지 간단한 사실도 알아차리지 못했습니다. 그러나 이 사소한 일로 인해 그들의 평가가 완전히 바뀌었어야 했습니다.
공기 중에 먼지가 훨씬 적은 도시에서 멀리 떨어져 있으면 하늘의 푸른 색이 특히 맑고 밝다는 것을 누가 부인할 수 있습니까? 레일리 자신도 이를 부정하기 어려웠다. 그렇다면... 빛을 산란시키는 것은 먼지 입자가 아닌가? 그리고 뭐?
그는 모든 계산을 다시 검토하고 방정식이 정확하다는 것을 확신하게 되었습니다. 그러나 이것은 산란 입자가 실제로 먼지 알갱이가 아니라는 것을 의미했습니다. 또한, 공기 중에 존재하는 먼지 알갱이는 빛의 파장보다 훨씬 길며, 계산에 따르면 먼지 알갱이가 많이 축적되어도 하늘의 푸른색이 향상되지는 않지만 오히려 약화된다는 계산 결과가 있습니다. 큰 입자에 의한 빛의 산란은 파장에 따라 약하게 달라지므로 색이 변하지 않습니다.
빛이 큰 입자에 산란되면 산란된 빛과 투과된 빛이 모두 흰색으로 유지되므로 공기 중에 큰 입자가 나타나면 하늘이 희게 보이고, 큰 물방울이 많이 쌓이면 구름과 안개가 흰색이 됩니다. . 일반 담배의 경우 쉽게 확인할 수 있습니다. 마우스피스에서 나오는 연기는 항상 희끄무레하게 보이고, 타는 끝에서 나오는 연기는 푸른색을 띕니다.
타는 담배 끝에서 솟아오르는 연기의 가장 작은 입자는 빛의 파장보다 작으며 레일리의 이론에 따르면 주로 보라색과 파란색을 산란시킵니다. 그러나 담배 두께의 좁은 통로를 통과할 때 연기 입자는 서로 달라붙어(응고되어) 더 큰 덩어리로 뭉쳐집니다. 이들 중 다수는 빛의 파장보다 커지며 모든 파장의 빛을 거의 동일하게 산란시킵니다. 이것이 마우스피스에서 나오는 연기가 하얗게 보이는 이유입니다.
그렇다, 먼지 한 점에 기초한 이론을 논쟁하고 옹호하는 것은 쓸모가 없었다.
그래서 하늘의 푸른 색의 신비가 과학자들 앞에 다시 나타났습니다. 하지만 레일리는 포기하지 않았습니다. 하늘의 푸른 색이 대기가 더 순수할수록 더 순수하고 밝다면, 하늘의 색은 공기 분자 자체 외에 다른 어떤 것에 의해서도 발생할 수 없다고 그는 추론했습니다. 그가 새 기사에서 쓴 공기 분자는 태양 빛을 산란시키는 가장 작은 입자입니다!
이번에 레일리는 매우 조심스러웠습니다. 그의 새로운 아이디어를 보고하기 전에 그는 이론을 경험과 비교하기 위해 그것을 테스트하기로 결정했습니다.
기회는 1906년에 찾아왔다. 레일리는 윌슨 산 천문대에서 하늘의 푸른 빛을 연구한 미국 천체물리학자 애보트의 도움을 받았습니다. 애보트는 레일리 산란 이론을 바탕으로 하늘의 밝기를 측정한 결과를 처리해 공기 1입방센티미터에 포함된 분자 수를 계산했습니다. 엄청난 숫자로 밝혀졌습니다! 이 분자를 지구상에 거주하는 모든 사람에게 배포하면 모든 사람이 100억 개 이상의 분자를 얻게 될 것이라고 말하면 충분합니다. 간단히 말해서, 애보트는 정상 대기 온도와 압력에서 공기 1입방센티미터에 270억 배 10억 개의 분자가 포함되어 있다는 사실을 발견했습니다.
입방 센티미터의 가스에 포함된 분자 수는 완전히 다르고 독립적인 현상을 기반으로 다양한 방식으로 결정될 수 있습니다. 그들은 모두 밀접하게 일치하는 결과로 이어지고 Loschmidt 번호라는 숫자를 제공합니다.
이 숫자는 과학자들에게 잘 알려져 있으며 가스에서 발생하는 현상을 설명하는 척도와 통제 수단으로 여러 번 사용되었습니다.
그래서 Abbott가 하늘의 빛을 측정할 때 얻은 숫자는 Loschmidt의 숫자와 매우 정확하게 일치했습니다. 그러나 그의 계산에서는 레일리 산란 이론을 사용했습니다. 따라서 이는 이론이 정확하고 빛의 분자 산란이 실제로 존재한다는 것을 분명히 입증했습니다.
레일리의 이론은 경험에 의해 확실하게 확인된 것 같았습니다. 모든 과학자들은 그것이 완벽하다고 생각했습니다.
그것은 일반적으로 받아들여졌고 모든 광학 교과서에 포함되었습니다. 우리는 쉽게 숨을 쉴 수 있었습니다. 마침내 매우 친숙하면서도 동시에 신비한 현상에 대한 설명이 발견되었습니다.
1907년에 유명한 과학 저널의 페이지에 다음과 같은 질문이 다시 제기되었다는 것은 더욱 놀랍습니다. 왜 하늘색입니까?!
논쟁
일반적으로 받아들여지는 레일리 이론에 누가 감히 의문을 제기했습니까?
이상하게도 이것은 레일리의 가장 열렬한 추종자이자 찬사 중 하나였습니다. 아마도 젊은 러시아 물리학자 레오니드 만델스탐(Leonid Mandelstam)만큼 레일리를 그토록 높이 평가하고 이해하고 그의 연구를 잘 알고 그의 과학 연구에 관심을 가진 사람은 없었을 것입니다.
또 다른 소련 과학자인 Academician N.D.는 나중에 이렇게 회상했습니다. “Leonid Isaakovich의 마음의 성격. Papaleksi - 레일리와 공통점이 많았습니다. 그리고 그들의 과학적 창의성의 길이 종종 평행하고 반복적으로 교차하는 것은 우연이 아닙니다.
그들은 이번에도 하늘색의 기원에 대한 질문에 엇갈렸습니다. 그 전에 Mandelstam은 주로 무선 공학에 관심이 있었습니다. 금세기 초에 이것은 완전히 새로운 과학 분야였으며 그것을 이해하는 사람은 거의 없었습니다. A.S. Popov (1895 년)는 불과 몇 년이 지났고 작업이 끝나지 않았습니다. 단기간에 Mandelstam은 무선 엔지니어링 장치와 관련된 전자기 진동 분야에서 많은 진지한 연구를 수행했습니다. 1902년에 그는 자신의 논문을 옹호했고, 23세에 스트라스부르 대학교에서 자연철학 박사 학위를 받았습니다.
전파 여기 문제를 다루면서 Mandelstam은 자연스럽게 진동 과정 연구에서 권위를 인정받은 Rayleigh의 연구를 연구했습니다. 그리고 젊은 의사는 필연적으로 하늘을 색칠하는 문제에 대해 알게되었습니다.
그러나 하늘색 문제에 대해 알게 된 Mandelstam은 오류를 보여 주었을뿐만 아니라 자신이 말했듯이 일반적으로 받아 들여지는 Rayleigh의 분자 광 산란 이론의 "부적절 함"을 보여 주었을뿐만 아니라 비밀을 밝혔습니다. 하늘의 푸른색에 대한 연구뿐 아니라 20세기 물리학의 가장 중요한 발견 중 하나를 이끌어낸 연구의 토대를 마련했습니다.
모든 것은 가장 위대한 물리학자 중 한 명인 양자 이론의 아버지인 M. Planck와의 부재중 논쟁으로 시작되었습니다. Mandelstam이 Rayleigh의 이론을 알게 되었을 때, 그 이론은 과묵함과 내부 역설로 그를 사로잡았는데, 놀랍게도 젊은 물리학자는 이 이론을 경험이 풍부한 노련한 Rayleigh가 눈치채지 못했습니다. 레일리 이론의 불충분함은 광학적으로 균질한 투명 매체를 통과할 때 빛의 감쇠를 설명하기 위해 플랑크가 기반으로 구축한 다른 이론을 분석할 때 특히 분명하게 드러났습니다.
이 이론에서는 빛이 통과하는 물질의 분자 자체가 2차 파동의 원천이라는 것이 기초로 간주되었습니다. 플랑크는 이러한 2차 파동을 생성하기 위해 통과하는 파동의 에너지 중 일부가 소비되어 감쇠된다고 주장했습니다. 우리는 이 이론이 레일리(Rayleigh) 분자 산란 이론에 기초하고 있으며 그 권위에 의존하고 있음을 알 수 있습니다.
문제의 본질을 이해하는 가장 쉬운 방법은 물 표면의 파도를 보는 것입니다. 파도가 정지하거나 떠 있는 물체(말뚝, 통나무, 보트 등)를 만나면 작은 파도가 이러한 물체로부터 모든 방향으로 흩어집니다. 이것은 산란에 지나지 않습니다. 입사파 에너지의 일부는 여기 2차 파동에 소비되는데, 이는 광학계의 산란광과 매우 유사합니다. 이 경우 초기 파동은 약해지고 사라집니다.
떠 있는 물체는 물을 통해 이동하는 파장보다 훨씬 작을 수 있습니다. 작은 입자라도 2차 파동을 일으킬 수 있습니다. 물론 입자 크기가 감소함에 따라 이들이 형성하는 2차 파동은 약해지지만 여전히 주 파동의 에너지를 빼앗아갑니다.
이것이 플랑크가 상상한 광파가 가스를 통과하면서 약해지는 과정을 대략적으로 상상한 것이지만, 그의 이론에서 입자의 역할은 가스 분자에 의해 수행되었습니다.
Mandelstam은 Planck의 이 작업에 관심을 갖게 되었습니다.
만델스탐의 사고방식은 물 표면의 파도를 예로 들어 설명할 수도 있습니다. 좀 더 주의 깊게 살펴보시면 됩니다. 따라서 물 표면에 떠 있는 작은 알갱이조차도 2차 파동의 원인이 됩니다. 하지만 이 알갱이를 너무 두껍게 부어서 물 표면 전체를 덮으면 어떻게 될까요? 그러면 수많은 곡물로 인해 발생하는 개별 2차 파동이 합쳐져 측면과 뒤로 흐르는 파동 부분을 완전히 소멸시키고 산란이 멈추는 것으로 나타났습니다. 남은 것은 앞으로 달려가는 파도뿐이다. 그녀는 조금도 약해지지 않고 앞으로 달려갈 것이다. 전체 입자 덩어리가 존재하는 유일한 결과는 1차 파동의 전파 속도가 약간 감소하는 것입니다. 이 모든 것이 곡물이 움직이지 않는지 또는 물 표면을 따라 움직이는 지 여부에 의존하지 않는 것이 특히 중요합니다. 곡물의 집합체는 단순히 물 표면에 하중을 가하여 상층의 밀도를 변화시킵니다.
만델스탐은 공기 중의 분자 수가 너무 많아서 빛의 파장과 같은 작은 면적에도 매우 많은 수의 분자가 포함되어 있는 경우에 대해 수학적 계산을 했습니다. 이 경우, 혼란스럽게 움직이는 개별 분자에 의해 여기된 2차 광파는 입자가 있는 예의 파동과 동일한 방식으로 합산되는 것으로 나타났습니다. 이는 이 경우 광파가 산란 및 감쇠 없이 전파되지만 속도는 약간 느려짐을 의미합니다. 이는 모든 경우에 산란입자의 움직임이 파동의 산란을 가져온다고 믿었던 레일리의 이론을 반박하고, 이에 기초한 플랑크의 이론을 반박한 것이다.
따라서 산란 이론의 기초 아래 모래가 발견되었습니다. 장엄한 건물 전체가 흔들리기 시작했고 붕괴될 위험이 있었습니다.
우연의 일치
그러나 하늘의 푸른 빛을 측정하여 로슈미트 수를 결정하는 것은 어떻습니까? 결국 경험을 통해 레일리 산란 이론이 확인되었습니다!
Mandelstam은 1907년 그의 저서 "광학적으로 균질하고 탁한 매체에 관하여"에서 "이 우연의 일치는 우연한 것으로 간주되어야 합니다"라고 썼습니다.
Mandelstam은 분자의 무작위 이동이 가스를 균질하게 만들 수 없음을 보여주었습니다. 반대로, 실제 가스에는 혼란스러운 열 운동의 결과로 항상 작은 희박화와 압축이 형성됩니다. 공기의 광학적 균질성을 방해하여 빛의 산란을 초래하는 것은 바로 그것들입니다. 같은 작업에서 Mandelstam은 다음과 같이 썼습니다.
"매질이 광학적으로 불균일하면 일반적으로 입사광도 측면으로 산란됩니다."
그러나 혼돈 운동의 결과로 발생하는 불균일성의 크기는 광파의 길이보다 작기 때문에 스펙트럼의 보라색과 파란색 부분에 해당하는 파동이 주로 산란됩니다. 그리고 이것은 특히 하늘의 푸른색으로 이어집니다.
그리하여 푸른 하늘의 수수께끼가 마침내 풀렸습니다. 이론적 부분은 Rayleigh에 의해 개발되었습니다. 산란체의 물리적 특성은 Mandelstam에 의해 확립되었습니다.
Mandelstam의 가장 큰 장점은 가스의 완벽한 균질성에 대한 가정이 가스 내에서 빛이 산란된다는 사실과 양립할 수 없다는 사실을 증명했다는 사실에 있습니다. 그는 하늘의 푸른색이 가스의 균질성이 단지 겉보기에 불과하다는 것을 증명한다는 것을 깨달았습니다. 더 정확하게 말하면, 가스는 기압계, 저울 또는 동시에 수십억 개의 분자에 의해 영향을 받는 기타 도구와 같은 조잡한 도구로 검사할 때만 균질하게 나타납니다. 그러나 광선은 수만 단위로 측정되는 비교할 수 없을 정도로 적은 양의 분자를 감지합니다. 그리고 이것은 가스의 밀도가 작은 국지적 변화에 지속적으로 영향을 받는다는 것을 의심할 여지 없이 확립하기에 충분합니다. 그러므로 우리의 '대략적인' 관점에서 볼 때 동질적인 매체는 실제로는 이질적인 매체입니다. "빛의 관점"에서는 흐릿해 보이고 따라서 빛이 산란됩니다.
분자의 열 이동으로 인해 발생하는 물질 특성의 무작위 국부적 변화를 이제 변동이라고 합니다. 분자 광 산란의 변동 원인을 밝혀낸 Mandelstam은 물질을 연구하는 새로운 방법, 즉 변동 또는 통계적 방법의 길을 열었습니다. 이 방법은 나중에 Smoluchowski, Lorentz, Einstein 및 그 자신이 물리학의 새로운 대규모 부서로 개발했습니다. 통계물리학.
하늘이 반짝반짝 빛나야 해!
그리하여 하늘의 푸른색의 비밀이 밝혀졌다. 그러나 광산란에 대한 연구는 여기서 끝나지 않았습니다. 공기 밀도의 거의 눈에 띄지 않는 변화에 주목하고 빛의 변동 산란으로 하늘의 색을 설명하는 Mandelstam은 과학자로서의 예리한 감각으로 이 과정의 새롭고 훨씬 더 미묘한 특징을 발견했습니다.
결국 공기의 불균일성은 밀도의 무작위 변동으로 인해 발생합니다. 이러한 무작위 불균질성의 크기와 덩어리의 밀도는 시간이 지남에 따라 변합니다. 따라서 과학자는 강도, 즉 산란된 빛의 강도도 시간이 지남에 따라 변해야 한다고 추론했습니다! 결국, 분자 덩어리의 밀도가 높을수록 그 위에 산란되는 빛의 강도도 더 강해집니다. 그리고 이 덩어리들이 무질서하게 나타나고 사라지기 때문에, 하늘은 간단히 말해서 반짝반짝 빛나야 합니다! 빛의 강도와 색상은 항상 변해야 합니다(그러나 매우 약함)! 그런데 이렇게 깜박이는 것을 본 사람이 있나요? 당연히 아니지.
이 효과는 너무 미묘해서 육안으로는 알아차릴 수 없습니다.
과학자 중 어느 누구도 하늘 빛의 그러한 변화를 관찰하지 못했습니다. Mandelstam 자신은 자신의 이론의 결론을 확인할 기회가 없었습니다. 복잡한 실험의 조직은 처음에는 짜르 러시아의 열악한 상황으로 인해 방해를 받았고, 그다음에는 혁명 첫해, 외국의 개입 및 내전의 어려움으로 인해 방해를 받았습니다.
1925년에 만델스탐은 모스크바 대학의 학과장이 되었습니다. 여기서 그는 뛰어난 과학자이자 숙련된 실험가인 Grigory Samuilovich Landsberg를 만났습니다. 그래서 그들은 깊은 우정과 공동의 과학적 관심으로 결속되어 희미한 산란광선 속에 숨겨진 비밀에 대한 공격을 계속했습니다.
그 당시 대학의 광학 실험실은 여전히 장비가 매우 열악했습니다. 대학에는 하늘의 깜박임을 감지할 수 있는 단일 장비가 없었습니다. 이론에서 예측한 입사광과 산란광의 주파수 차이는 이러한 깜박임의 결과였습니다.
그러나 이것이 연구원들을 막지는 못했습니다. 그들은 실험실 환경에서 하늘을 시뮬레이션한다는 아이디어를 포기했습니다. 이것은 이미 미묘한 경험을 복잡하게 만들 뿐입니다. 그들은 백색-복잡한 빛의 산란이 아니라 엄격하게 정의된 주파수의 광선 산란을 연구하기로 결정했습니다. 입사광의 주파수를 정확히 알면 산란 중에 발생하는 입사광에 가까운 주파수를 찾는 것이 훨씬 쉬울 것입니다. 또한 이론은 고체 분자가 기체보다 훨씬 더 가깝고 물질의 밀도가 높을수록 산란이 커지기 때문에 고체에서 관찰을 수행하기가 더 쉽다고 제안했습니다.
가장 적합한 재료를 찾기 위한 노력이 시작되었습니다. 마침내 선택은 석영 크리스탈에 떨어졌습니다. 크고 투명한 석영 크리스털이 다른 어떤 것보다 가격이 저렴하기 때문입니다.
준비 실험은 2년 동안 지속되었으며, 가장 순수한 결정 샘플이 선택되었고, 기술이 개선되었으며, 석영 분자의 산란과 무작위 함유물, 결정의 불균일성 및 불순물에 대한 산란을 명백히 구별할 수 있는 징후가 확립되었습니다.
재치와 일
스펙트럼 분석을 위한 강력한 장비가 부족한 과학자들은 기존 장비를 사용할 수 있도록 하는 독창적인 해결 방법을 선택했습니다.
이 작업의 가장 큰 어려움은 분자 산란으로 인한 약한 빛이 실험을 위해 얻은 결정 샘플의 작은 불순물 및 기타 결함에 의해 산란된 훨씬 강한 빛과 중첩된다는 것입니다. 연구자들은 결정의 결함과 설치물의 여러 부분에서 반사되어 형성된 산란광이 입사광의 주파수와 정확히 일치한다는 사실을 이용하기로 결정했습니다. 그들은 만델스탐의 이론에 따라 주파수가 변경된 빛에만 관심이 있었고, 따라서 훨씬 더 밝은 빛을 배경으로 분자 산란으로 인해 주파수가 변경된 빛을 강조하는 것이 과제였습니다.
산란된 빛이 감지될 수 있는 크기를 갖도록 하기 위해 과학자들은 사용할 수 있는 가장 강력한 조명 장치인 수은 램프를 사용하여 석영을 조명하기로 결정했습니다.
따라서 결정에 산란된 빛은 두 부분으로 구성되어야 합니다. 분자 산란으로 인해 주파수가 변경된 약한 빛(이 부분에 대한 연구는 과학자들의 목표였습니다)과 외부 원인으로 인해 주파수가 변경되지 않은 훨씬 더 강한 빛(이것은 일부는 해로웠고 연구를 어렵게 만들었습니다.)
이 방법의 아이디어는 단순성 때문에 매력적이었습니다. 일정한 주파수의 빛을 흡수하고 변경된 주파수의 빛만 스펙트럼 장치로 전달해야 합니다. 그러나 주파수 차이는 수천분의 1퍼센트에 불과했습니다. 세계 어느 실험실에도 이렇게 가까운 주파수를 분리할 수 있는 필터가 없었습니다. 그러나 해결책이 발견되었습니다.
산란된 빛은 수은 증기가 담긴 용기를 통과했습니다. 결과적으로 모든 "유해한" 빛은 용기에 "고착"되었고 "유용한" 빛은 눈에 띄는 감쇠 없이 통과되었습니다. 실험자들은 이미 알려진 상황 중 하나를 이용했습니다. 양자 물리학이 주장하는 것처럼 물질의 원자는 매우 특정한 주파수에서만 광파를 방출할 수 있습니다. 동시에, 이 원자는 빛을 흡수할 수도 있습니다. 더욱이 그 자신이 방출할 수 있는 주파수의 광파만 있습니다.
수은 램프에서는 수은 증기에 의해 빛이 방출되며, 수은 증기는 램프 내부에서 발생하는 방전의 영향으로 빛납니다. 이 빛이 수은 증기가 들어 있는 용기를 통과하면 거의 완전히 흡수됩니다. 이론이 예측하는 일이 일어날 것입니다. 용기의 수은 원자는 램프의 수은 원자에서 방출되는 빛을 흡수합니다.
네온 램프와 같은 다른 광원에서 나오는 빛은 수은 증기를 무해하게 통과합니다. 수은 원자는 그것에 관심조차 기울이지 않을 것입니다. 파장 변화에 따라 석영에 산란된 수은 램프의 빛 부분도 흡수되지 않습니다.
Mandelstam과 Landsberg가 활용한 것은 바로 이러한 편리한 상황이었습니다.
놀라운 발견
1927년에 결정적인 실험이 시작되었습니다. 과학자들은 수은 램프의 빛으로 수정 크리스탈을 조명하고 결과를 처리했습니다. 그리고... 그들은 놀랐습니다.
실험 결과는 예상치 못한 것이었고 이례적이었습니다. 과학자들이 발견한 것은 그들이 기대했던 것과 전혀 달랐고, 이론에 의해 예측된 것도 아니었습니다. 그들은 완전히 새로운 현상을 발견했습니다. 하지만 어느 것? 그리고 이건 실수 아닌가요? 산란된 빛은 예상된 주파수를 나타내지 않았지만 훨씬 더 높거나 낮은 주파수를 나타냈습니다. 석영에 입사된 빛에는 존재하지 않았던 산란된 빛의 스펙트럼에는 주파수의 전체 조합이 나타났습니다. 석영의 광학적 불균일성으로 인해 외관을 설명하는 것은 불가능했습니다.
철저한 점검이 시작되었습니다. 실험은 완벽하게 수행되었습니다. 그들은 너무 재치 있고 완벽하며 창의적이어서 감탄하지 않을 수 없었습니다.
“Leonid Isaakovich는 때로는 매우 어려운 기술 문제를 너무 아름답고 때로는 훌륭하게 간단하게 해결하여 우리 각자가 무의식적으로 "왜 전에는 이런 일이 발생하지 않았습니까? "라는 질문을 던졌습니다. – 직원 중 한 명이 말합니다.
다양한 대조 실험을 통해 오류가 없음을 지속적으로 확인했습니다. 산란된 빛의 스펙트럼 사진에서는 약하면서도 아주 분명한 선이 지속적으로 나타나 산란된 빛에 "추가" 주파수가 있음을 나타냅니다.
수개월 동안 과학자들은 이 현상에 대한 설명을 찾아왔습니다. 산란된 빛의 어디에서 "외계인" 주파수가 나타났습니까?!
그리고 만델스탐이 놀라운 추측을 하게 된 날이 왔습니다. 그것은 현재 20세기의 가장 중요한 발견 중 하나로 여겨지는 놀라운 발견이었습니다.
그러나 Mandelstam과 Landsberg는 이 발견이 현상의 깊이를 철저하게 조사한 후에 확실한 점검 후에만 발표될 수 있다는 만장일치로 결정을 내렸습니다. 마지막 실험이 시작되었습니다.
태양의 도움으로
2월 16일, 인도 과학자 C.N. 라만과 K.S. 크리슈난은 발견에 대한 간단한 설명과 함께 캘커타에서 이 잡지로 전보를 보냈습니다.
그해에 전 세계에서 다양한 발견에 관한 편지가 Nature 잡지로 몰려 들었습니다. 그러나 모든 메시지가 과학자들 사이에서 흥분을 불러일으키는 것은 아닙니다. 인도 과학자들의 편지에 관한 문제가 나왔을 때 물리학자들은 매우 흥분했습니다. "새로운 유형의 2차 방사선"이라는 메모 제목만으로도 관심을 불러일으켰습니다. 결국 광학은 가장 오래된 과학 중 하나이며 20세기에는 그 안에서 알려지지 않은 것을 발견하는 것이 종종 불가능했습니다.
전 세계 물리학자들이 캘커타에서 온 새로운 편지를 어떤 관심으로 기다렸는지 상상할 수 있습니다.
그들의 관심은 발견의 저자 중 한 명인 라만(Raman)의 성격 자체에 의해 크게 촉진되었습니다. 이 사람은 아인슈타인과 매우 유사한 기묘한 운명과 특별한 전기를 가진 사람입니다. 젊었을 때 아인슈타인은 단순한 체육관 교사였으며 그 후 특허청 직원이었습니다. 그가 그의 작품 중 가장 중요한 작품을 완성한 것은 바로 이 기간이었다. 뛰어난 물리학자인 라만 역시 대학을 졸업한 후 10년 동안 재무부에서 일해야 했고 그 후에야 캘커타 대학의 학과에 초청되었습니다. 라만은 곧 인도 물리학자 학교의 인정받는 수장이 되었습니다.
설명된 사건이 발생하기 직전에 Raman과 Krishnan은 흥미로운 작업에 관심을 갖게 되었습니다. 당시 1923년 물질을 통과하는 X선의 통과를 연구하던 미국 물리학자 Compton의 발견으로 인해 발생한 열정은 원래 방향에서 측면으로 산란되는 이러한 광선 중 일부가 파장을 증가시킨다는 사실을 발견했습니다. , 아직 가라 앉지 않았습니다. 광학의 언어로 번역하면 물질의 분자와 충돌하는 X선이 "색상"을 변경했다고 말할 수 있습니다.
이 현상은 양자물리학의 법칙으로 쉽게 설명되었습니다. 따라서 콤프턴의 발견은 젊은 양자 이론의 정확성에 대한 결정적인 증거 중 하나였습니다.
우리는 비슷한 것을 광학적으로 시도하기로 결정했습니다. 인도 과학자들이 발견했습니다. 그들은 물질을 통해 빛을 통과시키고 빛의 광선이 물질의 분자에 어떻게 산란되는지, 그리고 파장이 변하는지 확인하고 싶었습니다.
보시다시피, 인도 과학자들은 기꺼이 또는 비자발적으로 소련 과학자들과 동일한 임무를 수행했습니다. 그러나 그들의 목표는 달랐습니다. 캘커타에서 그들은 콤프턴 효과의 광학적 유사성을 찾고 있었습니다. 모스크바에서 - 변동하는 불균일성에 의해 빛이 산란될 때 주파수 변화에 대한 Mandelstam의 예측을 실험적으로 확인했습니다.
Raman과 Krishnan은 예상되는 효과가 매우 작았기 때문에 복잡한 실험을 설계했습니다. 실험에는 매우 밝은 광원이 필요했습니다. 그런 다음 그들은 망원경을 사용하여 광선을 수집하여 태양을 사용하기로 결정했습니다.
렌즈의 직경은 18센티미터였습니다. 연구자들은 프리즘을 통해 수집된 빛을 먼지와 기타 오염 물질이 완전히 제거된 액체와 가스가 담긴 용기로 향하게 했습니다.
그러나 거의 모든 가능한 파장을 포함하는 백색 햇빛을 사용하여 산란광의 예상되는 작은 파장 확장을 감지하는 것은 절망적이었습니다. 따라서 과학자들은 광 필터를 사용하기로 결정했습니다. 그들은 렌즈 앞에 청자색 필터를 배치하고 황록색 필터를 통해 산란된 빛을 관찰했습니다. 그들은 첫 번째 필터가 통과하는 것이 두 번째 필터에 걸릴 것이라고 올바르게 결정했습니다. 결국, 황록색 필터는 첫 번째 필터에서 투과된 청자색 광선을 흡수합니다. 그리고 둘 다 서로 뒤에 배치되어 있으면 입사광을 모두 흡수해야 합니다. 일부 광선이 관찰자의 눈에 떨어지면 입사광이 아니라 연구중인 물질에서 태어났다고 자신있게 말할 수 있습니다.
콜럼버스
실제로, 산란된 빛에서 Raman과 Krishnan은 두 번째 필터를 통과하는 광선을 감지했습니다. 그들은 추가 주파수를 녹음했습니다. 이는 원칙적으로 광학 콤프턴 효과일 수 있습니다. 즉, 용기에 위치한 물질의 분자에 산란되면 청자색 빛이 색을 바꾸고 황록색이 될 수 있습니다. 그러나 이것은 여전히 증명되어야했습니다. 노란색-녹색 표시등이 나타나는 다른 이유가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 빛, 열 및 기타 원인의 영향으로 액체와 고체에 자주 나타나는 희미한 빛인 발광의 결과로 나타날 수 있습니다. 분명히 한 가지가 있었습니다. 이 빛은 다시 태어났고 떨어지는 빛에 포함되지 않았습니다.
과학자들은 6가지 다른 액체와 2가지 유형의 증기를 사용하여 실험을 반복했습니다. 그들은 발광이나 다른 이유가 여기서 역할을 하지 않는다고 확신했습니다.
가시광선의 파장이 물질에 산란될 때 증가한다는 사실은 라만과 크리슈난에게 확립된 것처럼 보였습니다. 그들의 검색은 성공한 것 같았습니다. 그들은 Compton 효과의 광학적 유사성을 발견했습니다.
그러나 실험이 완성된 형태를 취하고 결론이 충분히 설득력을 가지려면 작업의 한 부분을 더 수행해야 했습니다. 파장의 변화를 감지하는 것만으로는 충분하지 않았습니다. 이러한 변화의 규모를 측정하는 것이 필요했습니다. 첫 번째 단계는 광 필터의 도움을 받았습니다. 그는 두 번째 일을 할 힘이 없었습니다. 여기서 과학자들은 연구되는 빛의 파장을 측정할 수 있는 장치인 분광기가 필요했습니다.
그리고 연구자들은 덜 복잡하고 힘든 두 번째 부분을 시작했습니다. 그러나 그녀는 또한 그들의 기대를 만족시켰습니다. 결과는 작업의 첫 번째 부분의 결론을 다시 확인했습니다. 그런데 파장이 의외로 컸다. 예상보다 훨씬 더. 이것은 연구원들을 괴롭히지 않았습니다.
여기서 콜럼버스를 어떻게 기억하지 못할 수 있습니까? 그는 인도로 가는 바닷길을 찾으려고 노력했고 육지를 본 후에는 자신의 목표를 달성했다는 데 의심의 여지가 없었습니다. 붉은 주민들과 신세계의 낯선 자연을 보고 그에게 자신감을 의심할 이유가 있었습니까?
가시광선에서 콤프턴 효과를 발견하려는 탐구에서 라만과 크리슈난은 액체와 기체를 통과하는 빛을 조사하여 그것을 발견했다고 생각했다는 것이 사실이 아닙니까?! 측정 결과 산란된 광선의 파장이 예상치 않게 더 크게 변한 것으로 나타났을 때 그들은 의심했습니까? 그들은 발견으로부터 어떤 결론을 얻었습니까?
인도 과학자들에 따르면, 그들은 그들이 찾고 있던 것을 발견했습니다. 1928년 3월 23일, "컴프턴 효과의 광학적 유추"라는 제목의 기사가 담긴 전보가 런던으로 날아왔습니다. 과학자들은 다음과 같이 썼습니다. "따라서 우리가 훨씬 더 큰 파장의 변화를 다루고 있다는 점을 제외하면 콤프턴 효과의 광학적 유추는 분명합니다..." 참고: "훨씬 더 큰..."
원자의 춤
Raman과 Krishnan의 연구는 과학자들 사이에서 박수를 받았습니다. 모두가 그들의 실험적인 예술에 감탄했습니다. 이 발견으로 라만은 1930년에 노벨상을 수상했습니다.
인도 과학자들이 보낸 편지에는 입사광의 주파수와 물질 분자에 산란되는 빛을 나타내는 선이 그 자리를 대신하는 스펙트럼 사진이 첨부되어 있었습니다. Raman과 Krishnan에 따르면 이 사진은 그들의 발견을 그 어느 때보다 더 명확하게 보여줍니다.
Mandelstam과 Landsberg가 이 사진을 보았을 때 그들은 그들이 받은 사진과 거의 똑같은 사본을 보았습니다! 그러나 그녀의 설명을 알게 된 그들은 즉시 Raman과 Krishnan이 착각했다는 것을 깨달았습니다.
아니요, 인도 과학자들은 콤프턴 효과를 발견한 것이 아니라 완전히 다른 현상, 즉 소련 과학자들이 수년 동안 연구해 왔던 것과 동일한 현상을 발견했습니다...
인도 과학자의 발견으로 인한 흥분이 커지는 동안 Mandelstam과 Landsberg는 대조 실험을 마무리하고 최종 결정적인 결과를 요약하고 있었습니다.
그래서 1928년 5월 6일에 그들은 인쇄할 기사를 보냈습니다. 스펙트럼 사진이 기사에 첨부되었습니다.
연구자들은 문제의 이력을 간략하게 설명한 후, 자신들이 발견한 현상에 대해 자세히 해석했습니다.
그렇다면 많은 과학자들이 고통받고 머리를 쥐어짜는 현상은 무엇이었을까요?
Mandelstam의 깊은 직관과 명확한 분석 정신은 산란된 빛의 주파수에서 감지된 변화가 공기 밀도의 무작위 반복을 균등화하는 분자간 힘에 의해 발생할 수 없다는 것을 과학자에게 즉시 알려주었습니다. 그 이유는 의심할 여지 없이 물질 자체의 분자 내부에 있으며, 그 현상은 분자를 형성하는 원자의 분자 내 진동에 의해 발생한다는 것이 과학자에게 분명해졌습니다.
이러한 진동은 매질에서 무작위 불균질성의 형성 및 재흡수에 수반되는 진동보다 훨씬 더 높은 빈도로 발생합니다. 산란된 빛에 영향을 미치는 것은 분자 내 원자의 진동입니다. 원자는 그것을 표시하고, 그 위에 흔적을 남기고, 추가 주파수로 암호화하는 것처럼 보입니다.
그것은 아름다운 추측이었고, 자연의 작은 요새인 분자의 경계선을 넘어 인간 사고에 대한 대담한 침입이었습니다. 그리고 이러한 정찰을 통해 내부 구조에 대한 귀중한 정보를 얻었습니다.
손에 손
그래서 분자간 힘에 의해 산란된 빛의 주파수 변화가 작은 것을 감지하려던 중, 분자내 힘에 의해 발생하는 주파수 변화가 더 크다는 사실을 발견하게 되었습니다.
따라서 '빛의 라만 산란'이라고 불리는 새로운 현상을 설명하기 위해서는 만델스탐이 창안한 분자 산란 이론에 분자 내부 원자의 진동이 미치는 영향에 대한 데이터를 보충하면 충분했다. 새로운 현상은 만델스탐이 1918년에 공식화한 아이디어의 발전의 결과로 발견되었습니다.
예, Academician S.I.가 말했듯이 이유가 없는 것은 아닙니다. Vavilov, “자연은 Leonid Isaakovich에게 완전히 특이하고 통찰력이 있으며 미묘한 마음을 선물했으며, 이는 대다수가 무관심하게 지나간 주요 사항을 즉시 알아 차리고 이해했습니다. 이것이 광산란의 변동 본질을 이해한 방법이고, 광산란 중에 스펙트럼의 변화에 대한 아이디어가 나타난 방식이며, 이는 라만 산란 발견의 기초가 되었습니다.”
결과적으로, 이 발견으로 인해 막대한 이점이 얻어졌으며 귀중한 실제 적용이 이루어졌습니다.
발견 당시 그것은 과학에 대한 가장 귀중한 공헌으로 보였습니다.
라만과 크리슈난은 어떻습니까? 그들은 소련 과학자들의 발견과 그들 자신의 과학자들의 발견에 어떻게 반응했습니까? 그들은 자신들이 발견한 것을 이해했습니까?
이 질문에 대한 답은 소련 과학자들이 기사를 출판한 지 9일 후에 언론에 보낸 Raman과 Krishnan의 다음 편지에 포함되어 있습니다. 그렇습니다. 그들은 자신들이 관찰한 현상이 콤프턴 효과가 아니라는 것을 깨달았습니다. 이것이 빛의 라만 산란이다.
Raman과 Krishnan의 편지와 Mandelstam과 Landsberg의 기사가 출판된 후, 동일한 현상이 모스크바와 캘커타에서 독립적으로 거의 동시에 만들어지고 연구되었다는 것이 전 세계 과학자들에게 분명해졌습니다. 그러나 모스크바의 물리학자들은 석영 결정에서 그것을 연구했고, 인도의 물리학자들은 액체와 기체에서 그것을 연구했습니다.
물론 이러한 평행성은 우연이 아니었습니다. 그녀는 문제의 관련성과 그 과학적 중요성에 대해 이야기합니다. 1928년 4월 말 Mandelstam과 Raman의 결론에 가까운 결과가 프랑스 과학자 Rocard와 Kaban에 의해 독립적으로 얻어졌다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 얼마 후 과학자들은 1923년에 체코의 물리학자 스메칼(Smekal)이 이론적으로 동일한 현상을 예측했다는 사실을 기억했습니다. Smekal의 연구에 이어 Kramers, Heisenberg, Schrödinger의 이론적 연구가 등장했습니다.
명백히, 과학적 정보의 부족만이 많은 나라의 과학자들이 동일한 문제를 알지도 못한 채 해결하기 위해 노력했다는 사실을 설명할 수 있습니다.
37년 후
라만 연구는 빛 과학의 새로운 장을 열었을 뿐만 아니라 동시에 그들은 기술에 강력한 무기를 부여했습니다. 산업계에는 물질의 특성을 연구하는 훌륭한 방법이 있습니다.
결국, 빛의 라만 산란 주파수는 빛을 산란시키는 매질의 분자에 의해 빛에 겹쳐지는 각인입니다. 그리고 이러한 각인은 다른 물질에서도 동일하지 않습니다. 이것이 Academician Mandelstam에게 빛의 라만 산란을 "분자의 언어"라고 부를 권리를 부여한 것입니다. 광선에 있는 분자의 흔적을 읽고 산란된 빛의 구성을 결정할 수 있는 사람들에게 분자는 이 언어를 사용하여 구조의 비밀을 알려줄 것입니다.
라만 스펙트럼 사진의 네거티브에는 다양한 검은색 선 외에는 아무것도 없습니다. 그러나 이 사진을 통해 전문가는 산란된 빛이 물질을 통과한 후 나타나는 분자 내 진동의 주파수를 계산할 것입니다. 사진은 분자 내부 생명의 지금까지 알려지지 않은 많은 측면, 즉 구조, 원자를 분자에 결합시키는 힘, 원자의 상대적 움직임에 대해 알려줄 것입니다. 라만 분광기를 해독하는 방법을 학습함으로써 물리학자들은 분자가 자신에 대해 알려주는 독특한 "광 언어"를 이해하는 방법을 배웠습니다. 그래서 새로운 발견으로 분자의 내부 구조에 더 깊이 침투하는 것이 가능해졌습니다.
오늘날 물리학자들은 라만 산란을 사용하여 액체, 결정 및 유리 물질의 구조를 연구합니다. 화학자들은 이 방법을 사용하여 다양한 화합물의 구조를 결정합니다.
빛의 라만 산란 현상을 이용한 물질 연구 방법은 P.N. 물리 연구소 실험실 직원이 개발했습니다. Landsberg 학자가 이끄는 소련 Lebedev 과학 아카데미.
이러한 방법을 사용하면 공장 실험실에서 항공 휘발유, 크래킹 제품, 석유 제품 및 기타 여러 복잡한 유기 액체에 대한 정량적 및 정성적 분석을 빠르고 정확하게 수행할 수 있습니다. 이를 위해서는 연구 중인 물질을 조명하고 분광기를 사용하여 물질에 의해 산란되는 빛의 구성을 결정하는 것으로 충분합니다. 매우 간단한 것 같습니다. 그러나 이 방법이 실제로 편리하고 빠른 것으로 밝혀지기 전에 과학자들은 정확하고 민감한 장비를 만들기 위해 많은 노력을 기울여야 했습니다. 그것이 바로 그 이유입니다.
연구 중인 물질에 들어가는 빛 에너지의 총량 중에서 산란된 빛의 비율은 미미한 부분(약 100억분의 1)에 불과합니다. 그리고 라만 산란은 이 값의 2~3%도 차지하지 않습니다. 분명히 이것이 라만 산란 자체가 오랫동안 눈에 띄지 않은 이유입니다. 최초의 라만 사진을 얻으려면 수십 시간 동안 노출이 필요했다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
우리나라에서 만들어진 현대 장비를 사용하면 몇 분, 때로는 몇 초 내에 순수 물질의 조합 스펙트럼을 얻을 수 있습니다! 개별 물질이 수%의 양으로 존재하는 복잡한 혼합물을 분석하는 경우에도 일반적으로 1시간 이하의 노출 시간이면 충분합니다.
Mandelstam과 Landsberg, Raman과 Krishnan이 사진 건판에 기록된 분자의 언어를 발견하고 해독하고 이해한 지 37년이 지났습니다. 그 이후로 안경사가 라만 주파수 목록이라고 부르는 분자 언어의 "사전"을 작성하기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되어 왔습니다. 이러한 카탈로그가 작성되면 스펙트로그램의 디코딩이 크게 촉진되고 라만 산란이 과학 및 산업 분야에서 더욱 완벽하게 활용될 것입니다.
