Файл: Булат, В. Л. Оптические явления в природе.pdf

Почему раковины и жемчуг сияют белым переливча­ тым светом опалесценции 1?

Наконец, почему стоп-сигналы делают красного цвета? Все эти явления имеют общее происхождение, все они

связаны с рассеянием и поглощением света.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Возьмите кусочки цветного стекла и посмотрите сквозь них на белый свет. Вы еще раз убедитесь, что это стекло поглощает одни лучи и пропускает другие. Например, сквозь зеленое стекло проходит зеленый свет, остальные участки спектра оно поглощает. Красное стекло пропус­ кает красный свет, а зеленый и другие цвета поглощает. Если эти стекла сложить вместе, то они почти не пропус­ кают свет, так как весь спектр оказывается поглощенным тем или другим стеклом.

Поглощение света — это еще один из видов взаимодей­ ствия света с веществом, через которое проходят световые волны.

В 1729 г. Бугер установил, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается в геомет­ рической прогрессии.

Математически эту зависимость (закон Бугера) можно выразить формулой

I = I0e~ax,

где I0 — интенсивность света в начале пути (при х = 0),

(или коэффициент) поглощения, величина которого очень сильно зависит от рода вещества, а для данного вещества

В этих средах интенсивность света падает до нуля в слое, толщина которого не превышает нескольких сотых или даже тысячных долей миллиметра. Есть вещества, для которых а мало (ос →- 0) независимо от длины волны. Это

73

Рис. 52. Зависимость коэффициента поглощения света от длины волны: а — широкая полоса поглощения;

б— узкие полосы поглощения парами натрия.

ит. п. Для безвоздушного пространства а = 0. Для га­ зов α ≈ 0. Поэтому мы имеем возможность видеть звезды, отстоящие от нас на миллионы световых лет. Существуют вещества, обладающие избирательным поглощением. Ха­ рактер этой зависимости самый разнообразный и зависит от рода вещества. Одни вещества поглощают широкие полосы спектра, другие — узкие полоски, соответствую­ щие узкому диапазону волн. Зависимость а от λ может быть выражена графически. На рисунке 52 для примера приведены кривые зависимости показателя поглощения а от длины волны для мутной среды (а) и для паров нат­ рия (б).

С. И. Вавилов установил, что показатель поглощения а

практически не зависит от интенсивности света.

Закон Бугера применим к жидким растворам и газам. Для растворов показатель поглощения пропорционален концентрации раствора (с1): а = Ас. Здесь А — коэф­ фициент, зависящий от рода раствора, а также от длины волны. Это очень полезная для практики особенность, так как, сравнивая интенсивности света, прошедшего одинаковую толщину растворов разной концентрации одно­

74

В том случае, когда раствор имеет окраску, по интен­ сивности его окраски можно измерить концентрацию раствора. Этот метод получил название колориметриче­ ского (от слова соіег — цвет).

Заготовьте несколько пластинок зеленого стекла до­ статочно густой окраски и попробуйте рассматривать сквозь них раскаленную нить лампы накаливания, на­ кладывая одну пластинку на другую. При малой тол­ щине стекла нить будет казаться зеленой, при достаточ­ ной толщине стекла она покажется красной.

Этот опыт наглядно демонстрирует зависимость пока­ зателя поглощения света от длины волны. Для зеленых лучей он больше, для красных — меньше.

На цветной вклейке VII это показано наглядно. Интен­ сивность лучей пропорциональна числу стрелок. После прохождения каждого стекла число зеленых стрелок уменьшается в три раза, а красных — в два раза. По­ этому, несмотря на преобладание зеленых лучей вначале, после прохождения четырех стекол будут преобладать красные лучи.

РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Проделайте несложный опыт. Возьмите стеклянную ванну А (рис. 53). Заполните ее чистой водой. Сквозь прорезь В в картонной ширме C пропустите яркий пучок света BD от сильной лампы S.

Рис. 53. Рассеяние света в ванне с мутной водой.

75

Если вода достаточно чистая, то световой луч в ней почти невидим, а на противоположной стороне ванны в точке D видно яркое световое пятно. Налейте в воду немного молока или несколько капель одеколона. Вода станет мутной, и пучок света BD в ней резко обозначится, причем вся жидкость в ванне станет излучать рассеян­ ный свет по всем направлениям (это особенно хорошо видно, если смотреть на ванну из точки E в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча). Обратите внимание на цвет и интенсивность луча, про­ шедшего сквозь мутную жидкость (в точке D). Он стал красноватым и более тусклым. Рассеянный же свет имеет голубоватую окраску. Что произошло? Очевидно, что часть света рассеялась мутной жидкостью, причем больше всего рассеялись голубые и синие лучи, меньше — крас­ ные. Они лучше проходят сквозь мутную среду. Проде­ лайте тот же опыт с двумя изменениями.

В воду доливайте не молоко, а меловую суспензию (взвесь мела в воде). Обратите внимание на то, как будет вести себя луч света в точке D. Как изменится его окрас­ ка? Какого цвета рассеянный свет? Вы, видимо, догада­ лись, что частицы мела, рассеивающие свет, имеют боль­ шие размеры, чем частицы молока. В этом случае интен­ сивность рассеянного света будет меньше зависеть от длины волны — все волны рассеиваются почти одинаково.

Рис. 54. Хаотическое движение частиц газа приводит к неравно­ мерностям в распределении их по объему — флуктуациям плот­

ности.

76

Теперь проследите, как будут изменяться интенсив­ ность и окраска проходящего и рассеянного света, если в сосуд долить туши или черной краски. Частицы черной краски тоже рассеивают свет. Но почему же сейчас интен­ сивность рассеянного света стала меньше? Что происходит со светом, рассеянным частицами туши, находящимися внутри жидкости?

Постепенно доливайте тушь в сосуд А. Вскоре свет­ лое пятно в точке D исчезнет, и, если убрать экран С, светлая ранее стенка D на фоне более яркого света пока­ жется совсем темной.

Частицы туши не только рассеивают свет, они его поглощают. Свет, рассеянный одними частицами, погло­ щается другими и не выходит наружу.

В чем же причины рассеяния?

Рассеянием света называют отклонение световых лу­ чей во все стороны от первоначального направления. Оно возникает в тех случаях, когда среда, в которой распространяется свет, является оптически неоднород­ ной. Неоднородности могут возникнуть по разным при­ чинам: и вследствие внесения в прозрачную среду частиц прозрачного же вещества, но обладающего другим пока­ зателем преломления; и вследствие внесения непрозрач­ ных частиц, отражающих и поглощающих свет (пыль, муть и т. п.); и вследствие образования в прозрачной жи­ дкой или газообразной среде пузырьков пара. Неоднород­

77

но установил, что интенсивность рассеянного света, т. е. энергия света, рассеянного в единицу времени с единицы объема мутной среды, обратно пропорциональна четвер­ той степени длины волны и зависит от' рода рассеиваю­ щего вещества.

В дальнейшем Д. Релей в 1881 г. показал, что рассея­

и интенсивность его обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, как на это указал Тиндаль. По мере увеличения размеров рассеивающих частиц интенсив­ ность рассеяния все меньше начинает зависеть от длины волны: она становится обратно пропорциональной третьей ее степени, а затем и второй степени длины волны. При этом все большее количество света начинает устремляться вперед и меньшее — назад (рис. 55).

Рассеяние света вследствие отражения и преломления

Если в прозрачную среду ввести частицы, обладающие отличным от нее показателем преломления, то на границе между средой и частицей произойдет отражение или пре­ ломление света. Естественно, что вследствие этого изме­ няется направление его распространения и возникает рассеяние. Если частица непрозрачна, то свет поглоща­ ется ею, а энергия света идет на ее нагревание. Впрочем, и прозрачные частицы нагреваются, так как и они частич­ но поглощают свет, а всякая среда не вполне прозрачна. Такая среда является неоднородной и физически, и опти­ чески.

Если же показатель преломления внесенных частиц равен показателю среды, то при переходе света из среды в частицу и обратно преломление и отражение не проис­ ходят. Такая среда, являясь неоднородной физически, окажется однородной оптически 1 и рассеяния света производить не будет.

Теперь уже можно ответить на вопрос о том, почему Солнце в тумане, дыму и пыли кажется нам красным.і

і Оптически она тоже не будет вполне однородной, так как среда и частицы обладают различной дисперсией.

78

Красные лучи лучше проникают сквозь завесу из мел­ ких частиц. По этой причине сигналы бедствия, стопсигналы, ограничители путей, посадочных дорожек для самолетов делают в виде фонарей с красным светом.

Прозрачный столб дыма на темном фоне, дым от сига­ реты, утренний туман над рекой кажутся нам голубыми при боковом освещении. В этом случае мы видим не пря­ мой свет, идущий от источника света, а свет, рассеянный мелкими частицами; чем. меньше эти частицы, тем более голубым кажется нам взвесь, производящая рассеяние. Дым от папиросы — собрание очень маленьких частиц угля. Но если он побудет во рту, на частицах дыма ося­ дут капельки воды, частицы вырастут, их рассеивающая способность перестанет зависеть от длины волны, они начнут рассеивать все длины волн — белый свет.

По той же причине клубы пара, идущего из трубы паровоза, туман, облака кажутся нам белыми. Они со­ стоят из довольно больших капелек, которые при малом поглощении рассеивают почти все длины волн. Столб дыма, сквозь который проходят к нам лучи солнца, ка­ жется в верхней, освещенной части розовым, так как голубые лучи рассеиваются. Наоборот, в нижней, не ос­ вещенной солнцем, находящейся в тени части столба мы видим рассеянные голубые лучи.

Если в прозрачную среду попадут непрозрачные час­ тицы, то они наряду с рассеянием поглощают значитель­ ную часть энергии света, интенсивность рассеянного света уменьшается.

Свет, отраженный частицами, находящимися внутри объема мутного вещества, попадая на частицы, или в зна­ чительной мере, или полностью поглощается ими. По­ этому среда, заполненная непрозрачными частицами, даже будучи освещенной, кажется нам темной или черной.

Примером может служить дым, представляющий взвесь недогоревших частичек угля, капелек мазута или других недогоревших жидкостей, испарившихся из топлива под влиянием высокой температуры горения. Черными нам кажутся также массивные, толстые дождевые тучи. Боль­ шие массы воды, содержащиеся в них, не только рассеи­ вают свет, но и в значительной степени его поглощают.

Черными кажутся густые облака пыли, например черные бури в Средней Азии и Сибири. Их грозный, зло­

79

веще-черный вид даже в солнечный день наводит ужас на все живое.

Тот, кто побывал зимой у берегов Западной Африки, никогда не забудет огромного красного диска Солнца. Причина его необыкновенной окраски в том, что воздух насыщен тонкой красной пылью, поднятой ветром с пус­ тыни Сахары и выносимой пассатами далеко в Атлантиче­

образования не должны были бы рассеивать свет. Однако опыт показывает, что жидкости, газы и твердые тела рас­ сеивают свет. Чем это вызвано?

Ответ на этот вопрос был предложен в 1908 г. поль­ ским ученым Марианом Смолуховским. Он высказал мысль о том, что рассеяние происходит не на молекулах, а на флуктуациях молекул.

Флуктуациями называют отклонения от равномер­

и температуры) и давления, вызванные хаотическим дви­ жением молекул. На рисунке 54 показаны такие скоп­ ления и разрежения частиц газа (они обведены круж­ ками).

Μ. Смолуховский разработал способ измерения флук­ туаций газов, а А. Эйнштейн в 1910 г. построил матема­ тическую теорию флуктуаций, выводы которой хорошо совпадают с результатами опытов Смолуховского.

ГОЛУБОЙ ЦВЕТ НЕБА

Голубой «прозрачный» цвет — источник радости, сим­ вол счастья и спутник хорошей погоды! Сколько худож­ ников пытались передать голубизну и прозрачность не­

80