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어린이 과학 실험실
붉은 태양이 떠오를 것이다. 어린이 과학 실험실
하늘의 색, 태양과 달의 색, 그리고 많은 광학적, 음향적 현상은 레일리의 법칙에 따라 서로 다른 길이의 전자기파와 탄성파가 서로 다른 방식으로 대기 중에 산란된다는 사실에 의해 결정됩니다. 여름에는 떠오르는 태양을 보는 사람이 거의 없습니다. 너무 일찍 떠오릅니다. 그러나 일몰은 그 영광스러운 모습으로 우리 앞에 나타납니다. 밝은 빨간색에서 어두운 부르고뉴로 색상을 바꾸는 거대한 공이 푸른 하늘을 가로 질러 천천히 내려와 노란색, 녹색, 분홍색 톤으로 물들다가 지평선 너머로 사라집니다... -공기 자체가 푸른 색을 띠고 있기 때문에 대기가 붉은 광선을 흡수한다고 믿어졌습니다. 그러나 수평선에 있는 태양과 달은 천정보다 더 푸르게 보일 것입니다. 그들로부터 나오는 빛은 관찰자에게 도달하기 전에 더 두꺼운 공기를 통과하고 별이 더 낮게 내려갑니다. 빛의 전자기 이론이 출현한 후, 대기 중의 광파는 물 위의 파도처럼 공중에 떠 있는 입자, 즉 경로를 가로막는 돌과 바위에 의해 산란되어야 한다는 것이 분명해졌습니다. 이것은 1868년 영국의 물리학자 J. Tyndall이 제안하고 실험적으로 증명했습니다. 그러나 XNUMX년 후 J. W. 레일리(J. W. Rayleigh)는 광학적 불균일성, 즉 밀도 변동으로 인해 이상적으로 깨끗한 대기에서도 광 산란이 발생해야 함을 보여주었습니다. 이러한 불균일성은 열 이동 중에 분자가 무작위로 축적된 결과로 지속적으로 발생하고 즉시 용해되어 다른 장소에서 다시 형성됩니다. 공극을 통과하거나 완전히 균질한 매질을 통과하는 빛은 산란되지 않습니다. 분자의 크기는 빛의 파장보다 수천 배 더 작으며 빛은 이를 "알지" 못한 채 이동합니다. 매체의 불균일성은 빛을 더 강하게 산란시키는 일종의 프리즘이 되며, 그 안의 공기 밀도가 평균값과 더 크게 달라집니다. 그리고 물론 그러한 이질성이 더 많이 존재합니다. 평균 빛 파장의 0,1~0,2배에 해당하는 광학적 불균일성을 갖는 매체를 탁하다고 합니다. 탁한 환경에서는 다양한 길이의 광파가 다양한 방식으로 산란됩니다. 즉, 스펙트럼의 파란색 부분인 단파 복사는 더 강하고, 장파 복사는 빨간색 부분이 더 약합니다. 파장에 대한 산란의 의존성은 매우 강합니다. 이는 파장의 0,5제곱에 반비례합니다. 이는 (1,4)에서 적색광(0,7μm)의 파장보다 파장이 1,4μm인 청색광이 탁한 매질에서 산란된다는 것을 의미한다.4=4배 더 강력합니다!
물질의 분자에 떨어지는 전자기파는 전자와 상호 작용합니다. 원자에 너무 약하게 결합되어 파동에 의해 눈에 띄게 변위될 수 있는 전자(따라서 "광전자"라고 함)는 주파수의 제곱에 비례하는 주기적인 가속을 경험하고 교번 자기장을 생성합니다. XNUMX차 전자기파가 장에 나타나며, 그 진폭은 전자의 가속도에 비례하고 강도는 진폭의 제곱에 비례합니다. 따라서 방출된 XNUMX차 광의 강도는 입사광 주파수의 XNUMX제곱에 비례하거나, 마찬가지로 파장의 XNUMX제곱에 반비례합니다. 이 XNUMX차 복사는 탁한 매질에서 산란되는 빛이며, 파장에 대한 강도의 의존성을 레일리의 법칙이라고 합니다.
크기가 빛의 파장(0,5-0,7 미크론)보다 큰 입자는 주로 입사 광선 방향으로 빛을 산란시키고 강도 분포가 상당히 복잡해집니다.
약 0,1 마이크론 크기의 입자는 입사광을 앞뒤로 균일하게 산란시키며, 가로 방향으로는 세로 방향보다 두 배 더 약하게 산란시킵니다. 이 관계를 레일리의 법칙이라고 합니다. 지는 해의 붉은 색, 하늘의 푸른 색, 바닷물의 색을 설명합니다. (얕은 물에서는 모래 바닥에 반사된 노란색이 파란색의 산란광과 섞여 물이 녹색으로 변합니다.) . 같은 이유로 경고등, 브레이크 등 및 기타 위험 신호는 빨간색으로 표시되며(멀리서도 볼 수 있음) 카메라 렌즈의 빨간색 필터는 안개 속에서 촬영할 때 도움이 됩니다. 이러한 사진에서 하늘은 매우 어둡고 거의 검은 색으로 나타나고 잎은 밝고 먼 물체의 세부 사항이 매우 선명하게 나타납니다. (사진사와 영화 제작자는 밝고 화창한 오후에 촬영할 때 빨간색 필터를 사용하여 달밤을 묘사한다는 점을 덧붙여 설명합니다.) 반대로 파란색 필터는 안개가 자욱한 베일 뒤에 숨겨진 신비로운 세계의 느낌을 사진에 만들어냅니다. 전쟁 중에 집 입구는 파란색 펌프로 조명되었습니다. 대기 중으로 빠르게 소멸되는 빛은 공중에서 보이지 않았습니다. 매우 작은 입자는 입사 광선을 따라 그리고 입사 광선에 대해 똑같이 강하게 빛을 산란시키며, 수직 방향에서는 2배 더 약합니다. 이에 따라 하늘의 채도가 변경됩니다. 입자가 커질수록 이 관계는 훨씬 더 복잡해집니다. 빛은 주로 입사광 방향으로 앞으로 산란되기 시작하고 스펙트럼 구성도 변경됩니다. 파장에 대한 의존성은 Rapey(Lambda4)가 아니라 2차(LambdaXNUMX)가 됩니다. 입자가 더욱 커지면 모든 파장을 균등하게 산란하기 시작합니다. 이는 가벼운 안개가 두꺼워지고 유백색 안개로 변할 때 발생합니다. 이러한 이유로 노란색-주황색 "안개" 자동차 헤드라이트는 실제로 안개 속에서 작동하지 않습니다. 안개 속에서의 빛은 백색광만큼 산란됩니다. 또한, 안개가 심할 경우 붉게 변하며 움직이는 자동차의 후미등과 혼동될 수 있습니다(때로는 가장 비극적인 결과가 발생함). 대초원과 사막에서 희끄무레한 하늘은 놀라운 신호입니다. 그는 강한 바람, 즉 허리케인이 다가오고 있으며 고운 모래와 먼지 구름을 공중으로 일으키고 있다고 말합니다. 그리고 공기를 "씻은" 비만이 푸른 하늘로 돌아갈 수 있습니다. 징조도 사실입니다. "달이 바람과 악천후로 인해 붉게 변합니다." 바람은 서로 다른 온도의 공기층을 집중적으로 혼합합니다. 변동폭이 급격히 증가합니다. 간단한 실험을 통해 투과광과 산란광의 색상이 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다(그림 참조). 약한 차아황산염 용액을 유리병에 붓습니다. 오버헤드 프로젝터에서 나온 백색광선이 용기를 통과하여 종이 스크린에 초점이 맞춰져 빛의 원을 생성합니다. 그런 다음 묽은 염산을 병에 한 방울씩 첨가합니다(용액의 농도는 실험적으로 선택됩니다). 몇 분 후, 미세하게 분산된 황인 반응 생성물이 용액에서 침전되기 시작합니다. 유황 입자의 크기가 증가하고 동시에 화면의 광점은 처음에는 노란색으로 변한 다음 빨간색으로 변하고 최종적으로는 진홍색으로 변해 마치 석양을 연상시킵니다. 실험 초기에는 완전히 투명했던 용기 내 용액은 파란색을 띠다가 결국 안개처럼 희끄무레하게 변합니다. 유황 입자가 바닥에 가라앉을 때까지 기다리면 용액은 다시 투명해지고 광점은 흰색이 됩니다. 음파와 물결은 비슷한 방식으로 동작합니다. 즉, 낮은 주파수는 높은 주파수보다 훨씬 덜 산란됩니다. 소리 진동은 전자기 진동과 완전히 다른 방식으로 환경과 상호 작용합니다. 공기 분자의 개별 전자가 아니라 밀도가 증가한 전체 영역과 그 안에 부유하는 입자를 "흔들게"합니다. 안개는 소리를 특히 강하게 분산시키고 흡수합니다. 안개 속의 소리는 약해지고 작아지며, 그 소리가 어디서 나오는지 판단하기가 어렵습니다. 때로는 먼 물체에서 반사되는 소리, 즉 에코로 인해 흥미로운 일이 발생합니다. J. Rayleigh는 소나무 숲의 벽에서 반사되는 목소리의 소리가 한 옥타브 증가하는 경우를 조사했습니다. 고정된 장애물의 반사 때문에 소리 진동의 주파수가 증가할 수 없다는 것은 매우 분명합니다. 그러나 인간의 목소리에는 기본 톤 외에도 우리가 일반적으로 인식하지 못하는 더 높은 주파수의 배음이 많이 포함되어 있습니다. 얇고 성긴 바늘을 가진 소나무는 낮은 주파수를 잘 전달하고 높은 주파수를 반사하는 소리의 "혼탁한 매체" 역할을 합니다. 그의 목소리의 배음만이 관찰자에게 돌아오고, 전체 소리가 갑자기 높아진 것 같습니다. 작가, 시인, 작곡가 등 창의적인 인식이 높은 사람들은 대기 음향의 이러한 특징을 잘 알고 있습니다. A.P. Chekhov의 이야기 "Doctor"에는 주목할만한 문구가 있습니다. "이때 다차원에서 연주하는 오케스트라의 소리가 마당에서 또렷이 들려왔습니다. 트럼펫뿐만 아니라 바이올린, 플루트 소리까지 들렸습니다." 야외에서는 특히 유리한 조건에서만 플루트와 바이올린을 멀리서 들을 수 있습니다. 그리고 떠나는 군악단을 묘사하는 작곡가들은 소리의 음량을 줄일뿐만 아니라 우선 모든 고음을 점차적으로 제거합니다. 음악 소리는 점점 더 조용해지고, 멜로디는 점차 사라지고, 커다란 북의 둔탁한 비트와 베이스 헬리콘의 희미해지는 한숨만 남는다. 연대가 떠났다... 붉은 해가 뜬다... 백색광은 색을 바꿉니다
우리가 매일 보는 많은 광학 현상은 서로 다른 파장의 빛이 경로를 따라 다르게 산란되기 때문에 발생합니다. 수평선 근처의 태양(일출과 일몰 시)은 항상 빨간색입니다. 저녁 하늘이 파란색이나 청록색인 경우는 거의 없습니다. 이는 지상층의 공기에 먼지와 습기가 전혀 없는 경우에만 가능합니다. 새벽의 색깔은 먼지가 많은 대기에 흩어져 있는 다양한 길이의 빛의 파동을 혼합하여 만들어집니다. Mayakovskaya 지하철역 에스컬레이터에 있는 램프의 우유 공과 테이블 램프의 무광택 캡. 극도로 미세한 불투명 염료를 함유한 우유 유리는 빛의 "탁한 매체" 역할을 하며 스펙트럼의 단파장 부분을 강하게 산란시킵니다. 따라서 램프의 필라멘트는 백열로 가열되어 진한 빨간색으로 나타납니다. 반투명 유리의 거친 긁힘은 모든 길이의 전자파를 균등하게 분산시켜 램프 커버 전체가 하얗게 빛납니다.
저자: S.Trankovsky
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