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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Die rote Sonne wird aufgehen. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Die Farbe des Himmels, die Farbe der Sonne und des Mondes sowie viele optische und akustische Phänomene werden dadurch bestimmt, dass elektromagnetische und elastische Wellen unterschiedlicher Länge in der Atmosphäre auf unterschiedliche Weise gestreut werden und dem Rayleigh-Gesetz gehorchen. Im Sommer sehen nur wenige Menschen die aufgehende Sonne – sie geht zu früh auf. Aber die Sonnenuntergänge erscheinen in all ihrer Pracht vor uns: Eine riesige Kugel, die ihre Farbe von leuchtendem Rot zu Kastanienbraun ändert, senkt sich langsam über den blauen Himmel, färbt ihn in Gelb-, Grün- und Rosatönen und verschwindet hinter dem Horizont ... Wann - Es wurde angenommen, dass die Luft selbst eine blaue Farbe hat und die Atmosphäre daher rote Strahlen absorbiert. Aber dann würden Sonne und Mond am Horizont bläulicher erscheinen als im Zenit: Die Lichtstrahlen von ihnen durchdringen, bevor sie den Beobachter erreichen, die Luft, je dicker sie ist, desto tiefer sinkt sie. Nach dem Aufkommen der elektromagnetischen Lichttheorie wurde klar, dass Lichtwellen in der Atmosphäre von in der Luft schwebenden Partikeln gestreut werden müssen, wie Wellen auf Wasser – Steinen und Felsen, die ihnen im Weg stehen. Dies wurde 1868 vom englischen Physiker J. Tyndall vorgeschlagen und experimentell bewiesen. Drei Jahre später zeigte J.W. Rayleigh jedoch, dass Lichtstreuung auch in einer ideal sauberen Atmosphäre an seinen optischen Inhomogenitäten – Dichteschwankungen – auftreten sollte. Diese Inhomogenitäten entstehen kontinuierlich durch zufällige Ansammlung von Molekülen während ihrer thermischen Bewegung und lösen sich augenblicklich auf, um sich an anderer Stelle wieder zu bilden. Licht, das durch einen Hohlraum oder durch ein absolut homogenes Medium dringt, wird nicht gestreut: Die Abmessungen der Moleküle sind tausende Male kleiner als die Wellenlänge des Lichts, und das Licht breitet sich aus, ohne sie zu „bemerken“. Die Inhomogenitäten des Mediums werden zu einer Art Prismen, die das Licht umso stärker streuen, je mehr die Luftdichte in ihnen vom Durchschnittswert abweicht. Und natürlich umso mehr solcher Inhomogenitäten. Ein Medium mit optischen Inhomogenitäten von 0,1–0,2 der durchschnittlichen Lichtwellenlänge wird als trüb bezeichnet. In einem trüben Medium streuen Lichtwellen unterschiedlicher Länge unterschiedlich: Bei kurzwelliger Strahlung ist der blaue Teil des Spektrums stärker, bei langwelliger roter Strahlung schwächer. Die Abhängigkeit der Streuung von der Wellenlänge ist sehr stark – sie ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Dies bedeutet, dass blaues Licht, dessen Wellenlänge (0,5 μm) 1,4-mal kleiner ist als die Wellenlänge von rotem Licht (0,7 μm), in einem trüben Medium in (1,4) gestreut wird.4=4 mal stärker!
Eine elektromagnetische Welle, die auf die Moleküle einer Substanz fällt, interagiert mit deren Elektronen. Elektronen, die so schwach an Atome gebunden sind, dass sie durch die Wirkung der Welle merklich verschoben werden können (sie werden daher „optische Elektronen“ genannt), erfahren eine periodische Beschleunigung proportional zum Quadrat der Frequenz und erzeugen ein magnetisches Wechselfeld. Im Feld entsteht eine sekundäre elektromagnetische Welle, deren Amplitude proportional zur Beschleunigung des Elektrons und deren Intensität proportional zum Quadrat der Amplitude ist. Somit ist die Intensität des emittierten Sekundärlichts proportional zur vierten Potenz der Frequenz des einfallenden Lichts, oder – was dasselbe ist – umgekehrt proportional zur vierten Potenz seiner Wellenlänge. Diese Sekundärstrahlung ist das in einem trüben Medium gestreute Licht, und die Abhängigkeit ihrer Intensität von der Wellenlänge wird Rayleigh-Gesetz genannt.
Partikel, die größer als die Wellenlänge des Lichts (0,5–0,7 μm) sind, streuen das Licht hauptsächlich in Richtung des einfallenden Strahls, und die Verteilung seiner Intensität wird ziemlich komplex.
Partikel mit einer Größe von etwa 0,1 μm streuen das einfallende Licht gleichmäßig nach vorne und hinten und sind in Querrichtung doppelt so schwach wie in Längsrichtung. Diese Beziehung wird Rayleighs Gesetz genannt. Es erklärt die rote Farbe der untergehenden Sonne, die blaue Farbe des Himmels und die Farbe des Meerwassers (im flachen Wasser wird Gelb, das vom Sandboden reflektiert wird, zum blauen diffusen Licht hinzugefügt, und das Wasser wird grün). . Aus dem gleichen Grund sind Warnleuchten, Bremslichter und andere Gefahrenzeichen rot (sie sind weithin sichtbar) und ein Rotfilter am Kameraobjektiv hilft bei Aufnahmen im Dunst. Auf solchen Bildern ist der Himmel sehr dunkel, fast schwarz, das Laub hell und die Details entfernter Objekte kommen recht deutlich zum Vorschein. (Beachten Sie nebenbei, dass Fotografen und Kameraleute einen Rotfilter verwenden, um eine Mondnacht darzustellen, wenn sie an einem hellen, sonnigen Nachmittag fotografieren.) Der Blaufilter hingegen erzeugt den Eindruck einer geheimnisvollen Welt, die sich hinter einem nebligen Schleier im Bild verbirgt. Während des Krieges wurden die Hauseingänge mit blauen Pampas beleuchtet – ihr Licht, das sich schnell in der Atmosphäre auflöste, war aus der Luft nicht sichtbar. Sehr kleine Partikel streuen das Licht entlang des einfallenden Strahls und gegen ihn gleich stark und zweimal schwächer – in senkrechter Richtung. Auch die Farbsättigung des Himmels ändert sich entsprechend. Je größer die Teilchen werden, desto komplexer wird dieser Zusammenhang. Das Licht beginnt hauptsächlich nach vorne, in Richtung des einfallenden Lichts, zu streuen und auch seine spektrale Zusammensetzung ändert sich. Die Abhängigkeit von der Wellenlänge wird nicht rapey (Lambda2), sondern quadratisch (Lambda4). Wenn sie noch größer werden, beginnen die Teilchen, alle Wellenlängen gleichmäßig zu streuen. Dies geschieht, wenn sich ein leichter Dunst verdichtet und in einen milchig-weißen Nebel übergeht. Aus diesem Grund funktionieren gelb-orange „Nebel“-Autolichter bei Nebel nicht wirklich: Ihr Licht wird dort genauso stark gestreut wie weißes. Außerdem: Bei starkem Dunst verfärbt es sich rötlich und kann mit den Rücklichtern eines zurückweichenden Autos verwechselt werden (manchmal mit den unglücklichsten Folgen). In den Steppen und Wüsten ist ein weißlicher Himmel ein alarmierendes Zeichen. Er sagt, dass ein starker Wind kommt, ein Hurrikan, der Wolken aus feinem Sand und Staub in die Luft wirbelt. Und nur Regen, der die Luft „wäscht“, kann den Himmel wieder blau machen. Auch das Zeichen ist gerecht: „Der Mond wird rot – zum Wind und zum schlechten Wetter.“ Der Wind vermischt intensiv Luftschichten unterschiedlicher Temperatur; die Zahl der Schwankungen nimmt in diesem Fall stark zu. Durch den Aufbau eines einfachen Experiments können Sie sehen, wie sich die Farben von Durchlicht und Streulicht ändern (siehe Abbildung). Eine schwache Hyposulfitlösung wird in ein Glasgefäß gegossen. Ein weißer Lichtstrahl von einem Diaprojektor wird durch ein Gefäß geleitet und auf eine Papierleinwand fokussiert, um einen Lichtkreis zu bilden. Anschließend wird verdünnte Salzsäure tropfenweise in das Gefäß gegeben (die Konzentration der Lösungen wird empirisch ausgewählt). Nach einigen Minuten beginnt das Reaktionsprodukt, fein dispergierter Schwefel, aus der Lösung auszufallen. Die Schwefelpartikel nehmen an Größe zu und gleichzeitig verfärbt sich der Lichtfleck auf dem Bildschirm zunächst gelb, dann rot und schließlich purpurrot, was an die untergehende Sonne erinnert. Die Lösung im Gefäß, die zu Beginn des Experiments völlig transparent war, nimmt eine blaue Farbe an, die schließlich weißlich wird, wie Nebel. Wenn Sie warten, bis sich die Schwefelpartikel am Boden absetzen, wird die Lösung wieder transparent und der Lichtfleck wird weiß. Schallwellen und Wellen auf dem Wasser verhalten sich ähnlich: Auch ihre niedrigen Frequenzen werden deutlich schwächer gestreut als hohe. Schallschwingungen interagieren auf ganz andere Weise mit dem Medium als elektromagnetische Schwingungen – sie „schwingen“ nicht einzelne Elektronen in Luftmolekülen, sondern ganze Bereiche erhöhter Dichte und darin schwebende Partikel. Nebel löst sich auf und absorbiert Schall besonders stark. Geräusche im Nebel werden gedämpft, leise und es ist schwierig zu bestimmen, woher sie kommen. Manchmal passieren interessante Dinge mit Schall, der von entfernten Objekten reflektiert wird – einem Echo. J. Rayleigh untersuchte den Fall, dass der Klang einer Stimme, die von der Wand eines Kiefernwaldes reflektiert wurde, um eine Oktave anstieg. Es liegt auf der Hand, dass die Frequenz von Schallschwingungen nicht allein durch die Reflexion an einem unbeweglichen Hindernis zunehmen kann. Doch die menschliche Stimme enthält neben dem Grundton viele weitere Obertöne höherer Frequenz, die wir normalerweise nicht wahrnehmen. Kiefern mit ihren dünnen und spärlichen Nadeln dienen als „schlammiges Medium“ für Schall, das tiefe Frequenzen gut überträgt und hohe reflektiert. Lediglich die Obertöne seiner Stimme kehren zum Betrachter zurück, und es scheint, als sei der gesamte Klang plötzlich höher geworden. Menschen mit einem ausgeprägten kreativen Wahrnehmungsvermögen – Schriftsteller, Dichter, Komponisten – sind sich dieser Eigenschaft der atmosphärischen Akustik durchaus bewusst. In A.P. Tschechows Erzählung „Doktor“ gibt es einen bemerkenswerten Satz: „Zu dieser Zeit waren vom Hof aus deutlich die Klänge eines Orchesters zu hören, das im Datscha-Kreis spielte. Nicht nur Trompeten, sondern sogar Geigen und Flöten waren zu hören.“ Im Freien sind Flöte und Geige nur bei besonders günstigen Bedingungen weithin zu hören. Und die Komponisten, die das scheidende Militärorchester darstellen, reduzieren nicht nur die Lautstärke seines Klangs, sondern entfernen zunächst nach und nach alle hohen Töne. Die Musik wird leiser, die Melodie verschwindet allmählich und nur die gedämpften Schläge der Bassdrum und die verklingenden Seufzer des Basshelicons bleiben übrig. Das Regiment ist weg... Die rote Sonne geht auf... Weißes Licht ändert seine Farbe
Viele der optischen Phänomene, die wir täglich beobachten, sind darauf zurückzuführen, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge auf seinem Weg unterschiedlich gestreut wird. Die Sonne in Horizontnähe – bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang – ist immer rot. Der Abendhimmel ist sehr selten blau oder blau – nur dann, wenn die Luft in der Oberflächenschicht völlig staub- und feuchtigkeitsfrei ist. Die Farben der Morgendämmerung erzeugen, sich vermischend, Lichtwellen unterschiedlicher Länge, die in einer staubigen Atmosphäre verstreut sind. Die Milchkugel der Lampe auf der Rolltreppe der U-Bahn-Station Mayakovskaya und die mattierte Kappe der Tischlampe. Milchiges Glas, das einen extrem feinen undurchsichtigen Farbstoff enthält, dient als „trübes Medium“ für Licht und streut den kurzwelligen Teil des Spektrums stark. Ein weißglühender Lampenfaden erscheint daher dunkelrot. Grobe Kratzer auf der Mattscheibe streuen elektromagnetische Wellen beliebiger Länge gleichmäßig und die gesamte Lampenabdeckung leuchtet in weißem Licht.
Autor: S.Trankovsky
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