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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
El sol rojo saldrá. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños El color del cielo, el color del Sol y la Luna, muchos fenómenos ópticos y acústicos están determinados por el hecho de que ondas electromagnéticas y elásticas de diferente longitud se dispersan en la atmósfera de diferentes formas, obedeciendo la ley de Rayleigh. En verano, pocas personas ven el sol naciente: sale demasiado temprano. Pero las puestas de sol aparecen ante nosotros en todo su esplendor: una enorme bola, cambiando su color de rojo brillante a granate, desciende lentamente por el cielo azul, tiñéndolo de tonos amarillos, verdes, rosas, y desaparece más allá del horizonte... Cuando - Se creía que el aire en sí tiene un color azul y por lo tanto la atmósfera absorbe los rayos rojos. Pero entonces el Sol y la Luna en el horizonte parecerían más azulados que en el cenit: los rayos de luz de ellos, antes de llegar al observador, atraviesan cuanto mayor es el espesor del aire, más baja desciende la luminaria. Después del advenimiento de la teoría electromagnética de la luz, quedó claro que las ondas de luz en la atmósfera deben ser dispersadas por partículas suspendidas en el aire, como ondas en el agua: piedras y rocas que se interponen en su camino. Esto fue sugerido y probado experimentalmente en 1868 por el físico inglés J. Tyndall. Sin embargo, tres años más tarde, J.W. Rayleigh demostró que la dispersión de la luz también debería ocurrir en una atmósfera idealmente limpia debido a sus faltas de homogeneidad óptica: fluctuaciones de densidad. Estas faltas de homogeneidad surgen continuamente como resultado de una acumulación aleatoria de moléculas durante su movimiento térmico y se disuelven instantáneamente para volver a formarse en otro lugar. La luz que pasa por un vacío o por un medio absolutamente homogéneo no se dispersa: las dimensiones de las moléculas son miles de veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz, y la luz viaja sin "advertirlas". Las faltas de homogeneidad del medio se convierten en una especie de prismas, que dispersan la luz con más fuerza cuanto más difiere la densidad del aire en ellos del valor medio. Y, por supuesto, cuanto más falta de homogeneidad. Un medio con heterogeneidades ópticas que miden 0,1-0,2 de la longitud de onda promedio de la luz se llama turbio. En un medio turbio, las ondas de luz de diferentes longitudes se dispersan de manera diferente: radiación de onda corta, la parte azul del espectro es más fuerte, onda larga, el rojo es más débil. La dependencia de la dispersión de la longitud de onda es muy fuerte: es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Esto significa que la luz azul, cuya longitud de onda (0,5 μm) es 1,4 veces menor que la longitud de onda de la luz roja (0,7 μm), se dispersa en un medio turbio en (1,4)4=4 veces más fuerte!
Una onda electromagnética, al caer sobre las moléculas de una sustancia, interactúa con sus electrones. Los electrones unidos a los átomos tan débilmente que pueden ser desplazados notablemente por la acción de la onda (por lo tanto, se denominan "electrones ópticos") experimentan una aceleración periódica proporcional al cuadrado de la frecuencia y generan un campo magnético alterno. En el campo surge una onda electromagnética secundaria, cuya amplitud es proporcional a la aceleración del electrón, y la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud. Así, la intensidad de la luz secundaria emitida es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia de la luz incidente, o lo que es lo mismo, inversamente proporcional a la cuarta potencia de su longitud de onda. Esta radiación secundaria es la luz dispersada en un medio turbio, y la dependencia de su intensidad con la longitud de onda se denomina ley de Rayleigh.
Las partículas más grandes que la longitud de onda de la luz (0,5-0,7 μm) dispersan la luz principalmente en la dirección del haz incidente y la distribución de su intensidad se vuelve bastante compleja.
Las partículas con un tamaño de aproximadamente 0,1 μm dispersan la luz incidente por igual hacia adelante y hacia atrás y en la dirección transversal es dos veces más débil que en la dirección longitudinal. Esta relación se llama ley de Rayleigh. Explica el color rojo del sol poniente, el color azul del cielo y el color del agua del mar (en aguas poco profundas, el amarillo, reflejado en el fondo arenoso, se agrega a la luz azul difusa y el agua se vuelve verde) . Por la misma razón, las luces de advertencia, las luces de freno y otras señales de peligro se vuelven rojas (se pueden ver desde lejos), y un filtro rojo en la lente de la cámara ayuda cuando se dispara con neblina. En tales imágenes, el cielo es muy oscuro, casi negro, el follaje es claro y los detalles de los objetos distantes se ven con bastante claridad. (Tenga en cuenta, de paso, que los fotógrafos y directores de fotografía usan un filtro rojo para representar una noche iluminada por la luna cuando filman en una tarde soleada). El filtro azul, por el contrario, crea la sensación de un mundo misterioso escondido detrás de un velo de niebla en la imagen. Durante la guerra, las entradas de las casas estaban iluminadas con pampas azules: su luz, que se disipaba rápidamente en la atmósfera, no era visible desde el aire. Las partículas muy pequeñas dispersan la luz con la misma fuerza a lo largo del haz incidente y contra él, y 2 veces más débiles, en la dirección perpendicular. La saturación de color del cielo también cambia en consecuencia. Cuando las partículas se vuelven más grandes, esta dependencia se vuelve mucho más compleja. La luz comienza a dispersarse principalmente hacia adelante, en la dirección de la luz incidente, y también cambia su composición espectral. La dependencia de la longitud de onda no se vuelve Rapey (Lambda4), sino cuadrática (Lambda2). A medida que se vuelven aún más grandes, las partículas comienzan a dispersarse por igual en todas las longitudes de onda. Esto sucede cuando una neblina ligera se espesa y se convierte en una niebla blanca lechosa. Por esta razón, las luces de automóvil "antiniebla" de color amarillo anaranjado no funcionan realmente en la niebla: su luz se dispersa allí tanto como el blanco. Además: en una neblina fuerte, se vuelve rojizo y puede confundirse con las luces traseras de un automóvil que retrocede (a veces con las consecuencias más desafortunadas). En las estepas y desiertos, un cielo blanquecino es una señal alarmante. Dice que viene un viento fuerte, un huracán que levanta nubes de arena fina y polvo en el aire. Y solo la lluvia, "lavando" el aire, puede devolver el cielo azul. El letrero también es justo: "La luna se vuelve roja, por el viento y el mal tiempo". El viento mezcla intensamente capas de aire de diferentes temperaturas; el número de fluctuaciones aumenta bruscamente en este caso. Al configurar un experimento simple, puede ver cómo cambian los colores de la luz transmitida y dispersada (ver figura). Se vierte una solución débil de hiposulfito en un frasco de vidrio. Un haz de luz blanca de un proyector de diapositivas pasa a través de un recipiente y se enfoca en una pantalla de papel para formar un círculo de luz. Luego se agrega gota a gota ácido clorhídrico diluido al frasco (la concentración de soluciones se selecciona empíricamente). Después de unos minutos, el producto de reacción, azufre finamente disperso, comenzará a precipitar de la solución. Las partículas de azufre aumentan de tamaño y, al mismo tiempo, el punto de luz en la pantalla se vuelve primero amarillo, luego rojo y finalmente carmesí, que recuerda al sol poniente. La solución en el recipiente, que era completamente transparente al comienzo del experimento, adquiere un color azul, que eventualmente se vuelve blanquecino, como una niebla. Si espera hasta que las partículas de azufre se asienten en el fondo, la solución volverá a ser transparente y el punto de luz se volverá blanco. Las ondas de sonido y las ondas en el agua se comportan de manera similar: sus bajas frecuencias también se dispersan mucho más débilmente que las altas. Las vibraciones del sonido interactúan con el medio de una manera completamente diferente a las vibraciones electromagnéticas: no "oscilan" electrones individuales en las moléculas de aire, sino áreas enteras de mayor densidad y partículas suspendidas en ellas. La niebla disipa y absorbe el sonido con especial fuerza. Los sonidos en la niebla se amortiguan, se vuelven bajos y es difícil determinar de dónde provienen. A veces suceden cosas interesantes con el sonido reflejado por objetos distantes: un eco. J. Rayleigh investigó el caso cuando el sonido de una voz reflejada en la pared de un bosque de pinos subió una octava. Es bastante obvio que la frecuencia de las vibraciones del sonido no puede aumentar solo debido a la reflexión de un obstáculo inamovible. Pero la voz humana, además del tono fundamental, contiene muchos matices adicionales de una frecuencia más alta, que normalmente no percibimos. Los pinos, con sus agujas delgadas y escasas, sirven como un "medio fangoso" para el sonido, que transmite bien las frecuencias bajas y refleja las altas. Solo los sobretonos de su voz regresan al observador, y parece que todo el sonido de repente se volvió más alto. Las personas con una percepción creativa elevada (escritores, poetas, compositores) son muy conscientes de esta característica de la acústica atmosférica. En la historia "Doctor" de A.P. Chekhov hay una frase notable: "En ese momento, los sonidos de una orquesta tocando en el círculo de la dacha se escucharon claramente desde el patio. No solo se escucharon trompetas, sino también violines y flautas". Al aire libre, la flauta y el violín realmente se pueden escuchar desde lejos solo en condiciones especialmente favorables. Y los compositores, que representan a la orquesta militar saliente, no solo reducen el volumen de su sonido, sino que, en primer lugar, eliminan gradualmente todos los sonidos altos. La música se vuelve más tranquila, la melodía desaparece gradualmente y solo quedan los golpes apagados del bombo y los suspiros que se desvanecen del helicón bajo. El regimiento se ha ido... El sol rojo está saliendo... La luz blanca cambia de color
Muchos de los fenómenos ópticos que vemos a diario se deben al hecho de que la luz de diferentes longitudes de onda se dispersa de manera diferente a lo largo de su trayectoria. El sol cerca del horizonte, al amanecer y al atardecer, siempre es rojo. El cielo de la tarde es azul o azul muy raramente, solo cuando el aire en la capa superficial está completamente libre de polvo y humedad. Los colores del amanecer crean, mezclándose, ondas de luz de diferentes longitudes dispersas en una atmósfera polvorienta. La bola de leche de la lámpara de la escalera mecánica de la estación de metro Mayakovskaya y la tapa esmerilada de la lámpara de mesa. El vidrio lechoso, que contiene un tinte opaco extremadamente fino, sirve como un "medio fangoso" para la luz, dispersando fuertemente la parte del espectro de longitud de onda corta. Por lo tanto, el filamento de una lámpara al rojo vivo aparece de color rojo oscuro. Los rasguños ásperos en el vidrio esmerilado dispersan las ondas electromagnéticas de cualquier longitud por igual, y toda la cubierta de la lámpara brilla con luz blanca.
Autor: S.Trankovsky
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