Màu sắc ánh sáng xung quanh

20

Màu sắc ánh sáng xung quanh

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. BOROVOY

Màu xanh của bầu trời, những đám mây trắng không ngừng thay đổi hình dạng, màu sắc của bình minh và hoàng hôn luôn gợi lên cảm giác ngưỡng mộ trong lòng người. Họ nuôi dưỡng trí tưởng tượng của các tư thế và nghệ sĩ, và đương nhiên thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.

Leonardo da Vinci viết: “Màu xanh trên không được sinh ra từ mật độ rắn của không khí được chiếu sáng, nằm giữa bề mặt trên và trái đất”. Khoảng một trăm năm trước, vào năm 1869, nhà vật lý và nhà phổ biến khoa học nổi tiếng người Anh J. Tyndall lần đầu tiên tiến hành các thí nghiệm trong đó ông quan sát thấy sắc xanh của ánh sáng tán xạ. Tuy nhiên, phải mất thêm một chút nỗ lực và công sức của các nhà khoa học như Rayleigh, Smoluchovsky, Mandelstam, Einstein để cuối cùng giải thích được màu sắc của bầu trời ban ngày và buổi tối bằng ánh sáng khuếch tán.

Chúng ta sẽ bắt đầu làm quen với hiện tượng này bằng các thí nghiệm mô hình đơn giản, sau đó chúng ta sẽ cố gắng giải thích một cách định tính các kết quả thu được và từ đó chúng ta “xây một cây cầu” theo màu sắc của bầu trời.

I. Đối với các thí nghiệm, bạn cần một chiếc bình có thành thẳng với thành chắc chắn, chẳng hạn như một bể cá. Chiều dài của nó phải ít nhất là 30 cm. Ngoài tàu, bạn sẽ cần một nguồn sáng tạo ra chùm tia phân kỳ yếu. Bạn có thể sử dụng máy chiếu slide, đặt một mảnh giấy đen có đường kính lệch 2-3 mm vào vị trí của slide ở giữa hoặc bạn có thể sử dụng đèn pin điện khá mạnh cho mục đích này.

Các nghi lễ phải được thực hiện trong phòng tối.

Đổ nước vào bình và chiếu một chùm ánh sáng xuyên qua nó dọc theo cạnh dài của bình (như trong hình). Bây giờ hãy nhìn nó từ bên cạnh. Nước càng sạch thì càng ít bong bóng, hạt bụi và các tạp chất lạ khác trong đó thì chùm tia càng ít được chú ý. Nó chỉ chiếu sáng nhẹ con tàu ở ranh giới không khí - thủy tinh và thủy tinh - nước. Tuy nhiên, người ta chỉ phải phá vỡ sự đồng nhất

21

chất lỏng, chẳng hạn, bắt đầu trộn nước hoặc đun nóng nó (hãy tự tìm ra cách thực hiện việc này), và ở những nơi không hoàn hảo, sự tán xạ ánh sáng, độ lệch của nó theo nhiều hướng khác nhau, sẽ trở nên mãnh liệt hơn đáng kể. (Ở đây chúng ta có thể nhớ lại một sự thật nổi tiếng: chúng ta có thể nhìn thấy tia nắng xuyên qua khe hở trên tấm rèm từ bên cạnh bởi các hạt bụi phát sáng trong đó.)

Từ thí nghiệm này, chúng ta có thể kết luận rằng ánh sáng truyền trong chất lỏng đồng nhất không bị tán xạ (hoặc tán xạ rất yếu).

Bây giờ chúng ta sẽ thêm sữa và chất lỏng cỡ vừa phải vào từng giọt nước. Các hạt chất béo chứa eros trong sữa không tan trong nước mà lơ lửng trong đó. Sau khi thêm những giọt đầu tiên, ánh sáng khuếch tán sẽ trở nên rõ ràng hơn nhiều. Xin lưu ý - nó có tông màu hơi xanh. (Đôi khi, hiệu ứng tương tự cũng được quan sát thấy nếu trong sương mù nhẹ, bạn nhìn từ bên cạnh đèn pha của một chiếc ô tô đang chạy qua.)

Bằng cách tăng dần nồng độ sữa, chúng ta sẽ thấy ánh sáng xanh của ánh sáng tán xạ đã trộn ở cuối đường thành màu vàng hoặc thậm chí là đỏ. Ánh sáng đi qua bình cũng sẽ có ánh sáng tương tự.

Khi có nhiều sữa, ánh sáng tán xạ sẽ chuyển sang màu trắng.

Có thể rút ra một số kết luận nữa: vi phạm tính đồng nhất của chất lỏng bằng cách thêm các phần rất nhỏ vào nó dẫn đến sự gia tăng tán xạ, trong khi ánh sáng xanh bị tán xạ mạnh hơn và ánh sáng đỏ bị tán xạ yếu hơn, do đó ánh sáng trắng truyền qua chất lỏng như vậy được “làm giàu” bằng màu đỏ; nếu có nhiều phần và chúng tạo thành toàn bộ cụm thì ánh sáng tán xạ sẽ có màu trắng.

II. Một lời giải thích định tính về bán buôn có thể được hiểu dựa trên các thực tế sau:

a) Bất kỳ điện tích nào chuyển động với tốc độ nhanh hơn (ví dụ như dao động) đều phát ra sóng điện từ. Bức xạ (của hạt dao động) càng mạnh thì gia tốc càng lớn.

b) Sóng điện từ tại mỗi điểm trong môi trường mà nó truyền tới sẽ tạo ra một trường điện từ xen kẽ.

b) Sóng từ các điện tích dao động với một phần cộng lại sao cho tại một điểm chúng có thể khuếch đại và tại các điểm khác triệt tiêu lẫn nhau.

d) Ánh sáng là sóng điện từ. Ánh sáng trắng nhìn thấy được là tập hợp các sóng điện từ trong đó màu tím và xanh lam có bước sóng ngắn hơn ($\lambda = (4 - 5) \cdot 10^{-7} \text{ m}$) và bước sóng dài hơn đối với màu vàng và đỏ ($\lambda = (6 - 7) \cdot 10^{-7} \text{ m}$).

Khi ánh sáng truyền qua một môi trường đồng nhất, trường xen kẽ của nó sẽ kích thích sự dao động của các electron trong nguyên tử và chúng bắt đầu cuốn trôi sóng điện từ của cùng một hạt. Nhưng, như tính toán cho thấy, bức xạ của chúng đẩy nhau theo mọi hướng ngoại trừ hướng truyền ánh sáng. Nếu môi trường đồng nhất một cách lý tưởng thì chúng ta sẽ không nhìn thấy ánh sáng tán xạ nào cả.

Đó là một vấn đề khác khi môi trường nghèo nàn. Sự hiện diện của các khuyết tật tạo ra đủ loại điều kiện cho việc bổ sung các sóng thứ cấp và sự tán xạ ánh sáng theo các hướng khác nhau sẽ xảy ra.

Nếu khuyết tật có kích thước nhỏ (nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới) thì sự tán xạ ánh sáng được mô tả bằng định luật do nhà vật lý người Anh Rayleigh phát hiện năm 1871: cường độ ánh sáng tán xạ tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của hạt (tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của sóng). Do đó, ánh sáng xanh bị tán xạ mạnh hơn nhiều so với ánh sáng bao quanh ở dạng khí và màu của ánh sáng truyền qua chất lỏng trở thành màu đỏ. Tipdal được mô tả như sau: “Chúng tôi quan sát thấy màu xanh lam chứa