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LABORATÓRIO CIENTÍFICO INFANTIL
O sol vermelho vai nascer. Laboratório de Ciências para Crianças
Diretório / Laboratório de Ciências para Crianças A cor do céu, a cor do Sol e da Lua, muitos fenômenos ópticos e acústicos são determinados pelo fato de ondas eletromagnéticas e elásticas de diferentes comprimentos se espalharem na atmosfera de maneiras diferentes, obedecendo à lei de Rayleigh. No verão, poucas pessoas veem o sol nascente - ele nasce muito cedo. Mas o pôr do sol aparece diante de nós em toda a sua glória: uma enorme bola, mudando de cor de vermelho vivo para marrom, desce lentamente pelo céu azul, colorindo-o com tons de amarelo, verde, rosa, e desaparece além do horizonte... Quando - Acreditava-se que o próprio ar tem uma cor azul e, portanto, a atmosfera absorve os raios vermelhos. Mas então o Sol e a Lua no horizonte pareceriam mais azulados do que no zênite: os raios de luz deles, antes de atingir o observador, passam quanto maior a espessura do ar, mais baixo o luminar desce. Após o advento da teoria eletromagnética da luz, ficou claro que as ondas de luz na atmosfera devem ser espalhadas por partículas suspensas no ar, como ondas na água - pedras e rochas que ficam em seu caminho. Isso foi sugerido e comprovado experimentalmente em 1868 pelo físico inglês J. Tyndall. No entanto, três anos depois, J.W. Rayleigh mostrou que a dispersão da luz também deveria ocorrer em uma atmosfera idealmente limpa em suas inomogeneidades ópticas - flutuações de densidade. Essas inomogeneidades surgem continuamente como resultado de um acúmulo aleatório de moléculas durante seu movimento térmico e se dissolvem instantaneamente para se formar novamente em outro local. A luz que passa por um vazio ou por um meio absolutamente homogêneo não se espalha: as dimensões das moléculas são milhares de vezes menores que o comprimento de onda da luz, e a luz viaja sem "percebê-las". As não homogeneidades do meio tornam-se uma espécie de prismas, que espalham a luz com mais força, quanto mais a densidade do ar neles difere do valor médio. E, claro, quanto mais tais inomogeneidades. Um meio com heterogeneidades ópticas medindo 0,1-0,2 do comprimento de onda médio da luz é chamado de turvo. Em um meio turvo, as ondas de luz de diferentes comprimentos se espalham de maneira diferente: radiação de ondas curtas, a parte azul do espectro é mais forte, onda longa, vermelha é mais fraca. A dependência da dispersão do comprimento de onda é muito forte - é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Isso significa que a luz azul, cujo comprimento de onda (0,5 μm) é 1,4 vezes menor que o comprimento de onda da luz vermelha (0,7 μm), é espalhada em um meio turvo em (1,4)4=4 vezes mais forte!
Uma onda eletromagnética, caindo nas moléculas de uma substância, interage com seus elétrons. Elétrons tão fracamente ligados a átomos que podem ser visivelmente deslocados pela ação da onda (são, portanto, chamados de "elétrons ópticos") experimentam uma aceleração periódica proporcional ao quadrado da frequência e geram um campo magnético alternado. Uma onda eletromagnética secundária surge no campo, cuja amplitude é proporcional à aceleração do elétron e a intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude. Assim, a intensidade da luz secundária emitida é proporcional à quarta potência da frequência da luz incidente, ou - o que dá no mesmo - inversamente proporcional à quarta potência do seu comprimento de onda. Essa radiação secundária é a luz espalhada em um meio turvo, e a dependência de sua intensidade com o comprimento de onda é chamada de lei de Rayleigh.
Partículas maiores que o comprimento de onda da luz (0,5-0,7 μm) espalham a luz principalmente na direção do feixe incidente, e a distribuição de sua intensidade torna-se bastante complexa.
Partículas com um tamanho de cerca de 0,1 μm espalham a luz incidente igualmente para frente e para trás e na direção transversal é duas vezes mais fraca que na longitudinal. Essa relação é chamada de lei de Rayleigh. Explica a cor vermelha do sol poente, a cor azul do céu e a cor da água do mar (em águas rasas, o amarelo, refletido no fundo arenoso, é adicionado à luz difusa azul e a água fica verde) . Pelo mesmo motivo, as luzes de advertência, as luzes de freio e outros sinais de perigo são vermelhos (podem ser vistos de longe), e um filtro vermelho na lente da câmera ajuda ao fotografar na neblina. Nessas fotos, o céu está muito escuro, quase preto, a folhagem é clara e os detalhes dos objetos distantes aparecem com bastante clareza. (Observe de passagem que fotógrafos e diretores de fotografia usam um filtro vermelho para retratar uma noite de luar ao filmar em uma tarde ensolarada.) O filtro azul, ao contrário, cria a sensação de um mundo misterioso escondido atrás de um véu nebuloso na imagem. Durante a guerra, as entradas das casas eram iluminadas com pampas azuis - sua luz, que se dissipava rapidamente na atmosfera, não era visível do ar. Partículas muito pequenas espalham a luz com a mesma força ao longo do feixe incidente e contra ele, e 2 vezes mais fraca - na direção perpendicular. A saturação de cor do céu também muda de acordo. Quando as partículas se tornam maiores, essa dependência se torna muito mais complexa. A luz começa a se espalhar principalmente para frente, na direção da luz incidente, e sua composição espectral também muda. A dependência do comprimento de onda não se torna Rapey (Lambda4), mas quadrática (Lambda2). À medida que se tornam ainda maiores, as partículas começam a espalhar todos os comprimentos de onda igualmente. Isso acontece quando uma névoa leve engrossa e se transforma em uma névoa branca leitosa. Por esse motivo, os faróis de "neblina" amarelo-laranja realmente não funcionam no nevoeiro: sua luz é espalhada tanto quanto o branco. Além disso: em uma névoa forte, torna-se avermelhado e pode ser confundido com as luzes traseiras de um carro que se afasta (às vezes com as consequências mais infelizes). Nas estepes e desertos, um céu esbranquiçado é um sinal alarmante. Ele diz que vem um vento forte, um furacão que levanta nuvens de areia fina e poeira no ar. E só a chuva, "lavando" o ar, pode devolver o azul do céu. O sinal também é justo: "A lua fica vermelha - com o vento e o mau tempo." O vento mistura intensamente camadas de ar de diferentes temperaturas; o número de flutuações aumenta agudamente neste caso. Ao configurar um experimento simples, você pode ver como as cores da luz transmitida e espalhada mudam (veja a figura). Uma solução fraca de hipossulfito é despejada em uma jarra de vidro. Um feixe de luz branca de um projetor de slides passa por um recipiente e focaliza uma tela de papel para formar um círculo de luz. Em seguida, ácido clorídrico diluído é adicionado gota a gota ao frasco (a concentração das soluções é selecionada empiricamente). Após alguns minutos, o produto da reação, enxofre finamente disperso, começará a precipitar da solução. As partículas de enxofre aumentam de tamanho e, ao mesmo tempo, o ponto de luz na tela fica primeiro amarelo, depois vermelho e, finalmente, carmesim, lembrando o sol poente. A solução no recipiente, que era totalmente transparente no início do experimento, adquire uma coloração azul, que eventualmente se torna esbranquiçada, como neblina. Se você esperar até que as partículas de enxofre se depositem no fundo, a solução ficará novamente transparente e o ponto de luz ficará branco. As ondas sonoras e as ondas na água se comportam de maneira semelhante: suas frequências baixas também são espalhadas muito mais fracas do que as altas. As vibrações sonoras interagem com o meio de uma maneira completamente diferente das vibrações eletromagnéticas - elas "balançam" não elétrons individuais em moléculas de ar, mas áreas inteiras de densidade aumentada e partículas suspensas nela. A névoa se dissipa e absorve o som de forma especialmente forte. Os sons no nevoeiro tornam-se abafados, baixos e é difícil determinar de onde vêm. Coisas interessantes às vezes acontecem com o som refletido de objetos distantes - um eco. J. Rayleigh investigou o caso quando o som de uma voz refletida na parede de uma floresta de pinheiros subiu uma oitava. É bastante óbvio que a frequência das vibrações sonoras não pode aumentar apenas devido à reflexão de um obstáculo imóvel. Mas a voz humana, além do tom fundamental, contém muitos tons adicionais de frequência mais alta, que geralmente não percebemos. Os pinheiros, com suas agulhas finas e esparsas, servem como um "meio lamacento" para o som, que transmite bem as frequências baixas e reflete as altas. Apenas os tons de sua voz retornam ao observador, e parece que todo o som de repente ficou mais alto. Pessoas com percepção criativa elevada - escritores, poetas, compositores - estão bem cientes desse recurso da acústica atmosférica. Na história "Doutor" de A.P. Chekhov, há uma frase notável: "Nessa época, os sons de uma orquestra tocando no círculo da dacha eram ouvidos distintamente do quintal. Não apenas trombetas, mas até violinos e flautas foram ouvidos." Ao ar livre, a flauta e o violino podem ser realmente ouvidos de longe apenas em condições especialmente favoráveis. E os compositores, retratando a orquestra militar de saída, não apenas reduzem o volume de seu som, mas antes de tudo removem gradualmente todos os sons altos. A música fica mais calma, a melodia desaparece gradualmente, e apenas as batidas abafadas do bumbo e os suspiros fracos do baixo helicon permanecem. O regimento se foi... O sol vermelho está nascendo... A luz branca muda de cor
Muitos dos fenômenos ópticos que vemos diariamente se devem ao fato de que a luz de diferentes comprimentos de onda se espalha de maneira diferente ao longo de seu caminho. O sol perto do horizonte - ao nascer e ao pôr do sol - é sempre vermelho. O céu noturno é azul ou azul muito raramente - apenas quando o ar na camada superficial está completamente livre de poeira e umidade. As cores do amanhecer criam, misturando-se, ondas de luz de diferentes comprimentos espalhadas em uma atmosfera empoeirada. A bola de leite da lâmpada na escada rolante da estação de metrô Mayakovskaya e a tampa fosca da luminária de mesa. O vidro leitoso, contendo um corante opaco extremamente fino, serve como um "meio turvo" para a luz, espalhando fortemente a parte de comprimento de onda curto do espectro. Um filamento de lâmpada incandescente, portanto, parece vermelho escuro. Arranhões grosseiros no vidro fosco espalham ondas eletromagnéticas de qualquer comprimento igualmente, e toda a tampa da lâmpada brilha com luz branca.
Autor: S. Trankovsky
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