Немного об устройстве мира, или почему небо синее?

УСТРОЙСТВО МИРА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ НАУКИ

I. ЧТО ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ. МИКРОМИР И ЕГО ЗАКОНЫ. ЧТО ТАКОЕ СВЕТ

Статья также доступна на моём канале в Дзен: Мысли в фокусе (Анализ и Полезная информация) - Немного об устройстве мира, или почему небо синее

Приветствую, читатель!

Испокон веков людей увлекал вопрос: как устроен мир вокруг нас. От простых, но не очевидных вещей, вроде колеса за свойствами которого скрывается математика, геометрия и другие науки, человечество проделало путь до сложных механизмов, микроэлектроники и квантовых компьютеров.

О цели

Путешествие же это началось с любопытства и попытки ответить на фундаментальные вопросы вроде таких, как из чего состоят предметы, что такое вещество и почему у него могут быть разные свойства? Что такое свет, ток и так далее. И чем глубже наука проникает в тайны природы, тем больше приходит понимания как сложно и удивительно организовано окружающее нас пространство, настолько неожиданно его устройство и что всё это работает ещё более загадочным и увлекательным образом, чем магия в мире фентезийных книг.

Цель этой статьи - рассказать о некоторых интересных процессах, встречающихся практически везде в нашем Мире и дать общее представление о том из чего он сам состоит. Я не учёный, хоть и много общался и работал с настоящими учёными, поэтому статья не строго научная и если найдутся неточности, не судите строго. Её цель рассказать о некоторых любопытных явлениях и, скорее, вдохновить на дальнейшую проверку гипотез, поиск информации и знаний. Вместе с тем, статья способна изменить восприятие привычных понятий таким образом, чтобы дать вам возможность взглянуть на Мир под новым углом, тем самым давая пищу для размышлений. Главная её особенность — это большое количество котиков и относительно лёгкий стиль изложения, слегка приправленный юмором и здесь мы окунёмся в природу таких, казалось бы, знакомых, но, если разобраться, удивительных явлений как свет, поймём откуда берутся цвета окружающих предметов, почему они разные и найдём ответы на другие “простые” вопросы, которые зачастую заставляют разводить руками многих взрослых людей. Надеюсь, вам понравится!

Начать мы можем с того, что поговорим о том из каких же “кирпичиков” строится окружающий нас Мир и вся Вселенная. “Кирпичики” эти обычно зовут элементарными частицами, а наш мир - это мир достаточно больших предметов, можно назвать его макромир и находясь в нём наблюдатель этих частиц не видит. Они настолько маленькие, что их невозможно увидеть даже в мощных электронный микроскоп, поэтому судить о них человек может лишь по косвенным признакам, благодаря изучению которых наукой, мы и узнаём об их существовании свойствах. Благодаря этой способности мы можем отправиться в мысленное путешествие вглубь микромира, проникая туда всё дальше и узнавая какими бывают частицы составляющие всё вокруг, как как взаимодействуют друг с другом и из чего состоят сами.

Начнём с того, что отправимся в увлекательное путешествие вглубь материи и сделаем это прямо сейчас. 3… 2… 1… Поехали!

Путешествие в микромир

Итак, известно, что всё в Мире, начиная от нашего собственного тела и заканчивая предметами вокруг нас состоит из вещества, которое может быть в 3 состояниях в зависимости от того, как близко молекулы тела расположены друг к другу:

Клетки, из которых состоят тела живых существ хоть и являются очень маленькими, но тоже состоят из разных веществ, а любое вещество, в свою очередь, состоит из мельчайших частичек – молекул. Молекулы бывают разные и у каждой есть ряд свойств: электрических, оптических, магнитных и, в общем случае, разница между ними зависит от их состава - совокупности атомов (двух и более), это хорошо объясняется в науке химия.

Если взять любой объект нашего мира, например, человека, то цепочка взаимовложенности будет такой:

1. Тело ->

2. Клетки тела, включая клетки внутренних органов ->

3. Молекула -> (Все клетки состоят из молекул разных веществ)

4. Атом -> (А все молекулы - из атомов)

5. Элементарные частицы (атомы состоят из элементарных частиц, а сами частицы вращаются вокруг ядра атома на разных орбитах, само ядро тоже “сделано” из двух видов элементарных частиц) –>

6. Энергия. (считается, что частиц меньше элементарных нет, но есть мнение, что если двигаться ещё дальше вглубь, то окажется, что и они, а следовательно, всё в Мире, состоит из энергии):

Теперь, когда мы всё это представили, вернёмся к атому, как к одному из самых маленьких “кирпичиков” мироздания модель которого была создана в конце 18 - начале 19 века.

Атомы бывают разные, это зависит от принадлежности атома к тому, или иному химическому элементу (об чуть позже). На древнегреческом атом - означает “неделимый”, неужели его никак нельзя разделить? Долгое время считалось, что это невозможно, но в конце 19 века была открыта структура атома и стало ясно, что сам атом тоже состоит из более мелких частиц: у него есть ядро и определённое количество электронов, которые вращаются вокруг этого ядра на своих орбитах. Электроны – это частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд.

А может быть неделимо хотя бы ядро атома? Ответ: снова нет! Ядро тоже можно разделить на более мелкие составляющие, но некоторые способы расщепления ядер, на практике, очень опасны, потому что могут привести к резкому выбросу энергии и тогда произойдёт то, что на картинке:

Поэтому на практике сейчас ядра мы делить не будем, а просто посмотрим из чего же состоит ядро атома в теории.

Частицы

• Один из компонентов ядра – это протоны, частицы которые в отличие от электронов имеют положительный заряд.

• Второй – нейтроны и они, как можно понять из названия, нейтральные, то есть не имеют своего заряда. Протоны и нейтроны — это основные составляющие ядра атома, их ещё называют нуклонами.

• Также есть кое-что удерживающее протоны и нейтроны в ядре вместе и не дающее им разлететься в разные стороны - это так называемые силы “сильного взаимодействия”, которые были введены физиками после того, как выяснилось, что ни электромагнитные, ни гравитационные силы не могут объяснить (читай описать) притяжение этих частиц друг к другу. В физике так происходит довольно часто, ведь если клетки ещё можно увидеть под микроскопом, то всё что мельче: молекулы, атомы и т.д. - уже нет, поэтому устанавливать что там может быть дальше и как это работает учёным приходится по разным косвенным признакам. Если какой-то эффект есть, но для него ещё нет понятия, то оно вводится (постулируется). Так работает большинство научных теорий и чем современнее теория, тем больше в ней разного рода сущностей, введённых “потому, что надо” ведь они позволяют объяснить явление и предсказывать его поведение в дальнейшем.

Забавно, но каждый протон и нейтрон можно тоже разделить на кварки из которых они состоят, хотя я думаю, что нам сейчас хватит и атомарного уровня.

Атом лития – 3 протона, 3 электрона, 4 нейтрона

Поскольку число протонов и нейтронов не совпадает, такой атом называется изотопом. На картинке - изотоп лития.

Представим, например, атом лития, который в своём нейтральном состоянии имеет 3 протона в ядре и 3 электрона вращающихся на орбите вокруг ядра. Почему же электроны не разлетаются от ядра в разные стороны и не покидают свои орбиты? Ответ прост: поскольку электрон – это отрицательно заряженная частица, а ядро любого атома состоит из незаряженного нейтрона и положительно заряженного протона, то из-за разницы потенциалов между этими частицами (у одной +, а у другой -), между протоном и электроном возникает притяжение и это притяжение не даёт электрону улететь далеко от ядра. Чтобы хоть чуть-чуть отодвинуться от своего ядра - перейти на более дальнюю орбиту, электрону нужна дополнительная энергия. Иногда он её получает и это происходит, когда в него “врезается” “кусочек света” – фотон, к примеру, испущенный Солнцем. Фотон – это частица электромагнитного излучения, а свет, вообще говоря, оно и есть, поэтому в некоторых случаях вместо слова фотон можно говорить “квант света”, или световая частица. Кстати, когда мы говорим свет, всегда имеется в ввиду именно тот спектр (отрезок) электромагнитного излучения, который может воспринимать (видеть) человеческий глаз и это излучение с длиной волны примерно от 380 нанометров (частота 790 Терагерц) - до 780 нанометров (395 Терагерц).

Можно было бы пуститься в объяснения того, что такое длины волн и их частоты (***см. пояснения в конце статьи), но сейчас достаточно знать, что разные фотоны несут в себе разное количество энергии и чем больше энергии фотона при соприкосновении “проглотит” электрон, тем дальше он сможет “отпрыгнуть” от ядра атома, встав на более дальнюю орбиту.

Бывает и так, что электрон просто пропускает фотон, не поглощая его энергию. Это происходит, если энергия фотона слишком мала и электрон тогда может его просто "не заметить".

Бывает и наоборот, энергии у фотона так много, что всю её электрон проглотить поглотить не может, поэтому глотает только часть, а оставшееся пролетает дальше со светом.

Если же в электрончик непрерывно “врезаются” фотоны, то он постоянно будет перескакивать на более дальние орбиты и с каждым скачком всё больше и больше удаляться от ядра, после чего получит столько энергии и будет от ядра так далеко, что протоны ядра атома просто не смогут его больше удерживать. Тогда он сможет “сорваться” со своей орбиты и улететь в самостоятельное путешествие!

Именно так учёные стреляют электронами куда вздумается. Такой электрон, покинувший отчий дом свою орбиту, называется свободным, а его бывший атом, в котором число положительно заряженных частиц протонов (+) стало больше, чем отрицательно заряженных, в целом, приобретёт положительный заряд и называется положительно заряженным ионом, или катионом:

Ионы, кстати, и ведут себя иначе: атом, называющийся ионом из-за переизбытка протонов (+), испытывает дефицит электронов (-) и начинает “охотиться” за летящими мимо свободными электронами. Если же таких рядом не оказалось, то он попытается “отобрать” электрон у соседнего атома, даже если это атом другого вещества из-за чего и возникает сила притяжения даже между разными веществами:

Помимо катионов есть ещё и анионы, всё то же самое, только наоборот, электронов (-) в ядре больше, чем протонов (+), так что заряд у таких атомов отрицательный:

Катионы и анионы притягиваются друг к другу.

Упрощённо, это можно продемонстрировать известным экспериментом с наэлектризованной расчёской, которая после расчёсывания волос (в момент которого она забирает у них электроны), начинает притягивать к себе кусочки бумаги. Можно сказать, что из-за избытка электронов, атомы расчёски становятся отрицательно заряженными (-), а в кусочках бумаги существует большое количество положительно заряженных атомов (+), поэтому электроны атомов расчёски начинают активно притягивать протоны атомов бумаги, пытаясь отобрать их. Бумага же тянет свои протоны к себе, но как итог, в силу своего меньшего веса, притягивается к расчёске:

На самом деле там всё несколько сложнее, а именно, кусочки бумаги нейтральны, и заряд в них перераспределяется (поляризуется) под действием электрического поля расчёски, но в целом, принцип должен быть понятен. Ещё одна интересная вещь происходит с электроном, когда он переходит на более низкую орбиту. Так тоже бывает и это происходит, когда другой электрон, поглотив энергию фотона, переходит на уровень выше и на более низкой орбите освобождается место:

Поскольку такая орбита является более низкоэнергетической, для того чтобы на неё перейти электрону нужно освободиться от избытка энергии, и он делает это испуская её в виде электромагнитного излучения, например, в инфракрасном спектре, тогда можно сказать, что электрон излучает тепло.

А иногда выделение энергии происходит и в спектре видимого света:

Длина волн излучения (цвет испускаемого света), зависит от разницы в энергии между орбитами.

Интересные факты:

1. Вес всех электронов в атоме не превышает нескольких десятых процента от веса всего атома. Весь вес атома, более 99%, сосредоточен в его ядре, а электроны, в сравнении с ним, почти ничего не весят.

2. В таблице Менделеева атомы химических веществ располагаются в порядке возрастания количества протонов в ядре. Первый в таблице атом – атом водорода имеет 1 протон, а последний элемент Унбигексий имеет аж 126 протонов! Это самый тяжёлый элемент в таблице. Количество же нейтронов в ядре, если оно не равно количеству протонов, говорит о том, что атом является определённым изотопом.

3. Все изотопы элементов периодической системы Менделеева, начиная с номера 83 (висмут) – радиоактивны.

4. Радиоактивность атома возникает по причине того, что в ядре так много протонов и нейтронов и оно настолько большое, что радиус их ядра больше радиуса сил сильного взаимодействия, которые уже не могут удержать все свои частицы и они начинают разлетаться кто куда излучаясь во все стороны. У каждого элемента есть изотопы с такими вот нестабильными ядрами.

II. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ, ИЛИ КАК ЧАСТИЦА ОДНОВРЕМЕННО МОЖЕТ БЫТЬ ЕЩЁ И ВОЛНОЙ

ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА МИРА

В разделе статьи выше, мы рассмотрели Планетарную модель атома Бора-Резерфорда, но стоит учесть, что это не единственно возможное представление. В этой модели атом является частицей, состоящей из других частиц поменьше, таких как протон, нейтрон и электрон, но некоторые эксперименты достаточно наглядно демонстрируют, что всё отнюдь не так просто и намного более интересно.

Один из таких необычных экспериментов – опыт Юнга, который стал экспериментальным доказательством волновой теории света и демонстрирует парадоксальную природу элементарных частиц. Суть его в следующем: у нас есть источник излучения, который может выпустить как одиночный фотон света, так и целый их пучок с одной стороны, и экран-детектор регистрирующий попадания в него этих частиц с другой. Между ними находится экран-ширма не пропускающая свет, но в ней есть две параллельные прорези особенность которых заключается лишь в том, что их ширина приблизительно равна длине волны испускаемого света.

Выпуская одиночный фотон, проходящий сквозь прорезь, на экране мы регистрируем попадание одиночной частицы в экран-детектор, которое даёт засветку на экране в виде точки.

Старые телевизоры, кстати, так и работали: там электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), по сути, электронная пушка, быстро-быстро стреляла во внутреннюю часть экрана телевизора из-за чего на нём разным цветом, загорались точки, которые образовывали нужную картинку меняющуюся с частотой 25 кадров в секунду, благодаря чему можно было смотреть передачи:

В нашем же эксперименте, когда мы стреляем единичным фотоном, это выглядит как если бы мы выстрелили из пистолета в мишень в тире и пуля оставила бы в ней отверстие. Казалось бы, такой выстрел и засветка в виде пятна наглядно демонстрируют нам, что свет является корпускулами (частицами), но не спешите делать выводы, ведь эксперимент ещё не закончен... Далее, мы начинаем обстреливать экран уже не одиночными электронами, а их очередями (пучками) и тут начинается “магия”, ведь если свет – это поток частиц, то по завершении эксперимента мы должны увидеть на мишени множество точечных засветок, НО… ничего подобного не происходит!

Теперь, вместо точечных попаданий мы видим целые полосы засветки на экране и не смотря на количество прорезей их больше чем две! Причём полосы есть даже в тех местах, в которые, учитывая траекторию своего движения, свет попасть никак не мог и это удивительно:

Полос значительно больше, чем две, что теоретически невозможно, если электрон – это частица, а поток электронов - поток частиц. Как же это объяснить? Можно представить, что свет - это волна и тогда лишние полосы на экране легко объясняются явлением, которое называется интерференция волн. Если просто, то интерференция – это взаимодействие волн между собой, которое может проявляться как взаимное их усиление в одних местах из-за их наложения друг на друга (в таких местах на детекторе мы видим полосы засветки) и взаимное гашение в других (и мы видим чёрные полосы в таких местах потому, что волны туда почти не приходят). К тому же, известно, что когда широкая волна сталкивается с препятствием в котором есть узкое место, то она проходит через это место начиная снова расширяться (см. иллюстрация ниже). Такой же эффект мы бы наблюдали даже в случае с морской волной и пирсом в котором есть аналог прорезей.

И вот кажется, что объяснение найдено, но и это ещё не всё. Всё было бы так только если забыть о результатах первого опыта, где электрон вёл себя как частица, но мы о них помним и вопросов стало ещё больше и ключевой из них: что тогда есть свет, частица или волна? Тут возникает парадокс, ведь если свет – это волна, то откуда точечная засветка на экране при выстреле одиночным фотоном, свойственная частице? А если свет - это поток отдельных частиц, то откуда же берутся лишние полосы в тех местах, куда свет попадать не может, поскольку эта часть поверхности экрана заслонена от него ширмой?

Есть одна теория, которая пытается объяснить результаты опыта тем, что между множеством частиц из которых состоит пучок, в полёте возникает электромагнитное поле, которое представляет собой волну, и уже эта волна, интерферируя засвечивает экран, а в случае же с одиночным выстрелом, фотону не с чем взаимодействовать и электромагнитной волны не возникает. Объяснение любопытное и, казалось бы, разгадка снова найдена, но тут есть момент, который разрушает и эту теорию. Повторяем опыт следующим образом: теперь стреляем в экран всегда только одиночным фотоном повторяя это очень много раз, но с большими паузами между выстрелами, чтобы никакого взаимодействия и, следственно, поля между частицами не могло возникнуть. Если теория верна, в этот раз мы должны получить ожидаемую нами картину, а именно, “мишень” испещрённую точечными попаданиями фотонов. Но что же мы видим? Этого снова не происходит! Вместо этой картины мы видим на экране... что бы вы думали? Уже знакомую нам интерференционную картину, которая определяется уравнениями Максвелла и выглядит как полосы засветки!

При всём этом эксперимент показывает, что фотон не является и коротким импульсом электромагнитного излучения, об этом очень наглядно говорит эксперимент французских физиков Гранжье, Роже и Аспэ проведённый в 1986 году, который показал, что фотон не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света (его свойства как частицы) проявляются так же при фотоэффекте и в эффекте Комптона о которых вы можете прочитать отдельно в Интернете.

Получается, что наряду с демонстрацией волновой интерференции, фотон ведет себя ещё и как частица. К тому же, он может переизлучаться, или же целиком поглощаться объектами, размеры которых намного меньше его длины волны (например, атомными ядрами), а иногда и вообще точечными объектами, такими как электрон. Немыслимо! Но это факт.

Подводя итог выше сказанному можно сделать только один вывод. Фотоны (да и другие частицы поскольку с электроном и некоторыми другими частицами этот опыт даёт похожие результаты) в одних случаях ведут себя как частицы, а в других – как волны, а может быть даже являются и частицами, и волнами одновременно. Вдумайтесь в это! Хотя вообразить это ещё никому не удавалось.

Зато теперь так же, как раньше мы говорили о том, что мир состоит из материи, мы можем сказать, что вся эта материя состоит из электромагнитных волн, а значит, по сути, является энергией. А раз так, то что же тогда такое материальный мир?

На рисунке атом поглощает энергию от фотона (получает его энергию) и переходит на более дальнюю от ядра орбиту.

III. ЭМ-ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОЕ И НЕВИДИМОЕ.

СВЕТ ОТ СОЛНЦА И АТМОСФЕРА (ИЛИ ПОЧЕМУ НЕБО БЫВАЕТ СИНИМ, А СОЛНЦЕ КРАСНЫМ)

Спектр

Солнце излучает определённый спектр электромагнитного излучения от не видимого глазом до видимого света. Какая-то часть волн этого излучения, встречаясь с атмосферой, проходит сквозь неё достигая поверхности Земли, в то время как другая часть, например, дальний ультрафиолет - задерживается атмосферой и до поверхности почти не доходит:

Из всех волн, которые доходят до Земли, человек способен зрительно воспринять только узкий диапазон электромагнитных колебаний, который известен, как видимый нами свет. Да-да, в обычной жизни мы редко об этом задумываемся, но свет – это электромагнитное излучение!

Снизу мы видим спектр света в общем спектре электромагнитного излучения (сверху). Теперь понятно, что наш глаз может воспринять лишь узкий отрезок всего этого богатства. Цифры на иллюстрации - это длина волны.

Природа цвета

Чтобы объяснить почему небо бывает синим, а солнце днём бывает жёлтым, а на закате красным, придётся зайти немного издалека и поговорить о том, что такое цвета. Возьмём только часть ЭМ-излучения, а именно, только видимый его спектр. Принято, что видимый свет это 7 основных цветов (остальное – оттенки), и поскольку свет - это волна, то каждый цвет, как и любое другое излучение, имеет свою собственную длину волны благодаря которой глаз и отличает один цвет от другого.

Цифра семь применительно к количеству цветов на самом деле – весьма условна, такое деление предложил Исаак Ньютон, и оно было принято, но поскольку цвета в радуге изменяются плавно и непрерывно, можно было бы выделить сколько угодно промежуточных цветов и как-нибудь их назвать, тогда принятых цветов было бы больше и мы бы говорили, что их не семь, а к примеру, четырнадцать. Например, зелёный цвет можно разбить ещё на два – “тёплый травяной” и “холодный морской”, как в “октавной” системе, которую предложил Освальд Вирт в 20 веке, но которая не прижилась.

Если же взять лишь один цвет, то уверенно можно сказать, что он тоже имеет свой спектр и в пределах этого спектра синий, например, всё так же будет считаться синим, но его оттенок будет изменяться, причём каждый новый оттенок будет иметь близкую к эталонному синему, но всё же свою собственную длину волны.

Любопытный антропологический факт (да, науки между собой пересекаются): люди разных культур могут различать РАЗНОЕ количество оттенков, например, есть племена в лексиконе которых есть больше ста названий разных цветов. Но если говорить о среднем человеке, можно сказать, что наиболее чувствительным человеческий глаз является к зелёному цвету. Есть теория, что это связано с тем, что человеку в его первобытных условиях существования важно было различать хищников в зелёных зарослях кустов, поэтому чувствительность к оттенкам зелёного была наиболее важна для выживания.

Но вернёмся к полному видимому спектру. Когда все семь цветов складываются вместе, они образуют белый цвет. Если идти от цветов с большой длиной волны к более высокочастотным, то есть с короткой волной, то мы будем двигаться по радуге сверху вниз и цвета будут следовать в таком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый. Помните детскую считалочку?

Зная её, очень легко запомнить порядок следования цветов в радуге. А чтобы запомнить обратный порядок можно выучить такую:

Кто и что видит

Кстати, а почему из всего излучаемого солнцем спектра мы видим только свет этих цветов и не видим, к примеру, сверхкороткие рентгеновские лучи? Одна из версий: так сложилось потому, что из всего спектра электромагнитных волн доходящих до поверхности Земли эта часть наиболее часто встречающаяся, поэтому человеческий глаз приспособился определять именно её. На самом деле это не совсем так и можно возразить, что есть и другие волны доходящие до поверхности планеты, но человеческий глаз, тем не менее, эти лучи не видит. Например, к красному наиболее близок инфракрасный (как бы недокрасный) - это свет волны которого слишком длинные для восприятия человеческим глазом. А с другой стороны видимого нами спектра, рядом с фиолетовым находится ультрафиолетовый (суперфиолетовый), волны которого настолько короткие, что глаз тоже их не воспринимает, зато мы отлично можем чувствовать ультрафиолет кожей, правда не сразу, а уже после того, как кожа «сгорела» на солнце в жаркий день, а иногда и просто в солнечную погоду. Зато пчёлы прекрасно видят ультрафиолетовый свет, а муравьи тепло излучаемое объектами, то есть видят инфракрасные лучи. Внезапно =)

Цвет небес

Рассеяние Рэлея.

Так почему же небо синее?
Как было сказано выше, свет Солнца состоит из волн разной длины, которые наш глаз воспринимает как разные цвета. Когда солнечный свет проходит через атмосферу Земли, он сталкивается с молекулами воздуха возбуждая их электроны и рассеивается, другими словами, переизлучается этими молекулами, но уже под другим углом. Возбужденная молекула, тем временем, возвращается в исходное состояние после этого переизлучения.

Рассеивание света — это процесс взаимодействия света с молекулами веществ, из которых состоит атмосфера (в основном азота и кислорода), при котором свет рассеивается в разные стороны. При этом молекулы поглощают и переизлучают свет, преимущественно его коротковолновую часть спектра. Она рассеивается в атмосфере лучше так как размеры молекул азота соизмеримы с длиной волн коротковолнового света (синий, фиолетовый спектр).

Можно сказать, что атмосферный слой выступает здесь как гигантский световой фильтр, который в толще атмосферы активно переизлучает электромагнитные волны относящиеся к синему и фиолетовому цветам. Фиолетовый, кстати, рассеивается даже лучше, чем синий, но мы всё-таки не видим фиолетовое небо, потому что в солнечном спектре синего цвета всё-таки больше, а наши глаза менее чувствительны к фиолетовому. Непоглощённый же свет проходит дальше к поверхности Земли образуя почти белый цвет. Небо мы видим голубым лишь потому, что когда мы смотрим в сторону неба мы смотрим на свет, который был рассеян под углом и именно этот свет достигает наших глаз. Но когда мы смотрим на объекты на Земле мы воспринимаем свет, который прошёл атмосферу почти напрямую, сохраняя весь спектр. Именно поэтому белый лист бумаги остаётся белым, а солнечный диск над головой выглядит белёсым.

Какой цвет горячее?

Тем же явлением - поглощением световой энергии электронами вещества, объясняется и то, что каждый освещённый предмет имеет свой цвет и то, что на солнечном свету тёмные поверхности нагреваются быстрее, чем светлые. Предположим, жарким летним днём под палящим солнцем стоят два одинаковых автомобиля, только один покрашен в чёрный цвет, а другой в белый. Почему капот чёрного авто всегда будет горячее? Чтобы ответить на этот вопрос, снова спускаемся на микроуровень и видим атомы из которых состоит краска автомобиля. Мы знаем, что вокруг ядер атомов всегда вращаются электроны. В них “врезаются” фотоны света и электроны эти поглощают свет перескакивая на более высокие орбиты, а возвращаясь на более низкие - излучают его в разных спектрах. Электроны материалов обоих цветов поглощают энергию практически всего приходящего спектра излучения, но по закону сохранения энергии “сколько частица получила энергии - столько же она должна отдать”, это работает и для чёрного, и для белого авто. Но электроны чёрного, возвращаясь на более низкие орбиты, отдают эту энергию в инфракрасном диапазоне (а мы с вами знаем, что ИК-диапазон – это и есть тепло). Поверхность же белого автомобиля также отдаёт энергию, но в отличие от чёрного лишь небольшая её часть уходит в тепловой спектр, большая же часть излучается как есть, в том же спектре в каком и была поглощена, поэтому мы видим всё тот же белый цвет. Этим объясняется высокая отражающая способность белых поверхностей и высокая поглощающая способность чёрных.

Цвет поверхности — это результат того, какие длины волн света она отражает. Чёрная поверхность отражает очень мало света (поэтому выглядит чёрной), а белая отражает почти всё (поэтому кажется белой).

Если же мы возьмём, к примеру, тёмно-синий цвет, то большая часть энергии поглощённой его электронами будет излучена в виде тепла (как и в примере с чёрным), а остальная часть будет переведена в свет синего спектра (так как если убрать часть спектра переведённую в тепло из всего спектра радуги, то получится, как раз, синий цвет). Другой материал переведёт в тепло и переизлучит в ИК какую-то другую часть спектра, а оставшаяся - отразится от поверхности, преобразовавшись в другой цвет, к примеру, зелёный, или жёлтый. Это объясняет и то, почему цвета предметов выглядят по-разному в разном освещении: источник света может излучать разные длины волн (цвета), что влияет на то, какие длины волн отражаются от предмета.

Тайна отражения

А что же, на самом деле, такое - отражение в, зеркале?

Отражение света - это явление, при котором световые волны (или фотоны) изменяют направление своего распространения при взаимодействии с поверхностью. Его физическая природа объясняется взаимодействием электромагнитной волны с атомами и электронами в материале.

Электрическое поле фотона вызывает движение свободных электронов в металле (зеркале), что приводит к созданию вторичного излучения.

Так происходит потому, что зеркало состоит из атомов, в которых электроны находятся в определённых энергетических состояниях и когда фотон достигает поверхности зеркала, его электромагнитное поле возбуждает свободные электроны (или квазисвободные в металлах). Эти электроны начинают колебаться с той же частотой, что и падающий свет, поэтому такие колеблющиеся электроны переизлучают световую волну и формируют новый отражённый луч. Для зеркальных поверхностей, где атомы и электроны распределены равномерно и поверхность гладкая на уровне длины волны света, отражённая волна формируется в соответствии с законом отражения: угол падения равен углу отражения, что на макроуровне создаёт эффект когерентного (направленного) отражения, которое мы зовём зеркальным. Ну а там, где поверхность матовая происходит рассеяние светита и мы видим такие поверхности соответствующим образом.

Цвет Солнца и преломление

А теперь, зная всё это, попробуем ответить на ещё один интересный вопрос: почему с изменением времени суток цвет солнца тоже меняется и оно из жёлтого становится сначала оранжевым, а потом и вовсе приобретает красные оттенки?

Дело в том, что пока солнце высоко, его свет входит в атмосферу под углом близким к прямому и проходит наиболее короткий путь, “прошивая” её насквозь. При этом углы его преломления (отклонение луча света от его первоначального направления) небольшие, следовательно, он остаётся практически белым. Само же отклонение, хоть и незначительное, связано с тем, что из среды с меньшей плотностью свет попадает в среду с более высокой плотностью, а на границе разных сред возникает угол отклонения.

На закате же, картина меняется: свет достигает атмосферы под острым углом, почти по касательной и атмосфера, работая как капля воды, или как призма, отклоняет лучи света вниз, расщепляя белый луч на весь его спектр, то есть на составляющие его цвета, вот так:

По той же причине - причине преломления света, мы видим и радугу в небе. В атмосфере в роли призмы выступают мелкие капельки воды (дождя, или тумана). Белый солнечный свет преломляется в них и красный цвет, который имеет большую длину волны отклоняется меньше всего, оранжевый чуть сильнее, жёлтый ещё сильнее и так вплоть до фиолетового, который отклоняется сильнее всего, ведь его длина волны самая короткая. А раз у каждого цвета свой угол отклонения, цвета расходятся, и мы начинаем видеть их отдельно друг от друга, что образует радугу:

Такое же поведение цветов мы видим и на картинке с призмой, посмотрите какое сильное отклонение у фиолетового и синего и насколько оно меньше у красного. Так же свет ведёт себя и на закате, но угол более острый, потому одни цвета отклоняются сильно и не доходят до наблюдателя, а вот “длинный” красный отклоняется меньше всего и легко доходит до наших глаз наблюдающих закат солнца. Оранжевый и жёлтый - тоже достаточно длинны. Их волны хоть и немного короче, чем у красного цвета, но они тоже могут доходить до глаз наблюдателя, если солнце ещё не слишком низко.

Не знаю к чему Луна на этой картинке, но если мы представим, что слева на ней находится солнце, то тоже увидим, что красный проходит дальше, а остальные цвета “втыкаются” в землю не доходя до нас.

В завершение, ещё один любопытный факт о цвете заката: большое количество аэрозоля (маленьких частичек воды, или пыли в атмосфере) делает свет менее интенсивным и поскольку до наблюдателя доходит меньше света в принципе, цвет солнца может стать багрово красным.

Надеюсь, вам было интересно ;)

Автор: PolarMan

Кандидат на то, чтобы вспомнить “как оно там всё устроено” (с)

Продолжение следует...

Связанные ссылки:

• Яндекс Дзен: Немного об устройстве мира, или почему небо синее | Мысли в фокусе (Анализ и Полезная информация)
  Подписывайтесь, планирую добавлять туда и другую интересную информацию о науке, тестировании аудио, психологии и путешествиях ;)

Сноски:

*Длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.

** Фаза — период, ступень, этап в развитии какого-либо явления. В теории колебаний и волн и в электротехнике.

*** Частота - количество полных колебаний электрического и магнитного полей за одну секунду.

История изменений:

• Редактирование 7/01/2025 - добавлен ряд моментов, немного улучшен стиль.

• 8/01/2025 - добавлен раздел про природу отражения.