Хвильова оптика в природі


1. Кольоровий світ

Як довів Ньютон, білий світ має складну структуру : він складається з усіх кольорів видимого спектру. Промені різного кольору мають різну швидкість в середовищі і по-різному переломлюються:

  • червоні мають максимальну швидкість в середовищі і мінімальну ступінь заломлення;
  • фіолетові мають мінімальну швидкість в середовищі і максимальний ступінь заломлення;
  • у вакуумі хвилі різного кольору мають однакову швидкість (швидкість світла у вакуумі).

1.1. Колір неба

Колір неба визначається розсіюванням світла на теплових коливаннях газової оболонки нашої планети. Історія з'ясування причини блакитного кольору неба починається, звичайно, з релєєвського розсіювання. Це застаріла, але, тим не менш, гарна теорія. Спочатку Релей докладав її до аерозолів атмосфери, а потім - до самих молекул повітря, на яких також можливо "підходяще" розсіювання. Від релєєвськоє теорії довелося відмовитися, оскільки вона давала розсіювання, яке повинно було гаситися за рахунок інтерференції. На це вказав Л. І. Мандельштам в 1907 р. Він показав, що принципово необхідним для розсіювання світла в суцільному середовищі є порушення її оптичної однорідності, при якому показник заломлення середовища не постійний, а міняється від точки до точки. У безмежній і повністю однорідному середовищі хвилі, пружно розсіяні окремими частками по всіх напрямах, не співпадаючих з напрямом первинної хвилі, взаємно "гасяться" в результаті інтерференції. Оптичними неоднорідностями (крім меж середовища) є включення чужорідних частинок, а за їх відсутності - флуктуації щільності, анізотропії і концентрації, які виникають в силу статистичної природи теплового руху частинок.

Можливість розсіювання світла тепловими флуктуаціями (його називають молекулярним розсіянням світла) розглянув М. Смолуховскій в 1908 р. в теорії опалесценції, яку підтримав Ейнштейн. Смолуховскій розвинув теорію молекулярного розсіювання світла розрідженими газами, в яких положення кожної окремої частки можна з високим ступенем точності вважати не залежним від положень інших частинок, що і є причиною випадковості фаз хвиль, розсіяних кожною частинкою. Взаємодією частинок між собою у ряді випадків можна знехтувати. Це дозволяє вважати, що інтенсивність світла, некогерентний розсіяного колективом часток, є проста сума інтенсивностей світла, розсіяного окремими частками. Сумарна інтенсивність пропорційна щільності газу.

В оптично тонких середовищах розсіювання світла зберігає багато рис, властиві розсіювання світла окремими молекулами (атомами). У оптично щільних середовищах надзвичайно істотним стає багатократне розсіяння (переизлучение). Так, в атмосфері Землі перетин розсіяння сонячного світла на флуктуаціях густини характеризується тією ж залежністю s ~ l-4, що і нерезонансне розсіювання світла окремими частками. Цим пояснюється блакитний колір неба: високочастотну (блакитну) складову спектру променів Сонця атмосфера розсіює набагато сильніше, ніж низькочастотну (червону).


1.2. Колір Сонця

У міру наближення світила до горизонту подовжується шлях світла, що йде через атмосферу до спостерігача. А так як найсильніше розсіюються короткохвильові промені, то нам в очі потрапляють переважно довгохвильові промені, і Сонце на заході стає жовтувато-помаранчевим, а іноді і червоним.

1.3. Посмішка богині Іріди

Так у давнину називали веселку. Веселка - це безперервний спектр сонячного світла, утворений в результаті заломлення (на дещо різні кути внаслідок дисперсії світла, як у призмах), внутрішнього відбиття в сферичних краплях води. Веселка формується краплями води на протязі всього променя зору, тому говорити про відстань до веселки некоректно. Верхня смуга веселки знаходиться не вище 41 0 - 42 0 над горизонтом. У цей час Сонце знаходиться невисоко над горизонтом за спиною спостерігача, а центр веселки - під горизонтом. Чим вище Сонце над горизонтом, тим меншу частину райдуги ми бачимо. Коли Сонце піднімається вище 43 0 над горизонтом, то веселка не видно. Але якщо піднятися високо над земною поверхнею, то можна побачити всі райдужне кільце.

Нерідкі випадки, коли на небозводі з'являються одночасно кілька райдужних дуг. Формування вторинних дуг обумовлено більш ніж однократним внутрішнім відображенням (іноді третім, що дає третя дугу, або навіть мають більшу кратність) променя світла в краплях води. По суті, завжди є майже нескінченна послідовність дуг, але вони рідко видно, так як дуже слабкі. У рідкісних випадках спостерігається слабка місячна веселка.


1.4. Флористичний калейдоскоп фарб в природі

Колір непрозорих об'єктів обумовлений їх виборчої здатністю поглинання та відбиття світла:

  • якщо поверхня тіла поглинає всі кольори спектра, то вона виглядає чорною;
  • якщо поверхня поглинає всі кольори спектра в рівних пропорціях, але частина світла відображає, то вона здається сірою;
  • якщо поверхня поглинає і відображає кольори спектру в різних пропорціях, то вона буде кольоровий.

Наприклад,

  • троянди червоні, т. к. вони поглинають весь спектр, а хвилі червоного кольору відображають;
  • кульбабки жовті, тому що вони відображають червоні й зелені довжини хвиль, а інші поглинають.

1.5. Зелене вбрання планети

До зеленого поряд планети ми звикли і тому не завжди замислюємося над тим, чому саме він зелений. Рослинам належить суттєва роль в життя на Землі, тому що в результаті фотосинтезу в листі рослин виробляється кисень. Процес фотосинтезу сприяв еволюції атмосфери нашої планети, склад якої раніше був іншим, ніж тепер. Саме після появи в атмосфері достатньої кількості кисню, завдяки рослинам, відбулося остаточне "озеленення" планети.

Так як фотосинтез протікає найбільш ефективно під дією світла синього і червоного ділянок спектра, рослини пристосувалися відображати зелене світло. Таким чином, відображаючи зелене світло, листя придбали зелену забарвлення. А оскільки на зелений ділянку спектра припадає максимум енергії сонячного випромінювання, зелене забарвлення оберігає листя від перегрівання під дією сонячного світла.


1.6. Білий колір снігу

Сніг складається із прозорих кристаликів, які збільшують число граней. Тому світло в снігу за багаторазового відбиття і заломлення в кожного кристала мало проникає крізь нього. В результаті сніг здається білим, а не прозорим.



Інформаційні ресурси:

на друкованій основі:

  1. Булат В.Л. Оптичні явища в природі. - М., 1994. Об'єктивне і суб'єктивне сприйняття кольору
  2. Елліот Л., Вілкокс У. Фізика. - М., 1997

Інтернет-ресурси: