Атмосферные оптические явления поражают воображение красотой и многообразием создаваемых иллюзий. Наиболее эффектными являются столбы света, ложные солнца, огненные кресты, глория и брокенский призрак, которые часто люди незнающие принимают за Чудо или Богоявление.
Окологоризонтальная дуга, или "огненная радуга". Свет проходит через кристаллы льда в перистых облаках. Очень редкое явление, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект "огненной радуги".
"Призрак Броккена". Своё название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, где можно регулярно наблюдать этот эффект: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет.
Околозенитная дуга. Дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.
"Туманная" радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц воды, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Глория. Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя.
Гало в 22º. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".
Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект "радужного облака", окрашивая его во все цвета радуги.
Лунная радуга (ночная радуга) - радуга, порождаемая луной в большей степени, чем солнцем. Лунная радуга сравнительно более бледная, чем обычная. Это объясняется тем, что луна производит меньше света, чем солнце. Лунная радуга всегда находится на противоположной от луны стороне неба.
Паргелий
- одна из форм гало, при которой на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца.
В «Слове о полку Игореве» упоминается, что перед наступлением половцев и пленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей». Воины восприняли это как знак надвигающейся большой беды.
Северное (Полярное) сияние - свечение верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Огни святого Эльма - разряд в форме светящихся пучков или кисточек, возникающих на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере.
Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.
Столбы света. Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.
Звездный след. Невидим невооруженным глазом, его можно запечатлеть на фотокамеру.
Белая радуга. Фото сделано на мосту Золотые Ворота в Сан-Франциско
Свет Будды. Явление схоже с Призраком Броккена. Солнечные лучи отражаются от атмосферных капелек воды над морем и тень самолёта посреди радужного круга...
Зелёный луч. "Когда заходящее Солнце полностью скрывается из виду, последний проблеск выглядит поразительно зеленым. Эффект можно наблюдать только из мест, где горизонт низок и далек. Он продолжается всего несколько секунд."
Мираж, давно всем известное природное явление...
Лунная Радуга - это довольно редкое явление в атмосфере Земли и появляется только при полной Луне. Для возникновения лунной радуги необходимо: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя. Настоящая лунная радуга имеет размер в половину небосвода.
Тень горы, наблюдаемая на фоне вечерних облаков:
93. Что называют источниками света (§49)?
Все тела, от которых исходит свет, называют источниками света . Различают тепловые и люминесцирующие источники света, источники отраженного света:
- тепловые источники света излучают свет потому, что имеют высокую температуру (Солнце, звезды, пламя, нить электрической лампы); тела начинают излучать свет при температуре около 800 °С; электрическую лампу изобрёл Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923, Россия), современный вид лампе передал Томас Эдисон (1847-1931, США);
- люминесцирующие источники света – это холодные источники света, излучение которых не зависит от температуры (люминесцентные и газосветные лампы, экран телевизора, монитор компьютера, дисплей электронных устройств, светодиоды, гнилушки, светлячки, некоторые морские животные);
- источники отраженного света сами не излучают; они светятся только тогда, когда на них падает свет от некоторого источника. Например, Луна, планеты и их спутники, искусственные спутники Земли отражают свет Солнца; ночью предметы видим потому, что они отражают лунный свет или свет от тепловых и люминесцентных источников.
94. Как распространяется свет в однородной среде (§50)?
В однородной среде, состоящей из одного и того же вещества (например, воздуха, стекла, воды) свет распространяется прямолинейно .
Прямолинейное распространение света установил основатель геометрии Евклид (325-265 до н. э., Др. Греция).
95. Что такое световой пучок и световой луч (§51)?
- Световой пучок представляет собой узкий ограниченный световой поток; световые пучки можно выделить с помощью малых отверстий в непрозрачных пластинах, называемых диафрагмами .
Пучок света может быть параллельным (а), расходящимся (б), сходящимся (в).
Световые пучки от разных источников не зависят друг от друга и не влияют на распространение друг друга. Это свойство называют независимостью световых пучков .
- Световой луч – это линия, указывающая направление распространения света и используется для изображения световых пучков.
96. Что такое точечный источник света (§52)?
Точечный источник света – это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.
97. Что такое тень и полутень (§52).
- Тень – это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника. Тень от предметов образуется при освещении их точечными источниками света.
- Полутень – это область, в которую попадает свет только от части источника света.
При освещении предметов протяженными источниками света образуется область тени и полутени. Например, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, от Луны на Землю падает область тени (полное солнечное затмение) и полутени (частное солнечное затмение).
98. В чём заключается закон отражения света (§53)?
Закон отражения света заключается в том, что:
Угол отражения света равен углу падения:
Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
Падающий и отражённый лучи обратимы. Например, если световой пучок падает на зеркало в направлении АО, то отражаться он будет в направлении ОВ; если же свет будет падать на зеркало в направлении ВО, то отраженным будет луч ОА.
99. Что такое зеркальное и диффузное отражение света (§53)?
- Зеркальным называют такое отражение, когда гладкую (зеркальную) поверхность, остается параллельным и после отражения. Зеркально отражают гладкие полированные поверхности, зеркала, водная гладь.
- Диффузным называют такое отражение, когда параллельный пучок света, падающий на шероховатую поверхность, отражается рассеянно, т.е. лучи будут направлены в разные стороны. Благодаря диффузному (рассеянному) отражению мы видим окружающие предметы, окружающий мир.
100. По каким законам изображается предмет в плоском зеркале (§54)?
- Плоское зеркало даёт прямое и мнимое изображение предмета.
Изображение предмета в плоском зеркале имеет те же размеры, что и предмет.
Расстояние от предмета до плоского зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения, т.е. предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.
Плоское зеркало даёт мнимое (недействительное, кажущееся) изображение предмета.
101. Какие сферические зеркала вы знаете и какими параметрами они характеризуются (§55)?
- Сферические зеркала являются частью поверхности полого шара. Сферические зеркала бывают вогнутые и выпуклые . У вогнутого зеркала зеркальной является внутренняя вогнутая поверхность полого шара. У выпуклого зеркала зеркальной является внешняя выпуклая поверхность полого шара.
Сферические зеркала характеризуются полюсом , оптическим центром, радиусом, главной оптической осью, главным фокусом и фокусным расстоянием.
На рисунке: т. С – полюс зеркала; т. О – оптический центр; СО – радиус зеркала; прямая СО – главная оптическая ось зеркала; т. F – главный фокус зеркала; расстояние FC – фокусное расстояние зеркала.
Вогнутые зеркала применяются:
Когда нужно создать параллельный пучок света. Для этого светящуюся лампу помещают в фокусе зеркала. Это используется в фонарях, фарах автомобилей, прожекторах:
Когда нужно собрать в фокусе падающий на зеркало пучок параллельных лучей. Это используется в телескопе-рефлекторе.
102. Что называют преломлением света (§57)?
Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.
103. Чем характеризуется оптическая плотность среды (§57)?
Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Например, оптическая плотность вакуума, где скорость света максимальная и составляет = 300 000 км/с, равна 1.
104. Как формулируется закон преломления света (§57)?
- Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (например, из воздуха в воду), то угол преломления меньше угла падения ( < ).
Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (например, из воды в воздух), то угол преломления больше угла падения ( > ).
Лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
- Синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости света во второй среде: 
.
105. Что называют предельным углом полного внутреннего отражения (§58)?
Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения используется, например, в призмах для изменения направления световых лучей. Такие призмы применяются в биноклях, перископах.
106. Что называют световодом и волоконной оптикой (§59)?
Гибкие стеклянные стержни, в которых входящий с одного конца световой луч, многократно испытывая полное внутреннее отражение, полностью выйдет с другого конца, называется световодом. Новая отрасль оптики, основанная на использовании световодов для передачи информации, называется волоконной оптикой.
107. Что называют линзой? Какие бывают типы линз (§60)?
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают выпуклые (собирающие) и вогнутые (рассеивающие).
108. Что называют оптическим центром, главным фокусом и фокусным расстоянием линзы (§60)?
- Главная оптическая ось – это линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.
- Оптический центр линзы – это точка, через которую лучи света проходят без преломления. Через оптический центр линзы лучи проходят без преломления.
- Главный фокус линзы – это точка, в которой после преломления соберутся лучи света, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.
109. Что называют оптической силой линзы (§60)?
Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы:
. Оптическая сила измеряется в диоптриях
(дптр). 1 дптр = 1/м.
110. Как читается формула линзы (§61)?
Сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения , равна величине, обратной фокусному расстоянию : 
.
111. Чему равно увеличение линзы (§61)?
Увеличение линзы
равно отношению расстояния от линзы до изображения к расстоянию от предмета до линзы : 
.
112. Из каких частей состоит глаз (§63)?
Глаз человека имеет шарообразную форму диаметром 25 см. Снаружи покрыт прочной белой оболочкой, называемой склерой (1) . Передняя прозрачная часть склеры называется роговицей (2) . За роговицей расположена радужная оболочка (3), определяющая цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок , за которым расположен прозрачный хрусталик (4) , имеющий форму собирающей линзы. Оптическая система глаза даёт на его задней стенке, называемой сетчаткой (5) , действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета.
113. Что называют (§63): аккомодацией глаза? углом зрения ? расстоянием наилучшего зрения?
- Аккомодацией глаза называется приспособление глаза к изменению расстояния до предмета за счёт регулирования кривизны хрусталика.
- Углом зрения называют угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза.
- Расстояние наилучшего зрения у нормального глаза взрослого человека составляет 25 см, у детей – около 10 см.
114. Чем отличаются недостатки зрения близорукость и дальнозоркость (§64)?
Известны два основных недостатка зрения: близорукость и дальнозоркость .
Отчётливое изображение предмета у близоруких людей получается перед сетчаткой, у дальнозорких – за сетчаткой глаза.
Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими (вогнутыми) линзами, дальнозоркость – с собирающими (выпуклыми) линзами.
115. Назовите оптические приборы и их назначения (§64).
Оптическими приборами называются приборы, действие которых основано на использовании линз. Это:
- очки , применяемые для исправления близорукости и дальнозоркости;
- лупа – линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов;
- микроскоп , предназначенный для рассмотрения микроскопических тел;
- бинокль для наблюдения удалённых тел;
- телескоп для изучения небесных тел;
- перископ для наблюдения из-за укрытия;
- фотоаппарат для получения четких фотографических снимков предметов;
- проекционные аппараты – диапроектор, кинопроектор, графопроектор – предназначенные для получения увеличенного изображения предмета на экране.
116. Как вычисляют увеличение лупы (§64)?
Лупа – это линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов.
Увеличение лупы
равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы : 
.
117. Что называют спектром белого цвета (§65)?
Белый цвет сложный; он состоит из семи простых цветов.
Спектром белого цвета называется разноцветная полоса, полученная в результате разложения белого света и состоящая из семи простых цветов: красного, оранжевого, желтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).
Если параллельный пучок света направить на трехгранную призму, то на экране получается разноцветная полоса, называемая спектром белого света. Спектр возникает потому, что пучки разного цвета по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета – сильнее. Остальные цвета располагаются между ними.
Примером спектра солнечного света является радуга, образующаяся при разложении белого света на прозрачных каплях дождя.
118. Какие цвета называют (§66): дополнительными? основными?
- Дополнительными называют цвета, дающие при сложении белый цвет.
- Три спектральных цвета – красный, зелёный и синий – называют основными . Потому что ни один из них нельзя получить при сложении других цветов спектра; сложение этих трёх цветов может дать белый цвет; в зависимости о того, в какой пропорции складываются эти цвета, можно получить разные цвета и оттенки.
119. Объясните происхождение (§67): а) бесцветности тел, б) прозрачности тел, в) цвета поверхности тел.
На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение (рассеивание), преломление, поглощение света. Цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает, пропускает или поглощает.
Прозрачные или бесцветные тела, (например, стекло, вода, воздух), слабо отражают и попускают насквозь все цвета белого света.
Красное стекло поглощает все цвета, кроме красного. Зеленое стекло поглощает все цвета, кроме зеленого.
Цвет тела, освещаемого белым светом, определяется тем цветом, который он отражает. Например, красное тело отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает.
Белое тело (бумага, снег, холст) отражает все цвета.
Природа света. Интерференция и дифракция света. Дифракционная решетка. Рентгеноструктурный анализ и его использование. Естественный и поляризованный свет. Оптически-активные вещества. Поляриметрия. Исследование биологических систем в поляризованном свете. Дисперсия света. Поглощение и рассеяние света. Рассеяние света в атмосфере.
Литература : ; ;
Оптика (от греческого слова оптикос – зрительный) – раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних трех столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.
Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Таким образом, волновая теория рассматривала свет как механические волны, распространяющиеся в особой среде (подобно звуковым волнам в воздухе).
До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX века благодаря исследованиям Юнга и Френеля волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. Волновая теория успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи, с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма сомнительной (в 1881 г. американский физик Майкельсон экспериментально доказал, что мирового эфира не существует). В 60-х годах XIX в., когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле.
Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнит ную теорию света.
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему.
Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами).
Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования, выполненные Бором , Шредингером , Дираком, Фейнманом , Фоком и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойст вами.
В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией.
Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ.
Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.
Интерференция света – это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения двух или нескольких волн сходящихся в некоторой точке пространства. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность: равенство их частот и постоянная по времени разность фаз. Этому условию удовлетворяют монохроматические световые волны (от греческого (монос) – один, (хрома) – цвет, т.е. монохроматическому свету соответствует какая-либо одна длина волны). При соблюдении данного условия можно наблюдать и интерференцию других волн (например, звуковых).
Для световых волн, так же как и для любых других справедлив принцип суперпозиции. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение этого принципа означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрических (магнитных) полей каждой из волн в отдельности.
В частном случае, когда напряженности составляющих полей равны, но противоположно направлены, напряженность результирующего поля будет равна нулю (свет гасится светом). Если они направлены в одну сторону, происходит максимальное усиление света.
Результатом интерференции является интерференционная картина – устойчивое во времени распределение в пространстве интерференционных максимумов и минимумов (например, чередование темных и светлых полос на экране; в природе радужная окраска крыльев насекомых и птиц, мыльных пузырей, масляной пленки на воде и т.д.).
Частным случаем интерференционной картины являются так называемые кольца Ньютона (рисунок 4.1)
Рисунок 4.1
Они наблюдаются в системе образованной плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.
Результат интерференции двух световых волн (в одной и той же среде) зависит от разности хода Δl=l 1 -l 2 (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2
Если в разности хода лучей укладывается четное число полуволн, т.е. если
(4.1.1)
то в точке А на экране будет максимум света (λ – длина волны, S 1 и S 2 - монохроматические источники света, n=0,1,2,3,…). Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн, т.е. если
(4.1.2)
то в точке А будет минимум света. Интерференционная картина создаваемая двумя когерентными источниками света на экране представляет собой чередование темных и светлых полос.
Интерференционная картина очень чувствительна к величине разности хода интерферирующих волн. На этом основано устройство интерферометра прибора служащего для определения малых длин, углов, показателя преломления среды, длин световых волн.
Дифракцией называется отклонение света от прямолинейного распространения близи препятствия (огибание светом преграды). Так например если между источником света S и экраном А поставить другой экран В с отверстием, на экране А можно наблюдать дифракционную картину состоящую из чередующихся светлых и темных колец и захватывающих область геометрической тени (особенно заметно, когда размеры отверстия много меньше расстояния между экранами).
Рисунок 4.3
При использовании белого (немонохроматического света) дифракционная картина приобретает радужную окраску.
Явление дифракции объясняется при помощи принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно данному принципу, каждая точка волновой поверхности достигающей отверстия становится вторичным источником света. Эти источники являются когерентными, поэтому исходящие от них световые лучи будут интерферировать между собой. В зависимости от величины разности хода на экране А возникнут максимумы и минимумы освещенности. В лабораторной практике дифракционную картину получают обычно от узких светящихся щелей. Совокупность большого числа параллельных узких прозрачных для света щелей, разделенных непрозрачными промежутками, называют дифракционной решеткой . Дифракционные решетки изготавливают путем нанесения тонких штрихов на поверхности стеклянной пластинки (прозрачная решетка) или металлического зеркала (отражательная). Сумму ширины щели а и промежутка b между щелями называют периодом или постоянной решетки: d = a + b. Дифракционные решетки дают четкую дифракционную картину и применяются для определения длины волны, а также в спектральном анализе для разложения света в спектр и заключения о химическом составе вещества. Дифракционные картины нередко возникают в природе. Так, например, цветные кольца, окружающие источник света, когда воздух насыщен каплями воды (туман) или пылью результат дифракции света на этих частицах. Дифракцией объясняется окраска перламутра и радужный цвет глаз многих насекомых, глаза которых являются своеобразными дифракционными решетками.
В химии широкое применение получил рентгеноструктурный анализ, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атомов. Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно его применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.
Свет представляет суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Как известно электромагнитную волну, можно представить в виде колебаний двух взаимно перпендикулярных лекторов напряженностей электрического Е и магнитного Н. Так как электромагнитная волна является поперечной, то оба вектора колеблются в плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости – направлению распространения луча. Электромагнитная волна, в которой колеблется лишь один из этих векторов, невозможна. Электрическое поле, в котором изменяется Е, неизбежно порождает магнитное поле, в котором по такому же закону изменяется Н, я наоборот. Явления поляризации рассматривается относительно вектора напряженности Е, но при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряженности Н. Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности электрического поля, называют плоскостью колебаний. Плоскость, в которой колеблется вектор напряженности магнитного поля, называется плоскостью поляризации.
Естественный свет с этой точки зрения можно схематично представить следующим образом (рисунок 4.4):
Рисунок 4.4
Равномерное расположение векторов Е обусловлено большим числом атомарных излучателей. Такой свет называется неполяризованным. В таких световых волнах векторы имеют различные ориентации колебаний, причем все ориентации равновероятны. Если влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5
С помощью специальных устройств из пучка естественного света можно выделить луч, в котором колебания вектора Е будут происходить в одной определенной плоскости (рисунок 4.6)
Рисунок 4.6
Такой свет будет полностью поляризованным. В отличие от естественного света поляризованный свет характеризуется кроме интенсивности и длины волны еще и положением плоскости поляризации. Человеческий глаз не отличает естественный и поляризованный свет. На практике поляризованный свет обычно получают, пропуская естественный свет через кристаллы, которые, как известно, характеризуются анизотропностью (физические свойства зависят от направления в кристалле). Поляризованный свет широко используют в химических и биологических исследованиях. Например, некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем угол поворота зависит от толщины слоя вещества. Таким образом, можно определять концентрацию веществ в растворе, что лежит в основе метода исследования веществ – поляриметрии. С помощью оптических поляриметров определяют величину вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически-активные среды (твёрдые вещества или растворы). Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически-активных веществ для идентификации эфирных масел и в других исследованиях. Почти все биологически функциональные молекулы являются оптически активными.
Важной оптической характеристикой среды является абсолютный показатель преломления n (или просто показатель преломления). Он показывает во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме
(4.1.3)
Значение показателя преломления среды в основном определяется свойствами этой среды. Однако в некоторой степени он зависит еще и от длины волны (частоты) света. Поэтому одна и та же среда по-разному преломляет световые лучи разной длины волны. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны называется дисперсией света (от латинского dispersio – рассеяние).
Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением световой волны, в противном случае аномальной. Благодаря дисперсии, луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр - совокупность разноцветных полос. Наиболее четко дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в призме (рисунок 4.7).
Рисунок 4.7
Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии. От него зависит ширина спектра. По виду спектра можно судить о химическом составе преломляющей среды. На этом основан так называемый спектральный анализ.
При прохождении света через вещество происходит его частичное поглощение, обусловленное превращением электромагнитной энергии световой волны в другие виды энергии (например, тепловую энергию). Вещества слабо поглощающие свет называются прозрачными. Сильно поглощающие свет – непрозрачными. Такое разделение является относительным, так как прозрачность зависит не только от вида вещества, но и толщины его слоя. Кроме того, поглощение света веществом носит избирательный характер. Различные вещества по-разному поглощают свет разных длин волн. Именно этим определяется цвет тела. Из потока белого цвета данное тело поглощает только лучи определенной длины волны, остальные пропускаются, отражаются или рассеиваются и воспринимаются человеческим глазом. Так, например листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме зеленой и темно-красной его части.
При распространении света в однородной среде, как показали исследования Бугера и Ламберта, интенсивность света изменяется по следующему закону:
(4.1.4)
где I 0 – интенсивность света при входе в слой вещества, I – интенсивность света при выходе из него, x – толщина слоя вещества, k – коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны. Поглощением света обусловлены, в конечном счете, все виды воздействия света на вещество. Именно в результате действия света возникает фотосинтез (превращение неорганических веществ в органические сопровождающееся выделением кислорода).
Проходя через мутную среду (среда в которой взвешено множество частиц какого либо постороннего вещества), свет дифрагирует от ее беспорядочно расположенных микрооднородностей и распространяется во все стороны (рассеивается). При этом среда приобретает голубой оттенок. Данное явление объясняется законом Релея:
I~1/λ 4 (4.1.5)
т.е. интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Из формулы (4.1.4) видно, что лучи с более короткой длинной волны рассеиваются сильнее (самой маленькой длиной волны обладает голубой свет). Рассеяние света происходит и в средах очищенных от посторонних частиц (так называемое молекулярное рассеяние). В данном случае свет дифрагирует от случайных уплотнений среды обусловленных беспорядочным тепловым движением молекул. В данном случае интенсивность рассеянного света невелика и становится заметной при большой толщине среды. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и желтый цвет солнечного диска. Так как свет, проходящий через атмосферу, состоит преимущественно из длинных волн.
Окологоризонтальная дуга. Известна как "огненная радуга". Цветные полосы возникают прямо на небосводе в результате прохождения света через кристаллы льда в перистых облаках, покрывая небо "радужной пленкой". Этот природный феномен очень трудно увидеть, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект "огненной радуги".
"Призрак Броккена".В некоторых районах Земли можно наблюдать удивительное явление: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.
Околозенитная дуга. Околозенитная дуга - это дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.
"Туманная" радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Как и обычная радуга, этот ореол образуется путем преломления света через водяные кристаллы. Однако, в отличие от облаков, формирующих обычную радугу, туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц волы, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Глория. Когда свет подвергается эффекту обратного рассеивания (дифракция света, ранее уже отраженного в водяных кристаллах облака), он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, и образует эффект, получивший название "Глория". Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя. Радужные круги Глории в Китае еще называют Светом Будды. На этой фотографии прекрасный радужный ореол окружает тень воздушного шара, упавшую на находящееся ниже него облако.
Гало в 22?. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".
Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект "радужного облака", окрашивая его во все цвета радуги. Своей расцветкой облака, как и радуга, обязаны различной длине волн света.
Лунная дуга. Темное ночное небо и яркий свет Луны часто порождают явление, именуемое "лунной радугой" – радуга, появляющаяся в свете Луны. Такие радуги располагаются на противоположной от Луны стороне небосвода и чаще всего кажутся абсолютно белыми. Впрочем, иногда их можно увидеть во всей красе.
Паргелий. "Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.
Радуга. Радуга – самое красивое атмосферное явление. Радуги могут принимать различные формы, общим для них является правило расположения цветов – в последовательности спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Радуги можно наблюдать, когда Солнце освещает часть неба, а воздух насыщен капельками влаги, например, во время или сразу после дождя. В древности появлениям радуги на небе придавали мистический смысл. Увидеть радугу считалось хорошим предзнаменованием, проехать или пройти под ней сулило счастье и успех. Двойная радуга, как говорили, приносит удачу и исполняет желания. Древние греки верили, что радуга – это мост на небо, а ирландцы считали, что на другом конце радуги находится легендарное золото лепреконов.
Северное сияние.Свечение, наблюдаемое на небе в полярных областях, называют северным, или полярным сиянием а так же южным – в Южном полушарии). Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории." Полярные сияния, как считают ученые, возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный м южный магнитные полюса (авроральные овалы)".
Конденсационный (инверсионный) след. Конденсационные следы – это белые полосы, оставляемые в небе самолетами. По своей природе они являются сконденсированным туманом, состоящим из влаги, находящейся в атмосфере и выхлопных газах двигателей. Чаще всего эти следы недолговечны – под воздействием высоких температур они попросту испаряются. Однако некоторые из них спускаются в более низкие слои атмосферы, образуя перистые облака. Экологи считают, что преобразованные таким образом конденсационные следы самолетов оказывают негативное влияние на климат планеты. Тонкие высотные перистые облака, которые получаются из видоизмененных самолетных следов, препятствуют прохождению солнечных лучей и как следствие понижают температуру планеты, в отличие от обычных перистых облаков, которые способны сохранять тепло земли.
След выхлопных газов ракеты. Воздушные потоки в высоких слоях атмосферы деформируют инверсионные следы космических ракет, а частички выхлопных газов преломляют солнечный свет и окрашивают следы во все цвет радуги. Огромные разноцветные завитки тянутся на несколько километров по всему небу перед тем, как испариться.
Поляризация. Поляризация – это ориентированность электромагнитных колебаний световой волны в пространстве. Поляризация света возникает, когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным. Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но человеческий глаз, как правило, не способен уловить изменение цветовых оттенков в результате усиления эффекта поляризации. Этот снимок, сделанный при помощи широкоугольного объектива с поляризационным фильтром показывает, какой интенсивно-синий цвет придает небу электромагнитный заряд. Такое небо мы можем увидеть только через фильтр фотокамеры.
Звездный след. Невидимый невооруженным глазом "звездный след" можно запечатлеть на фотокамеру. Этот снимок был сделан ночью, при помощи камеры, установленной на штатив, с полностью открытой диафрагмой объектива и более чем часовой выдержкой. На фотографии показано "движение" звездного неба – естественное изменение положения Земли в результате вращения заставляет звезды "двигаться". Единственная неподвижная звезда – Полярная, которая указывает на астрономический Северный полюс.
Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.
Корона. Короны, или венцы – это небольшие цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. Во время затмений именно корона окружает затемненное солнце.
Сумеречные лучи. Сумеречные лучи – расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видны благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед закатом или после рассвета.
Мираж. Оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности, выражается в возникновении обманного изображения – миража. Миражи можно наблюдать в жарком климате, особенно в пустынях. Ровная поверхность песка вдалеке становится похожей на открытый источник воды, особенно если смотреть вдаль с дюны или холма. Похожая иллюзия возникает в городе в жаркий день, на нагретом лучами солнца асфальте. На самом деле "водная поверхность" – это ни что иное, как отражение неба. Иногда миражи показывают целые объекты, находящиеся на большом расстоянии от наблюдателя.
Столбы света.Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.
А это явление, которое жители острова Мадейра, что в Атлантическом океане, наблюдали однажды, не поддается никакой классификации.
Вы наверняка видели радугу и, возможно, знаете, что такое мираж на автомобильной дороге в жару. Некоторым из нас повезло больше, и они видели своими глазами такие природные явления, как северное сияние, белую или перевернутую радугу и звездные следы.
В этом посте я подобрал чуть больше дюжины природных явлений, которые появляются в результате преломления или другого действия света. Одним словом, это световые феномены, благодаря которым получаются потрясающие фотографии и незабываемые впечатления.
1. Радужная стена
Редкое атмосферное явление, еще известное как «огненная радуга», возникает при преломлении горизонтальных солнечных лучей восходящего или заходящего солнца через горизонтально расположенные кристаллики льда облаков. В результате получается своего рода стена, окрашенная в разные цвета радуги. Фото сделано в небе Вашингтона в 2006 году.
2. Ореол
Солнечные лучи отражаются от кристалликов льда, расположенных под углом 22° по отношению к Солнцу в высотных облаках. Различное положение кристалликов льда может вызывать модификации ореола. В морозные дни может наблюдаться эффект «алмазная пыль», в этом случае солнечные лучи многократно отражаются от кристалликов льда.
3. Инверсионные следы самолетов
Самолетные выхлопы и вихревые потоки на больших высотах превращают частицы льда в воду. Длинные белые полосы высоко в небе не что иное, как капельки воды, находящиеся во взвешенном состоянии.
4. Сумеречные лучи
Солнечные лучи заходящего солнца, проходящие сквозь бреши в облаках, образуют четко заметные отдельные пучки солнечного света. Очень часто такие солнечные лучи можно видеть в различных фантастических фильмах. Это фото сделано в одном из национальных парков Юты.
5. Северное сияние
Северное сияние не что иное, как столкновение в верхних слоях атмосферы солнечных лучей с заряженными частицами газов магнитного поля Земли.
6. Звездные следы
Наглядная демонстрация вращения Земли. Это явление незаметно невооруженным глазом. Чтобы получить такую фотографию, необходимо поставить фотоаппарат на длинную выдержку. На снимке только единственная Полярная звезда, расположенная практически над осью Земли, остается почти недвижимой.
7. Белая радуга
Фото сделано на мосту Золотые Ворота в Сан-Франциско. Небольшой размер воздушных капель воды делает невозможным разложение солнечных лучей на спектры цветов, поэтому радуга только белого цвета.
8. Свет Будды
Это фото сделано в Китае. Явление схоже с «призраком Броккена». Солнечные лучи отражаются от атмосферных капелек воды над морем, тень посреди радужного круга из отраженных лучей - это тень самолета.
9. Перевернутая радуга
Такая необычная радуга появляется тоже в результате преломления солнечных лучей сквозь кристаллики льда, находящиеся только в определенных частях облаков.
10. Мираж
Очень распространенное атмосферное явление. Его можно наблюдать не только в пустыне, но и на автомобильной дороге в знойную жару. Образуется это явление в результате преломления солнечного света через «линзу», образованную слоями более холодного (у поверхности земли) и теплого (располагающегося выше) воздуха. Эта своеобразная линза отражает объекты, располагающиеся над линией горизонта, в данном случае небо. Фото сделано в Тюрингии (Германия).
11. Переливающиеся облака
Лучи заходящего солнца под прямым углом «натыкаются» на капельки воды облаков. В результате дифракции (огибание солнечными лучами капелек воды) и интерференции солнечных лучей (разложение солнечных лучей на спектры) фигура облака заливается градиентной заливкой, как в Photoshop.
12. След ракетных выхлопов
След от ракеты «Минотавр», выпущенной ВВС США в Калифорнии. Воздушные потоки, дующие на разных высотах с различной скоростью, вызывают искажение следа ракетных выхлопов. Атмосферные капельки воды растаявших кристалликов льда тоже вызывают разложение солнечного света на различные цвета радуги.
13. Призрак Броккена, Германия
Это явление наблюдается туманным утром. Радужный солнечный диск появляется напротив солнца в результате отражения солнечных лучей от капелек воды тумана. Любопытная треугольная тень, разрывающая радужный диск отраженных солнечных лучей, не что иное, как проекция верхней поверхности облаков.
14. Зодиакальный свет
Зодиакальный свет очень часто маскирует лунный свет и искусственный свет городов. В тихую безлунную ночь на природе вероятность того, что вы увидите зодиакальный свет, достаточно высока. Это явление наблюдается в результате отражения солнечных лучей от частиц космической пыли, окружающей Землю.
