Kvant. Зеленый туман
Майер В. Зеленый туман //Квант. — 1990. — № 4. — С. 47-51.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Вы когда-нибудь видели зеленый туман? Нет? Не огорчайтесь, это вполне поправимо. Сейчас вы увидите сами и покажете вашим товарищам не только зеленый, но и голубой, и красный, и вообще — разноцветный туман.
Демонстрационный опыт
Удобнее всего опыт проводить в школьном физическом кабинете на демонстрационном столе. Для опыта вам понадобится прежде всего источник света. Это может быть, например, автомобильная лампочка, рассчитанная на рабочее напряжение 6 В и дающая свет силой 21 кд, или школьный осветитель для теневого проецирования (нужно только придвинуть его лампочку вплотную к собирающей линзе осветителя или линзу убрать совсем). Подойдет и любой другой источник света, лишь бы он имел небольшие размеры и не слишком ярко освещал находящиеся рядом предметы. Проще всего этого добиться, разместив источник за отверстием в большом черном экране.
Итак, установите лампочку 1 (рис. 1) и на расстоянии 20-40 см от нее расположите стеклянную бутыль 2 емкостью 20 л. (Такие бутыли диаметром примерно 25 см и высотой около 45 см с горлышком, имеющим отверстие диаметром 3,5-4,5 см, продаются в хозяйственных магазинах.) Бутыль нужно тщательно вымыть, непосредственно перед опытом ополоснуть холодной водой и внешнюю поверхность насухо протереть. На стенках бутылки ни снаружи, ни изнутри не должно оставаться капель воды.
Бутыль закройте резиновой пробкой 3, сквозь отверстие которой пропущена стеклянная или металлическая трубка 4. Трубку резиновым шлангом 5 соедините с нагнетающим насосом 6. На рисунке показано также положение глаза наблюдателя 7, расстояние от которого до бутыли может быть произвольным в пределах от 1 до 6 м.
Включите лампочку, в кабинете создайте темноту или полумрак и накачайте в бутыль воздух. Попросите зрителей внимательно смотреть на лампочку и после небольшой паузы быстро выньте из горлышка бутыли пробку. Тотчас же вокруг лампочки, в пределах размеров бутыли, можно будет увидеть широкие и довольно яркие разноцветные кольца.
Что происходит в бутыли?
Вы накачиваете воздух, и давление в бутыли повышается. Когда вы делаете паузу, температура воздуха в бутыли становится комнатной. На дне бутыли имеется немного оставшейся после ополаскивания воды, а на стенках — тонкая водяная пленка. Поэтому помимо воздуха в бутыли находится насыщенный водяной пар.
Вы выдергиваете пробку, и сжатый в бутыли воздух быстро расширяется. При этом, так как процесс близок к адиабатическому (т. е. происходит без теплообмена с окружающей средой), температура воздуха в бутыли понижается, пар становится пересыщенным и легко конденсируется в капельки воды на пылинках, которых всегда так много в воздухе.
Таким образом в бутыли образуется туман. Вы его без труда обнаружите, если посмотрите на бутыль сбоку: в момент возникновения тумана идущий от лампочки световой пучок за счет рассеяния становится видимым. Сразу бросается в глаза, что туман в бутыли довольно редкий. Это свидетельствует о том, что, несмотря на значительную, по нашим субъективным оценкам, запыленность воздуха, пылинок, как центров конденсации водяного пара в бутыли, сравнительно мало.
Почему возникают кольца?
В заполняющем бутыль воздухе плавают составляющие туман сферические капельки воды. Они прозрачны, значит, свет может преломляться в них, и они достаточно малы, следовательно, свет может дифрагировать на них. И преломление, и дифракция света в принципе могут дать разноцветные кольца. Какое же явление ответственно за результаты наших опытов?
Преломлением и отражением света в сферических каплях воды объясняется радуга. Но наблюдать радугу можно лишь под вполне определенными углами. Кроме того, радуга, в первом приближении, не зависит от размеров капель. В проделанных же нами опытах диаметры колец непрерывно изменялись, а это можно объяснить только изменением размеров капель тумана. Наконец, хорошая яркая радуга получается на крупных каплях воды диаметром 1—2 мм, а таких капель в бутыли заведомо нет. Итак, мы заключаем, что наблюдаемые в описанных опытах разноцветные кольца обусловлены, скорее всего, дифракцией света на мелких каплях воды.
А что говорит литература?
Не может быть, чтобы дифракция света на множестве мелких круглых одинаковых частичек никогда раньше не обсуждалась в журнале. И действительно, полистав подшивки старых номеров «Кванта», вы обнаружите несколько соответствующих материалов. Так, в 1977 году Н. М. Ростовцев описал прекрасные опыты по дифракции света на сплющенном клубке тонкой проволоки, на множестве частичек ликоподия и даже на эритроцитах крови [1]. Спустя пять лет Я. Е. Амстиславский вновь вернулся к этим явлениям, но описал их с несколько иных позиций [2]. Прочитав эти статьи, вы узнаете, что разноцветные кольца вокруг источника белого света называются венцами и часто наблюдаются в естественных условиях. Очень много и интересно о венцах рассказывается в книге М. Миннарта [3]. В ней, кроме того, очень удачно сформулированы основные положения теории:
«а) Дифракция на сравнительно плотном облаке, состоящем из водяных капель одинаковой величины, происходит так же, как на одной капле, лишь интенсивность дифрагировавшего света больше.
б) Дифракция на капле происходит так же, как на малом отверстии в экране...
в) Дифракция на отверстии рассчитывается согласно принципу Гюйгенса: принимается, что каждая точка отверстия излучает световые волны, и определяется, как интерферируют эти волны от всех частей отверстия, приходя в глаз».
Что касается количественных расчетов, их вы можете найти в упомянутых статьях, а также в статье Е. Е. Городецкого [4]. Нелишне, впрочем, напомнить, что чем меньшие размеры имеют препятствия, тем большими размерами при прочих равных условиях обладают соответствующие дифракционные картины.
Вообще о венцах написано немало. Удивительно, однако, что изумительные по красоте и простоте опыты с искусственным туманом даже не упоминаются! Лишь предприняв специальные поиски, мы, наконец, обнаружили в книге П. И. Броунова [5] изложение экспериментов с искусственным туманом, выполненных еще в конце прошлого века.
Самокритика
Предложенный вам демонстрационный опыт получается всегда, но яркость, контрастность, размер и длительность существования венцов от опыта к опыту меняются довольно значительно. Надо бы исследовать явление подробнее, но изображенная на рисунке 1 установка не позволяет сделать это.
В самом деле, она рассчитана на то, что опыт осуществляют минимум два человека: один создает условия эксперимента, другой проводит наблюдения. Это, конечно, крайне неудобно. Кроме того, трудно обеспечить даже примерное равенство условий опыта либо более или менее надежно проконтролировать их изменения. Наконец, частые накачивания воздуха насосом утомительны чисто физически и отвлекают от основного. Поэтому желательна другая установка, свободная от перечисленных и иных недостатков.
Еще один способ наблюдения венцов
Основной элемент рекомендуемой установки изображен на рисунке 2. Стеклянная колба 1 емкостью 0,5 л закрыта резиновой пробкой 2 со стеклянной трубкой 3, на которую надета резиновая груша 4 диаметром около 8 см.
Вы, безусловно, и сами догадались, что в исследованиях целесообразно использовать небольшой сосуд, а насос заменить подходящим устройством, позволяющим без особых сложностей изменять давление газа в этом сосуде. Несомненно, вы уже хорошо представляете и порядок проведения опытов, но все же изложим его.
Колба должна быть чистой, снаружи сухой и без капель воды на стенках, которые так мешают наблюдениям. Перед опытами колбу ополосните холодной водой из-под крана. Небольшой источник света поместите на расстоянии 1-3 м от глаза. Перед глазом на подходящей по высоте подставке поставьте колбу и закройте ее резиновой пробкой с грушей. Теперь нажмите на грушу, сделайте небольшую паузу и, отпустив грушу, наблюдайте разноцветные венцы вокруг источника. При проведении опытов колбу лучше держать двумя пальцами вблизи пробки, чтобы зря не нагревать ее и не оставлять отпечатков пальцев на стенках.
Исследование
Собрав установку, получите венцы вокруг источника света. Медленно сжимайте и отпускайте грушу. При этом венцы сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Полученный результат можно объяснить только тем, что при увеличении давления капельки тумана становятся меньше, а при уменьшении — больше. Это вполне естественно, так как с адиабатическим ростом давления температура газа в колбе повышается, и вода испаряется из капелек, а по мере снижения давления — конденсируется в них.
Повторите опыт снова и снова. Вы увидите, что яркость и размеры дифракционной картины постепенно уменьшаются. Примерно через две минуты венцы исчезают совсем и не появляются, сколько бы вы ни нажимали на грушу. Попробуем объяснить это.
Мы уже говорили, что уменьшение размеров картины вызвано ростом диаметра капелек тумана. Яркость же картины может снижаться только потому, что уменьшается общее число капелек тумана в колбе. Но почему это происходит? Может быть, капельки испаряются? Если на мгновение допустить это невероятное предположение, то сразу обнаруживается противоречие: при испарении капельки должны уменьшаться, а дифракционная картина — увеличиваться, но все происходит как раз наоборот. Остается наиболее естественное объяснение — водяные капельки просто оседают на дно колбы.
Действительно, капельки воды конденсируются на пылинках и, оседая на дно колбы, увлекают их за собой. Воздух в колбе становится все чище, центров конденсации остается все меньше, значит, капельки тумана образуются все более крупными и редкими, вследствие чего картина постепенно уменьшается и теряет яркость, пока вовсе не пропадает.
Понятно, что способность колбы давать венцы можно восстановить, если в нее ввести взвешенную в воздухе пыль. Сделайте, например, так. Откройте колбу, приблизьте конец стеклянной трубки, торчащий из пробки, к горлышку колбы и несколько раз сожмите и отпустите грушу. Тем самым вы продуете колбу комнатным воздухом, который всегда несколько запылен, и сможете снова с успехом повторять опыты по образованию венцов.
Попробуйте вводить в колбу разные «сорта» пыли, набирая ее в резиновую грушу с корешков книг, долго простоявших на полке, с ворсистой одежды и т. д. Проследите за соответствующими изменениями дифракционной картины и убедитесь в том, что пыль не позволяет существенно увеличить число центров конденсации пара в колбе. А что если воспользоваться дымом?
Напустите в колбу немного дыма от тлеющего на конце проволоки клочка ваты. Сжав и отпустив грушу, вы получите густой белый туман, сквозь который ничего хорошего не видно. Он появляется потому, что частицы дыма весьма многочисленны, на каждой из них конденсируется водяной пар, и в результате образуется очень много очень мелких капелек воды.
Попробуйте теперь уменьшать количество центров конденсации пара. Для этого откройте колбу и продуйте ее воздухом. Закрыв колбу пробкой с резиновой грушей, вновь получите туман в ней. Повторяя эти операции, проводите наблюдения. Вы обнаружите, что по мере уменьшения центров конденсации пара в колбе у наблюдаемого в опыте белого круга с центром в источнике света появляется красноватая или, скорее, коричневатая кайма. Постепенно белый круг желтеет, а кайма формируется в коричневато-красное кольцо. Затем это кольцо становится красным, а за ним появляется синее. С каждым разом картина становится все более яркой и в ней появляются новые цвета: малиновый, зеленовато-голубой, сиреневый — всего не перечислить!
Напомним, что все эти явления обусловлены постепенным увеличением диаметра капелек тумана. В некоторый момент, глядя с расстояния вытянутой руки на колбу, вы вдруг заметите, что вся она почти равномерно окрашена в определенный яркий и насыщенный цвет (рис. 3). Это непривычное и чрезвычайно красивое явление можно объяснить интерференцией света, сфокусированного каплями и дифрагированного на них. При дальнейшем увеличении диаметра капелек тумана возникают широкие венцы, подобные показанным на рисунке 4.
Заключение
Вот и окончен рассказ о разноцветном тумане. Конечно, надо было бы упомянуть о роли ионов, которые легко получить в колбе с помощью пьезоэлектрической зажигалки. Хорошо бы рассказать о дифракционной картине в монохроматическом свете. Любопытно подробнее рассмотреть динамику явления. Было бы совсем неплохо немного посчитать.
Но все это мы вам предлагаем проделать самостоятельно. Желаем успеха!
Литература
- Ростовцев Н. М. Как с помощью проволоки измерить длину световой волны. «Квант», 1977, № 8, с. 34.
- Амстиславский Я. Е. Необычайные явления вокруг обычных источников света. «Квант», 1982, № 6, с. 15.
- Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: Наука, 1969, с. 222.
- Городецкий Е. Е. Дифракция света на круглом отверстии. «Квант», 1989, № 11, с. 46.
- Броунов П. И. Атмосферная оптика. М.: Гостехиздат, 1924, с. 105.
