Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В засушливой местности к совету поливать растения вечером, а не днем при ярком солнце, стоит прислушаться. Когда солнце низко, вода с большей вероятностью не испарится, а впитается в землю.

Вторая часть научно-фантастического романа Жюля Верна «Путешествие и приключения капитана Гаттераса» называется «Ледяная пустыня». После неудачной попытки добраться до Северного полюса капитан Гаттерас и несколько оставшихся верными ему членов взбунтовавшейся команды вынуждены зимовать во льдах вблизи Северного полярного круга. Дрова у них есть, но нет ничего, чем эти дрова можно поджечь. Им необходимо добраться до другого, тоже застрявшего во льдах корабля, но для этого надо совершить долгий переход по ледяной пустыне. Ясно, что по дороге они замерзнут и умрут, но судовой врач предложил хитроумный план, следуя которому они использовали лед, чтобы поджечь щепки. Вы догадались, как это можно сделать? Сработает ли план врача?

ОТВЕТ •Согласно Жюлю Верну, доктор из прозрачного куска льда смастерил выпуклую линзу, собирающую световые лучи. Во льду не было вмороженных пузырьков воздуха, которые обычно остаются при замерзании воды. С помощью топорика он отколол кусок льда. Придав куску льда нужную форму ножом, он окончательно отполировал его руками. Затем врач вынес ледяную линзу на яркое солнце и подобрал высоту так, что точка, в которой концентрируются солнечные лучи (фокус), попала на щепки. Щепки загорелись через несколько секунд.

Идея этого метода принадлежит Уильяму Скорсби — выдающемуся английскому ученому, первопроходцу арктических исследований. Он рассказал, что с помощью грубо сделанной линзы из прозрачного льда ему удалось поджечь дрова, расплавить свинец и разжечь матросскую трубку. Совсем недавно Мэттью Уилер из города Макбрайд в Британской Колумбии рассказал мне, что сделал фотографии камерой, где вместо обычных линз использовал линзы изо льда.

Огонь можно зажечь и используя обычные линзы для очков, конечно, если это очки для дальнозорких. Выпуклые линзы таких очков могут сфокусировать свет на щепках, но линзы из очков для близоруких свет не фокусируют. Поэтому сцена из романа Уильяма Голдинга «Повелитель мух» нереалистична: Хрюша был близоруким, и Ральф не мог воспользоваться его очками, чтобы зажечь костер.

Почему бриллианты сверкают? Почему они искрятся всеми цветами радуги и почему эти цвета тем ярче, чем больше бриллиант? Почему он кажется темным, если смотреть через его нижнюю грань на небольшой источник света? Почему грязь на нижней грани бриллианта уменьшает блеск его верхней грани?

ОТВЕТ •Бриллиант сверкает всеми цветами радуги, если свет, прошедший через его верхнюю грань, разлагается в спектр и через верхнюю грань возвращается обратно к наблюдателю. Чтобы избежать потерь, нижние грани должны быть ориентированы так, чтобы свет не выходил через нижнюю поверхность, а весь от нее отражался. В этом случае имеет место полное внутреннее отражение света. Именно поэтому, если смотреть через нижнюю грань бриллианта на свет, он будет выглядеть темным. Если нижняя грань бриллианта покрыта жиром или грязью, какая-то часть прошедшего внутрь камня света уходит в этот грязный слой, и бриллиант блестит меньше. Поэтому, чтобы бриллиант оставался сверкающим, его надо мыть и снизу, и сверху.

Одним из параметров, определяющим, насколько данный материал при освещении разлагает белый свет на цвета видимого спектра, является его дисперсия, или зависимость показателя преломления от длины волны (то есть цвета). Дисперсия у алмаза очень высокая, и поэтому он разлагает свет гораздо лучше стекла с низкой дисперсией. Это значит, что сделанный из стекла фальшивый бриллиант с большим числом граней будет блестеть, но искриться разными цветами не будет. Мерцание большого бриллианта гораздо красочнее, чем маленького, из-за того, что луч света проходит внутри крупного камня большее расстояние, в результате чего расхождение лучей разных цветов увеличивается.

Чем обусловлена игра цвета опала? У опала механизм цветообразования должен быть не таким, как у алмаза, его дисперсия мала. Кроме того, у опала и сами цвета другие. Если вращать бриллиант под ярким источником белого цвета, он переливается всеми цветами радуги. А если так же вращать опал, разброс цветов будет небольшим. Что определяет различие между бесцветным и благородным черным опалом?

ОТВЕТ •Опал — это не кристалл, а аморфный кремнезем, оксид кремния, содержащий небольшое количество воды. Кремнезем собран в небольшие сферические глобулы (диаметром порядка 100 нм), которые упакованы плотно, как апельсины в ящике. В пространстве между этими сферами содержатся воздух, водяной пар и жидкая вода. Оптические свойства структуры из кремниевых сфер и пустот между ними зависят от размеров глобул. Белый свет, попавший внутрь опала, испытывает дифракцию (один из типов рассеяния) на этой периодической структуре, при этом лучи разных цветов выходят из опала под разными углами. Угол дифракции для каждого из цветов определяется периодом структуры (диаметром глобул) и углом падения света. Если, осматривая опал, вы двигаете его, тут и там вспыхивают и гаснут точки разных цветов. Говорят, что опал горит .

Если цвета яркие и хорошо различимы, как в случае черного опала, каждый из них должен состоять из световых волн с близкими длинами. Такой узкий интервал длин волн возможен, если все кремниевые сферы примерно одного размера. Однако самую красивую игру цвета под любым углом демонстрируют опалы, состоящие из групп кремниевых глобул, ориентированных и упакованных в разных местах по-разному. В этом случае говорят о дефектах упаковки . Черный опал с дефектами еще и потому так красив, что в нем есть небольшие включения углерода, оксидов железа или титана, поглощающие часть света. Благодаря этому создается черный фон для исходящих ярких цветных лучей, что делает их лучше различимыми. В бесцветных опалах сферические глобулы кварца сильно разнятся по размерам, и поэтому такие опалы не блестят. В белых опалах этот разброс меньше, но все же еще достаточен, чтобы они выглядели бледными и молочно-белыми .

Цвет большинства драгоценных камней примерно одинаков как при солнечном свете, так и при искусственном освещении. Но есть камни, например александрит и танзанит, обладающие удивительной способностью менять цвет: на солнце они сине-зеленые, а при свете электрической лампочки красно-желтые. Впервые полудрагоценный камень александрит нашли в России на Урале в 1831 году. Его назвали в честь наследника русского престола и будущего русского царя Александра II. Почему же александрит меняет цвет?