Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

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?

ОТВЕТ • Камни, обнаруживающие александритовый эффект, хорошо пропускают только сине-зеленый и красный свет видимого спектра. Однако сине-зеленый свет они пропускают лучше, чем красный. Когда смотришь на такой камень при солнечном свете, куда входят все цвета видимого спектра, проходят главным образом сине-зеленые лучи, и камень выглядит зеленым. Искусственное освещение, созданное горячей нитью накаливания внутри электрической лампочки, обычно обеднено цветами синей области спектра. Из-за этого при искусственном освещении сине-зеленых лучей проходит гораздо меньше, чем красных, и камень выглядит существенно краснее, чем при солнечном свете. Но оказывается, что в свете электрической лампочки камень еще более красный, чем он должен бы быть, согласно этим рассуждениям. По-видимому, это можно объяснить особенностями человеческого зрения.

Почему, если смотреть на звездчатый сапфир, освещенный небольшим источником света, над его поверхностью видна парящая шестилучевая звездочка?

ОТВЕТ • Звездочка получается в результате рассеяния света на игольчатых включениях из оксида титана. Сонаправленные кристаллики группируются вместе вдоль линий, ориентированных под углом 120° друг относительно друга. Глядя на камень, мы видим три пересекающиеся линии, образующиеся при рассеянии света на таких скоплениях, а шесть лучей звездочки получаются при пересечении этих линий в одной точке. Если при обработке камня его поверхность делают не плоской, а сферической или овальной, кажется, что звездочка находится где-то над поверхностью, и возникает ощущение, что она парит в воздухе. Это мнимое изображение, которое создает зрительная система, «интерпретируя» воспринимаемый ею свет. На листке бумаги, помещенном в то место, где, как кажется, находится блестящая звездочка, она не видна.

Посмотрим на стол, на который падает солнечный свет, прошедший через бокал с белым вином. Стол освещен неоднородно. На нем можно увидеть одну или несколько ярких линий, так называемые каустики. Искривленные стенки бокала перенаправляют световые лучи, что и приводит к образованию таких линий. Отражение света от окон тоже приводит к образованию похожих узоров на окружающих их предметах. Однако, вероятно, чаще всего каустику можно увидеть внутри керамической чашки или пластикового стакана с кофе (но стакан должен быть не из вспененного полистирола). Здесь каустика представляет собой две пересекающиеся яркие искривленные линии (рис. 6.35a).