Прозрачность. — Вещество или среду называют «прозрачными» в обычном смысле слова, если можно сквозь это вещество или среду видеть предметы; в этом смысле веществом прозрачным называют, следовательно, такое, которое пропускает, не поглощая и не рассеивая, лучи всех или некоторых длин волн, действующих на сетчатую оболочку глаза. Если вещество свободно пропускает все или почти все лучи видимого глазом спектра, как, например, вода, стекло, кварц, то называют его «вполне прозрачным»; если же свободно проходят лишь некоторые лучи спектра, другие же поглощаются, то такую среду называют «прозрачной окрашенной», так как в зависимости от пропускаемых средой лучей рассматриваемые через нее предметы кажутся окрашенными в тот или другой цвет; таковы, например, цветные стекла, раствор медного купороса и т. д. Можно соответственной обработкой изменить степень П. среды, не меняя характера пропускаемых ею лучей; так, например, делая поверхность стеклянной пластинки матовой, т. е. покрывая ее сетью мелких неправильных граней, отражающих и рассеивающих свет, можно приготовить пластинку «полупрозрачную», через которую едва видны будут неясно контуры предметов; прибавив к прозрачной среде мелкий порошок вещества иного коэффициента преломления в подвешенном в ней состоянии (молочное стекло, эмульсии) или пропитав жидкостью почти непрозрачное вещество (бумага, пропитанная маслом; минерал гидрофан, пропитанный водой), мы получаем «просвечивающую» среду, через которую не видно уже контуров предметов, но различается еще присутствие источников света. П. среды обусловлена, таким образом, раньше всего количеством поглощаемых и рассеянных при прохождении через среду световых лучей; последнее же зависит от толщины среды, увеличиваясь по мере увеличения толщины пройденного лучами пути. Если предположить, что в среду вступает количество световых лучей V, то по прохождении слоя в l стм из среды выступит лишь количество лучей V1, равное V1 = Vl-ke, где e есть основание Неперовых логарифмов (число 2,7183), a k — коэффициент поглощения, зависящий от природы поглощающей среды и длины волны поглощаемых ею лучей; электромагнитная теория света (см. Свет) учит, что k зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости вещества. Из приведенного выражения видно, что поглощение весьма быстро растет, а П. убывает вместе с увеличением толщины поглощающего слоя; так, например, если k = 0,1, то слой в 1 стм пропускает 90% вступивших в него лучей, слой в 5 стм — 61%, в 10 стм — 37%, в 25 стм — 8%, в 50 стм — 0,6%, в 100 стм только 0,004%. Весьма тонкие слои непрозрачных веществ (тонкие слои металлов) пропускают некоторое количество света, толстые же слои даже весьма прозрачных тел (вода) могут быть непрозрачны. Коэффициент поглощения зависит для данного вещества от длины волны проходящего света и для лучей различной длины волны у одного и того же вещества может быть весьма различен. Это различие в совокупности с вышеприведенным законом объясняет, почему в тонком слое многие вещества почти одинаково прозрачны для всех лучей, в слое средней толщины представляют для различных лучей значительные разницы в П., а в толстом слое почти одинаково непрозрачны для всех лучей. Если, например, три луча разной длины волны имеют коэффициенты поглощения 0,05, 0,1 и 0,2, то количество пропущенных лучей будет:
| Толщина слоя, в стм. |
Количество пропущенного света, в процентах | ||
|---|---|---|---|
| k = 0,05 | k = 0,1 | k = 0,2 | |
| 1 | 95 | 90 | 82 |
| 5 | 78 | 61 | 37 |
| 10 | 61 | 37 | 14 |
| 25 | 29 | 8 | 0,7 |
| 50 | 8 | 0,6 | 0 |
| 100 | 0,7 | 0 | 0 |
| 200 | 0 | 0 | 0 |
Наибольшая разница в количестве пропущенных лучей для двух лучей с коэффициентами поглощения k1 и k2 будет при толщине слоя l, равной:
например, для k1 = 0,1 и k2 = 0,05 при толщине слоя в 14 стм. Так, например, насыщенный раствор медного купороса в тонком слое почти бесцветен, в слое в один дециметр ярко-синий, в очень толстом слое едва прозрачен. У окрашенных водных растворов коэффициент поглощения k пропорционален содержанию красящего вещества, и потому количество пропущенного света данной длины волны будет одно и то же, возьмем ли мы данный слой жидкости или слой, в два раза более толстый, но в два раза менее концентрированный, на этом основана колориметрия (см.). Для исследования различий в коэффициентах поглощений для лучей различных длин волн исследуют спектры поглощения данного вещества; такое исследование служит могущественным пособием для анализа и определения веществ (см. Спектральный анализ; там же см. зависимость между поглощением и лучеиспусканием). Некоторые кристаллические вещества представляют ту особенность, что П. их неодинакова для различных лучей по различным направлениям; это свойство называется плеохроизмом (см.). Понятие о П. распространяют и на другие виды лучистой энергии, не воспринимаемые непосредственно глазом; так, говорят о П. для инфракрасных (тепловых), ультрафиолетовых и электрических лучей. Одно и то же вещество для различных этих лучей, которые, как учит современная физика, отличаются друг от друга лишь длиной волны, может представлять весьма различную степень прозрачности. Так, стекло, весьма прозрачное для электрических лучей (длина волны больше 1 стм), сравнительно мало прозрачно для лучей инфракрасных, вполне прозрачно для лучей видимого спектра и почти непрозрачно для лучей ультрафиолетовых. Наоборот, эбонит или раствор йода в сероуглероде, непрозрачные для видимых лучей, весьма прозрачны для лучей инфракрасных и электрических, а тонкий слой серебра, непрозрачный для лучей видимых, инфракрасных и электрических, сравнительно прозрачен для лучей ультрафиолетовых. Точно так же как многие вещества (окрашенные) пропускают только некоторые из видимых лучей, так же и вещества, прозрачные, например, для инфракрасных лучей вообще, неодинаково прозрачны для различных из них. Это явление, найденное Меллони (1835), было им названо по аналогии с явлениями для видимых глазом лучей теплоцветностью (термохроз); так, например, Меллони нашел, что пластинка плавикового шпата толщиной в 2,6 мм пропускает 42% темных лучей, испускаемых медью при 400°, и лишь 33% невидимых лучей, испускаемых медью, нагретой до 100°. Аналогичные свойства представляют различные вещества и относительно П. для ультрафиолетовых лучей. Пикте (1884) заметил, что при весьма низких температурах (ниже —100°) многие вещества, поглощающие в обыкновенных условиях инфракрасные лучи, становятся для них вполне прозрачными. Исследование П. данного вещества для различных видов лучистой энергии производится в зависимости от длины волны исследуемых лучей различными способами. Для видимых глазом лучей пользуются фотометрами (см.) или спектроскопами (см.), для ультракрасных — термоэлементами (см.) или болометром (см.), для ультрафиолетовым тоже болометром или изучают П. на основании их фотографического действия. Такими приемами была исследована П. множества тел, но это изучение привело лишь к весьма небольшому числу общих выводов, из которых лишь один — закон Кирхгофа, гласящий, что каждое вещество поглощает лишь те лучи, которые оно при данных условиях само способно излучать (см. Свет, Спектральный анализ) — может быть назван вполне общим законом природы. Электромагнитная теория света учит еще, что диэлектрики должны быть прозрачны для волн большой длины, а проводники должны поглощать их, что и подтверждается на опыте. Энергия поглощенных телом лучей в огромном большинстве случаев превращается в энергию тепловую (тело нагревается), в редких случаях опять в световую энергию, причем тело излучает свет большей длины волны, чем длина волны поглощенных лучей (флуоресценция; см.). В конце 1896 г. профессором Рентгеном в Вюрцбурге открыт был новый род лучей, природа которых до сих пор (1898) еще не определена. П. различных тел для этого рода лучей представляет многие особенности. Так, например, металлы почти все в тонких слоях прозрачны для этих лучей, причем П. тем больше, чем удельный вес металла меньше; алюминий почти вполне прозрачен для них, свинец вполне непрозрачен. Стекло и слюда поглощают эти лучи довольно сильно, дерево, картон и т. д. даже в толстых слоях для них вполне прозрачны; сухожилия и органические ткани пропускают эти лучи, кости их поглощают; на этом последнем свойстве основано применение лучей Рентгена в хирургии. Аналогичными свойствами обладают тела и по отношению к некоторым другим новым родам лучей, близким к лучам Рентгена и открытым в самое последнее время (см. Рентгеновы лучи).
П. воздуха играет важную роль в метеорологии, так как от нее зависит количество световой энергии, получаемой Землей от Солнца и обратно излучаемой Землей в пространство, а следовательно, и нагревание Солнцем Земли и температура последней. Количество тепла, которое получал бы каждую минуту один квадратный стм земной поверхности, перпендикулярный к лучам Солнца, если бы не было атмосферы и ее поглощающего действия, называется солнечной постоянной (c) и равно приблизительно 3 калориям. Если Солнце стоит в зените данного места, то лучи проникают толщу земной атмосферы поглощаются ею и на 1 кв. стм в минуту попадает уже не c калорий, но ac калорий, где a — дробное число, указывающее часть энергии, проникшей через атмосферу и называющееся коэффициентом прозрачности. Если Солнце близко к горизонту, то лучам нужно пройти в u раз большую толщу воздуха и количество тепла, полученное 1 кв. стм, будет acu [1]. Величина u зависит от высоты Солнца и может быть вычислена на основании этой высоты. Коэффициент П. был впервые определен Пулье, который нашел a = 0,75. Позднейшие исследования показали, что коэффициент П. меняется в зависимости от времени года; так, например, Савельев в Киеве нашел, что зимой он около 0,8, летом около 0,6. Во всяком случае эти величины a дают лишь некоторое среднее, так как различные слои атмосферы, отличающиеся своей плотностью, имеют различные коэффициенты П. и, кроме того, a различно для лучей различных длин волн. При вычислении поглощения лучей атмосферой принимают обыкновенно, по данным Радау, что вся толща атмосферы поглощает лучи так же, как поглощал бы слой ее толщиной в 10 километров и плотности такой же, как атмосфера на земной поверхности. Зависимость a от длины волны была исследована весьма подробно Ланглеем, который нашел, что воздух сравнительно весьма прозрачен для инфракрасных лучей (a = 0,8 — 0,9), прозрачен для лучей видимого спектра (а = 0,6 — 0,8) и очень мало прозрачен для лучей ультрафиолетовых (а = 0,4 — 0,5); позднее Шуман показал, что для крайних ультрафиолетовых лучей воздух совсем непрозрачен. Исследуя спектр поглощения воздуха (см. Спектральный анализ), нашли еще множество лучей различных длин волн, которые воздухом поглощаются; это так называемые теллурические фрауенгоферовы линии солнечного спектра (см.); некоторые из них, как показал Н. Г. Егоров, вызваны поглощением лучей кислородом воздуха. Заметное влияние на поглощение имеет и содержание в воздухе водяных паров, хотя это влияние и меньше, чем предполагали раньше; вопрос этот, несмотря на множество работ, еще не вполне выяснен. Подробности см. Солнце, Солнечная радиация, Спектральный анализ.
П. и цвет воды. Работы Араго и Ге (Hayes) привели к заключению, что вода не имеет собственного цвета, но получает его вследствие некоторых физических явлений, в ней происходящих, или вследствие примеси к ней посторонних веществ. Бунзен же нашел около 50 лет тому назад, что цвет чистой воды при достаточной толщине слоя — синий. После того как Гиндаль показал, что голубой цвет неба есть результат отражения света от частичек воздуха, отчего свет атмосферы является и поляризованным, доказано было (Соре и Гагенбах), что синий цвет некоторых озер также поляризован. Однако Шпринг (1883) точными опытами подтвердил показания Бунзена и убедился, что чистая вода (дистиллированная в платиновых сосудах) имеет собственный голубой цвет. Для своих опытов он составил из стеклянных трубок по 2 м длиной и 15 мм внутреннего поперечника две системы длиной в 26 м каждая, закрытые по концам плоскими стеклышками, а снаружи обернутые черной бумагой. С одного конца такой длинной трубки был пропускаем в нее свет дневной или от горелки Ауэра; с того же конца на донышке трубки были натянуты две тонкие нити, которые наблюдались с противоположного конца трубки с помощью астрономической трубы. Когда трубка была наполнена водой, то при чистом небе нити были видны с такой отчетливостью, что нельзя было допустить в воде ни пылинки, и, однако, вода казалась голубой. Наблюдая поперек трубки через отверстия в черной бумаге, Шпринг заметил, что вода светится, но лишь до 2 м расстояния от освещенного дна. Он приписал это явление, т. е. легкую мутность, температурным влияниям, и в самом деле, если в трубку, охлажденную до 4°, налить воды при 16°, то обнаруживается полная непрозрачность или мутность, исчезающая лишь через несколько часов. Шпринг не заметил, чтобы свет, прошедший через воду, был поляризован. Опыты над происхождением оптической мутности от температурных изменений удавались при употреблении трубок в 6 м длиной и еще короче. И в природе тень от облака или горы на водах озер, охлаждение поверхности воды ветром — все это должно производить влияние на прозрачность воды независимо от нахождения в ней твердых частичек. Зимой воды пресных озер прозрачнее, чем летом, что Форель (1877) приписывает большему содержанию твердых частиц в летней воде. По Соре (1870), солнечный свет (для нашего зрения) проникает в воду Женевского озера на глубину 17 метров; в опытах же Шпринга дневной свет проходил через чистую воду глубиной в 26 м. Различие цвета различных озер приписывалось присутствию в них органических веществ, приносимых ручьями (Витгенштейн) из почв, богатых гумусом и имеющих коричневый или желтый цвет; эти вещества изменяют цвет воды в желто-зеленый и зеленый. Шпринг также показал, что зеленый цвет может образоваться от подвешенных мельчайших, совершенно бесцветных, твердых частиц. Такая слегка мутная вода имеет свойство отражать синие и фиолетовые лучи, а пропускает часть желтых или оранжевых, что в комбинации с собственным голубым цветом воды может произвести множество оттенков от голубого через зеленый до коричневого. Фотометренными измерениями (1896) он доказал, что количество света, отражаемого зелеными швейцарскими озерами, в самом деле значительнее, чем отражаемого синими. Бриенцское озеро, зеленое, малопрозрачное (т. е. сравнительно много содержащее твердых частиц), отражает 12,6% света при тех же условиях, при которых Blauensee Кандерской долины отражает несколько менее 10%. См. W. Spring, «Archives des sciences physiques» (1896; там же указана литература предмета).
Прозрачность воды. Возможность видеть сквозь толщу воды, кроме других причин (как то: цвет воды, чистота ее, движение воды), зависит еще от той высоты над поверхностью воды, с которой мы смотрим. Море в 1876 г. указал, что с высоты 1700 м при +22° Ц. дно Ламанша на известной глубине со всеми подробностями рельефа дна было ясно видно. В 1894 г. наблюдения с воздушного шара Ко (Coe) показали пользу таких наблюдений для отыскания подводных камней. В том же году производившиеся поиски погибшего броненосца «Русалка» при помощи привязного воздушного шара с высоты 100 и до 250 саженей выяснили пользу употребления шаров при гидрографических работах, особенно в шхерах. Хотя до сих пор в точности не выяснена физическая сторона этого многократно подтверждавшегося наблюдения, но можно полагать, что с подъемом глаза наблюдателя над поверхностью воды все рассеянные лучи, отраженные от волн, мелкой ряби и самой поверхности воды, действуя слишком интенсивно на сетчатку глаза вблизи, по мере удаления попадают в глаз все в меньшем количестве, и тогда отраженные лучи с глубины моря, как они ни слабы, начинают чувствоваться сетчаткой глаза.
Примечания
править- ↑ Эта формула, данная Бугером, вполне аналогична вышеприведенной, только коэффициенты у них имеют различные значения; легко показать, что зависимость между этими коэффициентами выражается следующим образом: lg. nat.a = —k.