海水为什么这样蓝

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1、 海水为什么这样蓝?纪念拉曼诞辰一百周年 喇曼以研究光的散射和发现以他的姓名命名的喇曼效应而于1930年获诺贝尔物理奖。他在领奖词中讲道:“ 1921年夏，我到欧洲的一次航行使我第一次有机会看到地中海的美丽的蓝色乳光。这种现象似乎很象是由于阳光被水分子散射引起的。为了检验这种解释，最好是找到光在液体中漫射所遵循的规律。1921年9月我返回加尔各答后，立即开始了这个课题的实验，并且很快就了解到，这个课题的意义远远超出了我的工作的特定目的，它为研究打开了非常广阔的领域。” 喇曼在这里生动地回忆了他作出发现的起因。读者们请注意不要误解喇曼的自述，以为是旅途中的奇遇引起了他的兴趣。必须指出，指引他沿着

2、这条科学路线前进的，并非偶然的遭遇和灵感，而是他洞察到这一现象涉及到物理化学一系列根本问题，有可能成为重大发现的突破口。 对喇曼来说，海水的蓝色并没有什么稀罕，他上学的马德拉斯大学，面对本加尔(Beri-gal)海湾，每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩。事实上是，他早在16岁(1904年)时，就已熟悉著名物理学家瑞利的大气色散理论，很佩服瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律(也叫瑞利定律)对蔚蓝色天空的解释。不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性，还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考，他注意到瑞利的一段话值得商榷，瑞利说:“ “深海的蓝色并不是海水的颜色，只不过是

3、天空蓝色被海水反射所致.” 1919年，喇曼已经对光散射的问题发表了文章。这一年，他读到拉摩(J,Larmr)在哲学杂志_上的论文辐射的分子散射X47，发现拉摩在论述中有些缺陷，就写了一篇短文作了补充”。这是喇曼关于分子散射的第一篇作品。这个时候，他正在进行硫悬浮液中光散射的实验研究“。 瑞利对海水蓝色的论述一直是喇曼关心的问题。他决心进行实地考察。于是，喇曼在启程去英国时，行装里准备了一套实验装置:几只尼科尔棱镜，小望远镜、狭缝，甚至还有一片光栅望远镜两头装_七尼科尔楼镜当起偏器和检偏器，随时都可以进行实验。他用尼科尔棱镜观察沿布儒斯特角从海面反射的光线，即可消去来自天空的蓝光。这样看到的光

4、应该就是海水自身的颜色。结果证明，由此看到的是比天空还更深的蓝色。他又用光栅分析海水的颜色，发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更偏蓝。可见，海水的颜色并非天空颜色引起的，而是海水本身的一种性质。喇曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。他在回程的轮船_上写了两篇论文，讨论这一现象，论文在中途停靠时先后寄往英国，发表在伦敦的两家杂志上。: 正如喇曼在演讲中所说的，在他返回印度后，立即在科学教育协会开展一系列的实验和理论研究，探索各种透明媒质中光散射的规律。 七年的探索 许多学生和合作者参加了这些研究。其实喇曼身边的学生大多是学校的教师，他们在休假日来到科学教育协会，和喇曼一起或在喇曼的指导下进

5、行光散射或其他实验，对喇曼的研究发挥了积极作用。七年间他们共发表了大约五六十篇论文。 他们先是考察各种媒质分子散射时所遵循的规律，选取不同的分子结构、不同的物态，不同的压强和温度，甚至在临界点发生相变时进行散射实验。1922年，喇曼写了一本小册子总结了这项研究，题名光的分子衍射s，书中系统地说明了自己的看法。在最后一章中，他提到用量子理论分析散射现象认为进一步实验有可能鉴别经典电磁理论和光量子碰撞理论孰是孰非。 1923年4月，他的学生之一拉玛纳桑(K,R,Ramanathan)第一次观察到了光散射中颜色改变的现象。实验中以太阳作光源，经紫色滤光后照射盛有纯水或纯酒精的烧瓶，然后从侧面观察，却

6、出乎意料地观察到了很弱的绿色成份。拉玛纳桑不理解这一现象，把它看成是由于杂质造成的二次辐射，和荧光类似。因以，在论文中称之为“弱荧光”。然而喇曼不相信这是杂质造成的现象。如果真是杂质的荧光，在仔细提纯的样品中，应该能消除这一效应。 在以后的两年中，喇曼的另一名学生克利希南(IC . S , Krisllnan)观测了经过提纯的65种液体的散射光，证明都有类似的“弱荧光”，而且他还发现，颜色改变了的散射光是部分偏振的。众所周知，荧光是一种自然光，不具偏振性。由此证明，这种滤长变化的现象不是荧光效应。 喇曼和他的学生们想了许多办法研究这一现象，他们试图把散射光拍成照片，以便比较，可惜没有成功。他们

7、用互补的滤光片，用大望远镜的目镜配短焦距透镜将太阳聚焦，试验样品由液体扩展到固体，坚持进行各种试验。 与此同时，喇曼也在追寻理论上的解释0 1924年喇曼到美国访问，正值不久前康普顿 A , H , Compton)发现x射线散射后波长变长的效应，而怀疑者正在挑起一场争论。喇曼显然从康普顿的发现得到了重要启示，后来他把自己的发现看成是“康普顿效应的光学对应。h.e喇曼也经历了和康普顿类似的曲折，经过六七年的探索，才在1928年初作出明确的结论。 喇曼这时已经认识到颜色变化、比较弱又带偏振性的散射光是一种普遍现象。他参照康普顿效应中的命名:“变线”，把这种新辐射称为“变散射”(modified

8、scattering)。喇曼又进一步改进了滤光的方法，在蓝一紫滤光片前再加一道铀玻璃，使入射的太阳光只能通过更窄的波段，再用目测分光镜观察散射光，竟发现展现的光谱在变散射和不变的入射光之间，隔有一道暗区。 就在1928年2月28日下午，喇曼决定采用单色光作光源，做了一个非常漂亮的有判决意义的实验。下面摘引一段喇曼在3月16日向公众讲演中的说明:” “我们用的是石英水银灯，加上滤光片可以完全有效地挡掉比靛线4358A更长的可见光谱线。当这盏灯发出的光进入盛有无尘液体的容器时，从目测分光镜看散射光，可以看到，在兰光和绿光的区域里，有一两根以上的尖锐亮线，这些亮线在入射光的光谱或在未经滤光的汞弧光谱

9、中是找不到的，可见它们是液体分子的产物。” 喇曼的讲演全文发表在他自己创办的印度物理期刊(Indian Journal of Physics)上，文中附有石脑油的散射光谱照片。这篇历史性文献全面阐述了新辐射的特点，每一条入射谱线都有相应的变散射线。一般情况，变散射线的频率比入射线低，偶而也观察到比入射线高的，但强度更弱。 不久，人们开始把这一新发现的现象称为喇曼效应。1930年，美国光谱学家武德(R,W , Wood)为颂率变低的变散射线取名为斯托克斯线，频率变高的为反斯托克斯线。人们认识到喇曼光谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果，利用喇曼光谱可以把处于红

10、外区的分子能谱转移到可见光区来观测，因此喇曼光谱作为红外光谱的补充，必将是研究分子结构的有力武器。 崇高的评价 喇曼发现反常散射的消息传遍世界，引起了强烈反响，许多实验室相继重复，证实并发 展了他的结果。1928年，关于喇曼效应的论文就发表了57篇之多“s。两年后喇曼荣获诺贝 尔物理奖，成为亚洲第一位获得这一荣誉的科学家。一科学界著名人士对他的发现给予很高的 评价。例如: 1928年8月24日，玻恩(Max Born)在自然科学杂志上指出，喇曼的发现正是量 子力学的预言，这一效应的全部细节正如理论之所料，所以可以看成是这一理论的证 明艺。 同年，武德在自然杂志上写道:“3 “喇曼教授光辉而又惊

11、人的发现打开了研究分子结构的崭新领域。我已对这一现的每一细节作了检验，显然，这一非常漂亮的发现，是喇曼持久和耐心研究光散射的结果。它成了光量子理论最有说服力的证据之一” 光谱学家普林海姆(Pringsheim)对喇曼效应作了全面述评，认为这是一个全新的现象，可以由此研究分子特征光谱，并且指出:略“喇曼无疑地以他的发现打开了光谱学巨大而全新的领域.” 1930年喇曼获英国皇家学会的休斯奖，卢瑟福致词说:u5 “喇曼效应应列于这十年(指二十年代)来实验物理学最重要的3-4 I、发现之中。它证明了，并且还将证明，在研究固体理论中它是一种具有极大威力的手段。” 喇曼效应发现后六十年来的历史，特别是激光

12、作为光源以来喇曼光谱的发展，完全证实了上述预见。 如果把分子散射的研究看成是一场竞赛，也许可以说，这场竞赛是在许多科学家之间进行的，而喇曼和他的合作者在这场竞赛中首先夺得了胜利。他们的胜利是来之不易的，特别是喇曼，他既没有高级科学家的指导，又缺乏政府的财政资助，他作散射实验所用的仪器，总值还不到25美金!可见条件是很困难的。他主要靠业余坚持实验研究，靠学生和同事的支持与协作。不懈的努力，顽强的意志使他终于取得科学的桂冠。 当然，如果不是由喇曼，在1928年前后喇曼效应迟早也会被人发现的。例如:法国的罗加德(Rocard)在1927年预言散射光谱结构会不同于入射光，卡本尼斯(Cabannes)甚

13、至在1924年就开始研究各向异性分子在转动和振动时的光学差频效应，他们的理论正好能解释喇曼效应，可是在喇曼发表实验结果之前，他们一直没有做成这类实验。 苏联的朗兹伯(h , C , JIaARe6epr)在曼杰利斯塔姆(Maaueza二二M)的指导下，在石英的散射光中发现了并合散射，这一现象实际上就是喇曼效应，不过比喇曼晚了几个月。 最早在理论上作出预言的，应该说是奥地利的斯梅卡尔(A , Smekal)，他在1923年就有文章论述辐射与物质相互作用时辐射能量有变化的可能性0 1925年克喇末斯(Kramers) 和海森伯(Heisenberh进一步发展了1th ih思想，明对应原理推出了量子

14、散射公式【，7im。及至19.27年，狄一拉克、Dirac、提出量子力学散射理论，得到散射光的强度公式。但在公式中变线是隐含的，只有到喇曼从实验发现变线后，理论的含义才得以明朗。所以喇曼的发现得到崇高的评价是理所当然的。 喇曼是一位实验物哩学家，但他也密切注视理论的发展，据克理希南的日记记载t“，在1928年2月的一个晚上，这时斯托克斯线还未分辨出来，喇曼急切地来到克里希南的住处，告诉他早上的观测可能跟克喇末斯-一海森伯的量子理论育联系，也许正是他们一直在找的证据。这说明，喇曼在作出发现的关键时刻，是有正确的理论指导的。 有益的启示 喇曼是印度人民的骄傲，也为第三世界的科学家作出了榜样，他大半

15、生处于独立前的印度，竟取得了如此突出的成就，实在令人钦佩。特别是喇曼一直立足于印度国内，发愤图强，艰苦创业，建立了有待色的科学研究中心，走到了世界的前列。他的经验很值得我们学习和借鉴。印度和中国有许多相近之处。20世纪初两国都在社会动乱之中，都有一批学者本着科学救国的志向奋斗在初创的科学事业上。池们肩负着双重任务，既要自己在科学上做出成绩，又要创建机构，培养人才。1934年，喇曼和其他学者一起创建了印度科学院，并亲任院长。1947年，又创建喇曼研究所。他在发展印度的科学事业上立下了丰功伟绩。如果把喇曼、玻色、沙哈等印度学者和胡刚复、吴有训、叶企孙等中国学者的经历加以比较，可以发现他们之间有许多

16、共同点。我们从印度的物理学发展可以得到很好的启示和教益。 喇曼抓住分子散射这一课题是很有眼力的。他当然不可能在1919年就预见到后来发现的反常散射，他的认识一也只能是遂步发展的;但是在他持续九年的努力中、显然贯穿了一条红线，这就是:针对理论的薄弱环节，坚持不懈地进行基础研究。 喇曼很重视发掘人才，从印度科学教育协会到喇曼研究所，在他的周围总是不断涌现着一批批赋有才华的学生和合作者。就以光散射这一课题统计，在三十年中间，前后就有66名学者从他的实验室发表了37r篇论文;tee0喇曼有句名言:zo“科学界老的一代主要作用就是在年轻一代中发现才干和天赋，并提供充分的机会让其显示和扩展.”他对学生谆谆

17、善诱，深爱学生敬仰和爱戴。 喇曼是一位伟大的导师，也是一位伟大的爱国主义者。1929年英国王室授予他勋爵称号，他出于民族自尊心，后来辞去了这个爵位一”注。他引为骄傲的是，他是印度本国培养的学者。他非常崇拜印度的国父甘地，每逢甘地生日，他都要作科学报告，以资纪念。 喇曼很爱音乐，也爱鲜花异石。他研究金刚石的结构，耗去了他所得奖金的大部分。晚年致力于对花卉进行光谱分析。在他八十寿辰时，出版了他的专集:视觉生理学【22】。 喇曼喜爱玫瑰胜于一切，拥有一座玫瑰花园。在他八十二岁逝世后，按照他的意愿火葬于他的花园里。注:这件事可能有误。作者为此曾询问过印度喇曼研究所的5，钱德拉塞卡教授，复信如下: “亲

18、爱的郭教授: 谢谢您3月29日信，我很高兴地知道您正在准备C.V.喇受生平的报告，以纪念他的一百周年诞辰和喇受效应发现六十周年. 根据事实来看，W . A . Blanpied的说法是不正确的，您提出的问题很有遗理。喇受并未曾辞去他的爵位。希望您们会议成功。 1988年4月8日”S.钱德拉塞卡(签宇) 参考文献1J,1VIehra, Raman in C, C, Gill ispie (ed.)Dictionary of Scientific Biog- raphy, vol, 11(Charles Scribners Son, 1970-80)264.2Nobel Lectures; Phy

19、sics, vol.2(Els- Brier, 1966)267.3Lord Rayleigh, Scientific Papers, vol. 5 (Dover, 1900)540.4J, Larmor, Phil.Mag,37(1919)165.5C . V .Raman, Nature, 103(1919)165,6C, V, Raman and B.B.Ray，Proc.Roy Soc,A 10.0(1921)102,7C . V .Raman,Nature, 108(1921)367; Proc,Roy,Soc,A101(1922).8c .v .Raman, The Molecul

20、ar Diffract- ion of Light, (Ca,lcatta University Press, 1922).9C,V,Ramanand K .S.Iirishnan,Nat- ure, 121(1928)711.仁lo C,V.Raman, Nature, 121(1928)619.11 C,V.Raman, Scattering of Light (In- dian Academy of Sciences, 1978)467.12 Mag Born, Naturwissenschften, 16 (1928)673,13 R .W.Wood, Nature, 122(1928

21、)349,仁14 P,Pringsheim, Naturwissenschften，18 (1928)597.15 R .S, Kris如an and R,K,Shankar, J, Ram,Spect,td (1981)6.1G A,Smekal, Naturwissenschften,ll (1923)873.17 H,A,Kramers and W.Heisenberg，Z. phys, 31 (1926)6$1.la同16P,19同1120同1, P,2s71 W .A, Blanpied, Phy.rod.39 (198s- May)40.2 C,V,Raman, The Physi

22、ology of Uis- ion (Bangalore, 1908).C .V, RAMAN AND THE DISCOVERY OF RAIIIAN EFFECT -一TO THE MEMORY OF CENTENNARY OF RAMANS BIRTHDAY Guo Yiling (Qinghua University) Abstract C . V .Raman was a respective Indian scholar who won the first Nobel Prize amongAsian , He was trained in preindependent India, The life of Raman and his struggle for searching scattering Iight is described, Thearticle argues that Ramans discovery was not by chance, 作者简介郭奕玲，57岁，副教授.1952年毕业于清华大学物理系，中国科技史学会物理 学史专业委员会委员。现在清华大学现代应用物理系从事物理实验教学及物理学史研究，