В однородной прозрачной среде, будь то воздух, вода, стекло или космический вакуум, свет распространяется прямолинейно. Однако при переходе из одной среды в другую он преломляется, меняя направление в зависимости от разницы в их оптической плотности.
Красивый, четкий угол преломления на границе воздуха и воды хорошо заметен и знаком даже школьникам. Но если оптическая плотность будет меняться не так резко, то и луч начнет изгибаться постепенно, дугой. На движение луча в воде влияют растворенные в ней вещества, и чем более «густую» взвесь мы используем, тем сильнее будет преломление. Именно это нам и нужно: если дать жидкости отстояться, то само притяжение Земли создаст в ней градиент — постепенное возрастание концентрации и плотности раствора сверху вниз. Останется лишь поднести лазер.
Мы взяли вытянутый узкий аквариум, в котором путь луча будет достаточно длинным. Дно его полностью покрыли сахаром, выложив слой кубиков рафинада. Затем осторожно влили воду, стараясь, чтобы жидкость почти не перемешивалась. Другой вариант постановки этого опыта рекомендует использовать сахар-песок из расчета 250 граммов на 3 литра воды.
Аквариум оставили в тихом, спокойном месте на сутки: за это время сахар полностью разошелся сам по себе, причем концентрация молекул у дна оказалась выше, чем ближе к поверхности. Важно не тревожить жидкость, не трясти и не переносить аквариум с места на место.
Приставив лазерную указку к боковой стенке аквариума, мы увидели луч, частично рассеивающийся при движении через раствор. Светили под небольшим углом к горизонтали и, опуская лазер все ниже, увидели, как градиент плотности заставляет его изгибаться. Отразившись от нижней поверхности стекла, луч снова вернулся в жидкость и пошел дальше второй симметричной дугой.
Статья «Преломление сладкого» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2019).
