Как радужная плёнка появляется на разных предметах?

Наука и жизньНаука

Радужные плёнки: наблюдения и опыты

Иван Григорьев (г. Нововоронеж)

Вы, конечно, не раз обращали внимание на радужную окраску предметов, веществ, животных и растений. Примеров множество: переливающиеся цвета некоторых минералов, плёнок масла, «ржавой воды» на водоёмах, мыльных пузырей, трещин во льду, в стекле, цвета побежалости на нагретом металле. В животном мире радужно окрашены пятна и перья павлина, шея сизого голубя. Редким «металлическим отливом» могут похвастаться некоторые бабочки, жуки и мухи. Во всех этих случаях радужные цвета вызваны не красителями, а взаимодействием световых волн — интерференцией в тонких слоях прозрачных веществ, называемых тонкими плёнками. (Интерференция — это взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды волн при их наложении друг на друга.)

Попробуем понять, как возникают радужные переливы, и проделать несложные опыты с интерференцией в тонких плёнках.

Современное представление о механизме интерференции в тонкой прозрачной плёнке таково. Когда луч света падает на неё, он делится на две части: одна отражается от внешней поверхности плёнки, другая проникает сквозь её толщу, а затем частично отражается от нижней внутренней поверхности и возвращается обратно. В результате получаются два отражённых от плёнки луча света, накладывающиеся друг на друга. Поскольку они происходят из единого источника, то колебания световых волн в них согласованы. Такие волны называют когерентными. Только в этом случае возможно образование устойчивой интерференционной картины. Второй луч света проходит толщину плёнки дважды и потому «запаздывает» относительно первого луча. Величина запаздывания зависит от толщины плёнки и направления, в котором свет её проходит (угла падения света на плёнку). Когда оба луча встречаются и накладываются друг на друга, происходит взаимодействие световых волн, зависящее от запаздывания второго луча (см. рисунок). На рисунке вверху (a) обе волны точно совпадают в фазах — гребень одной волны совпадает с гребнем другой и впадина с впадиА ной (А). В итоге получившаяся в результате интерференции суммарная волна (RES) усиливается, то есть её амплитуда (размах) будет больше, чем у исходных волн. При равенстве амплитуд исходных волн суммарная волна будет иметь удвоенную амплитуду. Усиление волн произойдёт в случае, когда одна волна опередит другую на целое число длин волн.

На рисунке внизу (b) одна волна опережает другую на половину длины волны, или нечётное число полуволн, при этом фазы противоположны: накладываются гребень одной волны и впадина другой (А). В результате происходит ослабление, гашение волн. При равенстве амплитуд исходных волн гашение будет полным. Понятно, что мы рассмотрели крайние случаи. Возможно и частичное ослабление или частичное усиление волн, когда их фазы не совпадают точно или не прямо противоположны.

Таким образом, тонкая плёнка как бы рассортировывает и выделяет цвета из белого дневного света, усиливая и ослабляя определённые длины волн. Получившийся суммарный цвет отражённого луча света (окраска плёнки) зависит от толщины плёнки и угла падения света на неё. Наиболее насыщенные интерференционные цвета тонких плёнок возникают лишь при толщине, сравнимой с длинами волн видимого света (0,38—0,78 мкм). В толстых плёнках (более нескольких микрометров) их цветная окраска слабая. Для сравнения: толщина волоса около 70—80 мкм, размеры бактерий 0,5—2 мкм, то есть толщина радужных плёнок сопоставима с размером бактерий. Наиболее тонкие плёнки толщиной в несколько нанометров, что сравнимо с размером вирусов, кажутся просто серыми или чёрными. Так выглядят стенки мыльного пузыря незадолго до его разрыва — мыльная плёнка кажется совершенно чёрной.

Казалось бы, в очень тонкой плёнке волны должны усиливаться, однако в действительности происходит гашение волн. Луч отражается от границы «воздух — плёнка» таким образом, что разность пути луча скачком изменяется на половину длины волны. В чрезвычайно тонких плёнках интерференция волн будет определяться только этой разницей, что приводит, как мы уже знаем, к гашению волн.

Рассмотрим несколько примеров интерференции в тонких плёнках и проиллюстрируем некоторые из них наглядными опытами. Примем во внимание, что лучшее освещение при проведении всех опытов — рассеянный дневной свет из окна, а цвета интерференции хорошо видны на тёмном фоне.

Интерферирующие плёнки дают многие оксиды металлов. Поразительное зрелище представляют собой причудливые радужные кристаллы висмута. Их часто используют как сувениры и украшения. А швейцарский фотограф Фабиан Офнер создал из расплавленного висмута серию абстрактных картин. Сначала он плавил металл, затем выливал его на плоскую поверхность и разравнивал с помощью шпателя. На одну картину уходило около килограмма висмута, а на весь проект было израсходовано 90 кг.

Распространённый пример интерференции оксидных плёнок — так называемые цвета побежалости стали. Достаточно довольно слабого нагрева чистой поверхности стали, и на ней возникает меняющаяся последовательность цветов.

Цвета побежалости на лезвии ножа

Проведём несложный опыт. Возьмём лезвие канцелярского ножа, протрём его поверхность салфеткой и, держа пинцетом или пассатижами, поместим ненадолго возле пламени газовой конфорки или спиртовки. В процессе нагрева мы увидим на лезвии меняющиеся цветные полосы, возникающие вследствие образования тончайшей невидимой плёнки оксида железа.

Цвета побежалости до распространения пирометров и других измерителей температуры широко использовали в качестве индикатора температуры нагрева железа и стали при термообработке. По ним также судили о температуре нагрева стальной стружки и, следовательно, резца при операциях точения, сверления, резания. Например, для углеродистой стали характерны следующие переходы цвета: соломенный (220°C), коричневый (240°C), пурпурный (260°C), синий (300°C), светло-серый (330—350°C). Для нержавеющих сталей: светло-соломенный (300°C), соломенный (400°C), красно-коричневый (500°C), фиолетово-синий (600°C), синий (700°C).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
Трагедия в Перми: 21 сентября объявлено днем траура Трагедия в Перми: 21 сентября объявлено днем траура

Кем, предположительно, оказался стрелок в Перми, и каким был его мотив?

Psychologies
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
«Остались одни. Единственный вид людей на земле» «Остались одни. Единственный вид людей на земле»

Как новые методы датирования перевернули наши представления об эволюции человека

N+1
Гёттинген на берегах Невы: Бесподобный учитель Пауль Эренфест Гёттинген на берегах Невы: Бесподобный учитель Пауль Эренфест

Кто такой Пауль Эренфест и что он сделал для физики?

Наука и жизнь
Экологичной моды не существует: до 8% всех выбросов парниковых газов производят fashion-бренды Экологичной моды не существует: до 8% всех выбросов парниковых газов производят fashion-бренды

Самые крупные бренды одежды не смогут сократить свои выбросы даже к 2030 году

Inc.
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

Биомиметика черпает у насекомых идеи: от разработки тканей до создания роботов

Наука и жизнь
Ешь, спи, касайся: 7 простых способов сделать брак идеальным Ешь, спи, касайся: 7 простых способов сделать брак идеальным

Что надо делать, чтобы сохранить брак на долгие годы

Cosmopolitan
Почему мы стесняемся себя в постели? Почему мы стесняемся себя в постели?

В сериале «Девочки» Лина Данэм показала, как реальные женщины занимаются сексом

Cosmopolitan
Диета по фазам менструального цикла: что и как есть с 1-го по 28-й дни Диета по фазам менструального цикла: что и как есть с 1-го по 28-й дни

Можно улучшить свое состояние в менструальные фазы, скорректировав питание

Cosmopolitan
Шлиссельбургская каторжная тюрьма Шлиссельбургская каторжная тюрьма

История Шлиссельбургской крепости — краткий конспект истории России

Дилетант
Британский авианосец Queen Elisabeth: королева глобальной политики Британский авианосец Queen Elisabeth: королева глобальной политики

Авианосец Queen Elisabeth — самый большой в британской истории боевой корабль

Популярная механика
50 — это новые 30? 50 — это новые 30?

Еще недавно в 50 мы готовились к пенсии, а сегодня — в ожидании новой жизни

Psychologies
«Неподражаемый песенный каталог»: как стриминг помог Universal Music Group вырасти в шесть раз за восемь лет «Неподражаемый песенный каталог»: как стриминг помог Universal Music Group вырасти в шесть раз за восемь лет

Как Universal Music Group удалось выйти на биржу

VC.RU
Что делать, если вашу внешность критикуют Что делать, если вашу внешность критикуют

Что отвечать тем, кто критикует вашу внешность?

Psychologies
Жутко красиво: какими были бьюти-инструменты в эпоху наших бабушек и прабабушек Жутко красиво: какими были бьюти-инструменты в эпоху наших бабушек и прабабушек

На что шли наши предшественницы ради красоты в совсем недавнем прошлом?

Cosmopolitan
Илон Маск дал один простой совет по управлению сотрудникам Tesla. Тем, кто ему не последует, грозит увольнение Илон Маск дал один простой совет по управлению сотрудникам Tesla. Тем, кто ему не последует, грозит увольнение

Коммуникация — это ключ к быстрому решению проблем в большой компании

Inc.
Николай Блохин: Николай Блохин:

Художник Николай Блохин — о творческом становлении, картинах и успехе

Караван историй
8 мифов о волосах, которые давно пора развенчать 8 мифов о волосах, которые давно пора развенчать

Горячая укладка - зло, волосы надо регулярно стричь - слышала? Всё это ерунда

Cosmopolitan
Чем важен Жан-Поль Бельмондо и как его фильмы показывали в СССР Чем важен Жан-Поль Бельмондо и как его фильмы показывали в СССР

Каким извилистым был путь Бельмондо к нашим глазам и сердцам

Maxim
Логос и пафос Логос и пафос

«Если на товар можно нанести буквы, то пусть это будет наш логотип»

Robb Report
Тихое место: зачем обществу зоны, свободные от технологий Тихое место: зачем обществу зоны, свободные от технологий

Почему пространства без телефонов становятся популярными

VC.RU
Как научить ребенка ценить вещи Как научить ребенка ценить вещи

Что делать, если твой ребенок не знает цену вещам

Maxim
Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны

Куда садились космические корабли времен СССР?

Популярная механика
Актриса Лиза Янковская — о фамилии, мультивселенной и съемках «Пропавшей» Актриса Лиза Янковская — о фамилии, мультивселенной и съемках «Пропавшей»

Лиза Янковская не любит зум и самопробы, но обожает возможность не спешить

РБК
Колибри испугались запаха муравьев Колибри испугались запаха муравьев

Ранее считалось, что колибри практически не полагаются на обоняние

N+1
5 психических расстройств, которые диагностируют реже, чем следовало бы 5 психических расстройств, которые диагностируют реже, чем следовало бы

Депрессия, биполярка, РПП: почему эти психические заболевания сложно выявить?

Psychologies
Елена Борщева. Авантюристка Елена Борщева. Авантюристка

Елена Борщева: дерево, дом, ребенок, у меня все зашибись!

Коллекция. Караван историй
6 токсичных фраз, которые можно услышать на работе 6 токсичных фраз, которые можно услышать на работе

Важно сразу распознавать токсичные фразы и учиться не относить их на свой счет

Psychologies
Дизель генератор Дизель генератор

Вин Дизель: Жизнь на высоких оборотах

Men’s Health
Открыть в приложении