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
Микросферы с пероксидом водорода и каталазой полечили раны мышей с диабетом Микросферы с пероксидом водорода и каталазой полечили раны мышей с диабетом

Ученые создали гидрогель, способствующий заживлению ран у больных диабетом

N+1
Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизнь
Неслабый пол: как гендерные стереотипы закаляют женщин в бизнесе Неслабый пол: как гендерные стереотипы закаляют женщин в бизнесе

Предпринимательницы: как преодолеть предубеждения и построить свой бизнес

Cosmopolitan
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

Какая сила требовалась для того, чтобы создать огромные природные террасы?

Наука и жизнь
«Дочь должна замаскировать татуировку или съехать из моего дома» «Дочь должна замаскировать татуировку или съехать из моего дома»

Родители не могут смириться с тем, что их дети принимают собственные решения

Psychologies
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Как одеваются британские модницы: лучшие образы гостей Недели моды в Лондоне Как одеваются британские модницы: лучшие образы гостей Недели моды в Лондоне

Как одеваются самые модные девушки Великобритании?

Cosmopolitan
Медленно, но верно Медленно, но верно

Найти свой рабочий ритм, следовать ему и при этом все успевать

Psychologies
Полярные ворота Полярные ворота

Как остановить отъезд людей из богатой Мурманской области

Forbes
Казацкая люлька Тараса Бульбы Казацкая люлька Тараса Бульбы

Какие у казаков бывали курительные трубки и из чего делались

Дилетант
Физик нашел новые магические числа для зарядов на сфере Физик нашел новые магические числа для зарядов на сфере

Физик рассмотрел задачу о расположении точечных зарядов на поверхности сферы

N+1
Дом, в котором... Дом, в котором...

«Белая школа» — выставка Кати Рожковой на Полотняном заводе в усадьбе Щепочкина

Seasons of life
Дэниел Крейг: «У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает» Дэниел Крейг: «У кого-то другого трава всегда зеленее. Это разрушает»

За 15 лет Дэниел Крейг стал символом современной мужественности

Psychologies
«Страх, что это конец жизни»: я 15 лет жила с паническими атаками и победила их «Страх, что это конец жизни»: я 15 лет жила с паническими атаками и победила их

Приступ паники может случиться у любого на фоне длительного стресса

Cosmopolitan
Детка, ты не космос! Почему богатейший гений мира Илон Маск несчастлив в любви Детка, ты не космос! Почему богатейший гений мира Илон Маск несчастлив в любви

Почему космический гений так и не может найти свою постоянную «орбиту»

Cosmopolitan
Фаворитка Берии  Зоя Федорова: обвинение в шпионаже и загадочное убийство Фаворитка Берии  Зоя Федорова: обвинение в шпионаже и загадочное убийство

Жизнь актрисы Зои Федоровой похожа на кино

Cosmopolitan
Ультраструктурный анализ указал на высокое качество льняной пряжи в Древнем Египте Ультраструктурный анализ указал на высокое качество льняной пряжи в Древнем Египте

Ученые сравнили характеристики древнеегипетского и современного льняного волокна

N+1
Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны

Куда садились космические корабли времен СССР?

Популярная механика
Дом искусства Дом искусства

Исторический палаццо во Флоренции, наполненный предметами искусства

SALON-Interior
Больше света: 16 необычных храмов Больше света: 16 необычных храмов

Как католики стремятся идти в ногу со временем

Вокруг света
Поверила в любовь: трагичная история брака «женщины-гориллы» Юлии Пастрана Поверила в любовь: трагичная история брака «женщины-гориллы» Юлии Пастрана

Девушка даже представить себе не могла, что ждет ее в браке с этим человеком

Cosmopolitan
Хвост сэкономил динозавру энергию при ходьбе Хвост сэкономил динозавру энергию при ходьбе

Ученые выяснили, что хвост динозавра позволял экономить энергию

N+1
Раскопки подтвердили существование прибрежной колонии у индейцев Уари Раскопки подтвердили существование прибрежной колонии у индейцев Уари

Археологи обследовали памятник Уака-дель-Лоро в Перу

N+1
Все побежали, и я побежал: почему бег стал так популярен? Все побежали, и я побежал: почему бег стал так популярен?

Почему число бегунов стремительно растет?

Psychologies
Урал Хазиев. Все это рок-н-ролл Урал Хазиев. Все это рок-н-ролл

Урал Хазиев — первый продюссер «ДДТ», хиппи из Уфы и дизайнер одежды

Коллекция. Караван историй
Люди реже женятся, позже заводят детей и дольше живут: как на этом заработать Люди реже женятся, позже заводят детей и дольше живут: как на этом заработать

Как компании помогают решать проблемы старения населения нехватки рабочей силы?

Forbes
Запах насилия и полеты носорогов Запах насилия и полеты носорогов

Рассказываем о лауреатах Шнобелевской премии-2021

N+1
Полжизни в одной компании. История Саши Шкурко — главы отдела технологий продуктовых систем «Тинькофф» Полжизни в одной компании. История Саши Шкурко — главы отдела технологий продуктовых систем «Тинькофф»

Саша Шкурко проработала в одной компании 19 лет и построила карьеру мечты

СНОБ
Почему у человека нет хвоста? Ответ генетиков Почему у человека нет хвоста? Ответ генетиков

У человека и человекообразных обезьян нет хвоста. Почему?

Популярная механика
Открыть в приложении