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

Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
Генетики выявили три предковые группы современных японцев Генетики выявили три предковые группы современных японцев

Ученые секвенировали 12 древних геномов

N+1
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

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

Наука и жизнь
Секреты монтажного шва Секреты монтажного шва

На что обратить внимание при установке новых окон в квартире

Идеи Вашего Дома
Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизнь
Сигналы регулировщика: фото, значение и как разобраться Сигналы регулировщика: фото, значение и как разобраться

Указания регулировщика часто сбивают с толку даже опытных водителей

РБК
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Восемь поводов для сожалений после 35 лет Восемь поводов для сожалений после 35 лет

О чем вы часто жалеете?

Psychologies
15-летний капитал 15-летний капитал

Какие достижения недавнего прошлого мы возьмем с собой в будущее

РБК
Лишения с рождения: что запрещено есть королевским детям Лишения с рождения: что запрещено есть королевским детям

Что и как едят королевские дети?

Cosmopolitan
«Вступление Иоанна IV в Казань» «Вступление Иоанна IV в Казань»

Взятие Казани стало триумфом молодого Ивана Грозного

Дилетант
Факты и правда о фильмах «Брат» и «Брат-2» Факты и правда о фильмах «Брат» и «Брат-2»

Изнанка фильмов «Брат» и «Брат-2»

Maxim
«Маска» в Березниках, или Спектакль для самого искреннего зрителя «Маска» в Березниках, или Спектакль для самого искреннего зрителя

Новой точкой в географии фестиваля «Золотая Маска» стали Березники

СНОБ
Перуанская орхидея инков Перуанская орхидея инков

Перуанская орхидея инков, в сущности, никакая не «инков»

Weekend
Лицо с экрана. Антон Лапенко Лицо с экрана. Антон Лапенко

Комик Антон Лапенко превращается в полноценную кинозвезду

GQ
«Не беси меня!»: 5 шагов к мирному диалогу с ребенком «Не беси меня!»: 5 шагов к мирному диалогу с ребенком

Можно ли экологично общаться с детьми, когда мы очень сильно злимся на них?

Psychologies
Ваня Дмитриенко: «Я чувствую себя победителем» Ваня Дмитриенко: «Я чувствую себя победителем»

Как Ваня Дмитриенко стал открытием 2021-го года

Esquire
Природные ресурсы Природные ресурсы

Интерьер, в котором главная роль отведена природе и натуральным материалам

AD
10 вопросов-ловушек, которые девушки задают на первом свидании, и как на них отвечать 10 вопросов-ловушек, которые девушки задают на первом свидании, и как на них отвечать

О чем девушки спрашивают парней во время знакомства

Maxim
Эль Лисицкий. Опережая время Эль Лисицкий. Опережая время

Как знаменитый авангардист Эль Лисицкий сконструировал мир, в котором мы живем

Культура.РФ
Что делать, если муж тратит все деньги семьи Что делать, если муж тратит все деньги семьи

Как начать формирование совместного бюджета

СНОБ
Девушка довела парня до слез, организовав секс втроем … с его бывшей Девушка довела парня до слез, организовав секс втроем … с его бывшей

Девушка организовала секс втроем, пригласив бывшую девушку парня

Cosmopolitan
Как измерить и развить силу духа? Как измерить и развить силу духа?

Как принимать решения в критических ситуациях и выдерживать удары судьбы

Psychologies
8 ранних признаков рака яичников: от самых очевидных до почти незаметных 8 ранних признаков рака яичников: от самых очевидных до почти незаметных

Симптомы рака яичников, которые нельзя упускать

Cosmopolitan
Какой язык появился позже всех на Земле Какой язык появился позже всех на Земле

Какой язык можно считать самым современным?

Популярная механика
Почему мы не можем расслабиться даже на выходных Почему мы не можем расслабиться даже на выходных

Как научиться отдыхать?

Psychologies
Все против Моники Беллуччи! Почему кинодиве запрещено стареть Все против Моники Беллуччи! Почему кинодиве запрещено стареть

Поклонники с трудом переживают новые времена в жизни Моники Беллуччи

Cosmopolitan
Любовный треугольник: трагичная судьба двух жен генсека Андропова Любовный треугольник: трагичная судьба двух жен генсека Андропова

История двух жен Юрия Андропова

Cosmopolitan
В поисках магии. Отрывок из книжного сериала «Охотники за книгами» В поисках магии. Отрывок из книжного сериала «Охотники за книгами»

Отрывок из «Охотники за книгами» — в мире, полном опасностей, смотрите в оба

СНОБ
Существует ли допинг для мозга? Существует ли допинг для мозга?

Есть ли смысл в «умных таблетках» и «когнитивных усилителях»? Рассказываем

Здоровье
Открыть в приложении