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

Заповедные новости Заповедные новости

Численность сурков, открытие новой бабочки и другие новости заповедников

Наука и жизнь
Аксолотль: вечное детство Аксолотль: вечное детство

Аксолотль может размножаться, оставаясь ребенком

Вокруг света
Рефераты Рефераты

Управление молнией, транзистор на графене и получение сверхпроводников

Наука и жизнь
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
Сохранить и приумножить Сохранить и приумножить

Как музеи с гражданами спасали ее культурное наследие во время войны

Вокруг света
Превращаем учебу в хобби: советы, как учиться интересно Превращаем учебу в хобби: советы, как учиться интересно

Эффективные советы для интересного прохождения обучающих онлайн курсов

Популярная механика
Спасибо, папа Спасибо, папа

С папой в детстве я встречалась редко, хотя номинально он еще жил дома

Seasons of life
Жил в пузыре, умер от рака: трагическая история мальчика без иммунитета Жил в пузыре, умер от рака: трагическая история мальчика без иммунитета

Дэвид Веттер прожил всего 12 лет, но его судьба оказала влияние на медицину

Cosmopolitan
Привычка к лучшему Привычка к лучшему

Легендарный парижский гранд-отель, ставший героем фильма Вуди Аллена

GQ
Семейный кинобизнес в эпоху корпораций: история Брокколи, которые 60 лет контролируют «бондиану» Семейный кинобизнес в эпоху корпораций: история Брокколи, которые 60 лет контролируют «бондиану»

Какую роль играет семья Брокколи в судьбе «бондианы»

VC.RU
Томские археологи нашли редкую кость эпохи неолита с вырезанным лицом человека Томские археологи нашли редкую кость эпохи неолита с вырезанным лицом человека

Археологи обнаружили коллекцию артефактов эпохи неолита на острове Няша

N+1
В корне проблемы В корне проблемы

Самые актуальные вопросы о красоте волос

Лиза
Создал ледовый комбайн в 50, а вместе с ним и рынок таких машин, который сразу захватил — это изобретатель Фрэнк Замбони Создал ледовый комбайн в 50, а вместе с ним и рынок таких машин, который сразу захватил — это изобретатель Фрэнк Замбони

Почему ледозаливочные машины других производителей по ошибке называют «Замбони»

VC.RU
Как говорить с мастером, чтобы получить идеальную стрижку: советы экспертов Как говорить с мастером, чтобы получить идеальную стрижку: советы экспертов

Как вести себя в салоне, который ты посещаешь впервые?

Cosmopolitan
В бирманском янтаре обнаружили паучиху с яйцевым коконом и паучат В бирманском янтаре обнаружили паучиху с яйцевым коконом и паучат

Ученые обнаружили древнейшее свидетельство заботы пауков о потомстве

N+1
Разлив озер внутри кратеров на древнем Марсе вызывал огромные наводнения: новое исследование Разлив озер внутри кратеров на древнем Марсе вызывал огромные наводнения: новое исследование

Марс был настолько влажным, что его ландшафт изменялся от проточной воды

Популярная механика
8 лучших ролей Моники Белуччи 8 лучших ролей Моники Белуччи

Мы решили вспомнить лучшие роли Моники Белуччи

Maxim
«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
«Знай: я люблю тебя всегда»: последние слова жертв теракта 11 сентября 2001-го «Знай: я люблю тебя всегда»: последние слова жертв теракта 11 сентября 2001-го

Линия 11.09.2001: слова погибших, которые пытались попрощаться с близкими

Cosmopolitan
Учиться или играть? И то, и другое Учиться или играть? И то, и другое

«Учиться – скучно». Что может возразить школа на этот упрёк учеников?

Домашний Очаг
«Мои секреты счастливого брака: психологи такого не посоветуют» «Мои секреты счастливого брака: психологи такого не посоветуют»

Наша героиня рассказывает историю своего брака, психолог комментирует

Psychologies
Каких soft skills не хватает российским предпринимателям Каких soft skills не хватает российским предпринимателям

Какие софт скиллы особенно востребованы в бизнесе и почему

Inc.
Синдром чемодана без ручки: 4 дурацкие причины сохранять отношения Синдром чемодана без ручки: 4 дурацкие причины сохранять отношения

А тебе знакомы какие-то из этих оправданий для отношений?

Cosmopolitan
8 потрясающих приключений 8 потрясающих приключений

8 маршрутов, наполненных активными развлечениями и экстримом

Playboy
Дмитрий Крымов: «Своими словами». Режиссерские экземпляры 9 спектаклей, записанные до того, как они были поставлены Дмитрий Крымов: «Своими словами». Режиссерские экземпляры 9 спектаклей, записанные до того, как они были поставлены

С чего начинается спектакль? Рассказывает Дмитрий Крымов в своей книге

СНОБ
Авантюрный роман: Исключительные личности Авантюрный роман: Исключительные личности

Когда высший пост доставался неожиданным претендентам

Вокруг света
Активируемые воспалением стволовые клетки облегчили состояние мышей с ревматоидным артритом Активируемые воспалением стволовые клетки облегчили состояние мышей с ревматоидным артритом

Стволовые клетки оказались эффективнее стандартной терапии от артрита

N+1
«Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября «Как я спасся с 81 этажа Центра международной торговли». Прямая речь американца, выжившего в теракте 11 сентября

Утром 11 сентября Майкл был клиентщиком, через 2 часа его жизнь перевернулась

Esquire
Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре

Физики показали нелинейный отклик всего лишь от одного фотона

N+1
Девушка, подающая надежды Девушка, подающая надежды

Елизавета Янковская — о трех грядущих кинопремьерах

Vogue
Открыть в приложении