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

Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Личный опыт: как выстроить культуру в компании и избежать текучки Личный опыт: как выстроить культуру в компании и избежать текучки

Как корпоративная культура помогает нам развивать продукт небольшой командой

Inc.
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
Усмирить душевную бурю Усмирить душевную бурю

Что делать с мыслями и переживаниями об измене партнера?

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
Почему спасать родителей от переживаний — не ваша задача Почему спасать родителей от переживаний — не ваша задача

Как вернуть себе эмоциональные границы в общении с родителями?

Psychologies
Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
6 неожиданных фактов о Volvo S60 6 неожиданных фактов о Volvo S60

Volvo S60: революционер, рекордсмен, путешественник

Maxim
Символ на перекрестке современных философий Символ на перекрестке современных философий

Знак — это условность, которая превращает отдельные вещи в их меру

Знание – сила
В яблочко В яблочко

В окрестностях Торжка пастилу варили издавна

Seasons of life
Автопортреты без автора Автопортреты без автора

За долгие годы портреты обрастают легендами, расставаться с которыми необходимо

Дилетант
Охотники-рыболовы на северо-востоке Швеции научились плавить железо около 2200 лет назад Охотники-рыболовы на северо-востоке Швеции научились плавить железо около 2200 лет назад

Археологи обнаружили на двух стоянках свидетельства развитой металлургии

N+1
Онкология и отношения в паре: как сохранить любовь, близость и секс Онкология и отношения в паре: как сохранить любовь, близость и секс

Онкологическое заболевание члена семьи всерьез меняет жизнь всех остальных

Psychologies
Тикток-поп: жанр, полностью меняющий русскую поп-музыку прямо сейчас Тикток-поп: жанр, полностью меняющий русскую поп-музыку прямо сейчас

Как и во что эволюционирует отечественная поп-сцена на наших глазах

Esquire
Свой на чужом рынке Свой на чужом рынке

Как подойти к запуску продукта на экспорт

Агроинвестор
Женщина чуть не сгорела заживо, спасая своих детей из огня Женщина чуть не сгорела заживо, спасая своих детей из огня

Женщина мужественно вошла в огонь, спасая своих детей

Cosmopolitan
Конец фильма: Боузмен, Хьюстон, Ли и другие актеры, не дожившие до премьеры Конец фильма: Боузмен, Хьюстон, Ли и другие актеры, не дожившие до премьеры

Несколько актеров, которые не смогли увидеть результат своих трудов

Cosmopolitan
Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений

Если вы знаете, чего ждать после медового месяца, то это поможет сохранять союз

Cosmopolitan
Два эффективных упражнения для формирования овала лица Два эффективных упражнения для формирования овала лица

Подтянутый овал лица делает нас визуально моложе

Psychologies
Бывший университетский журнал обошёл Forbes по выручке: как Harvard Business Review стал большим медиа Бывший университетский журнал обошёл Forbes по выручке: как Harvard Business Review стал большим медиа

Harvard Business Review: разбираем бизнес с «вечными темами»

VC.RU
Космос для людей: зачем миллиардер Джаред Айзекман оплатил полет туристов SpaceX Космос для людей: зачем миллиардер Джаред Айзекман оплатил полет туристов SpaceX

Кто такой Айзекман, как он пережил выгорание и отправился искать себя в космос

Forbes
Без единого изъяна Без единого изъяна

Установка натяжного потолка

Идеи Вашего Дома
Свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов Свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов

Ученые научились создавать и манипулировать ультрахолодными молекулами

N+1
Лайхаки для занятий бегом от Риз Уизерспун и Гордона Рамзи Лайхаки для занятий бегом от Риз Уизерспун и Гордона Рамзи

Советы известных людей о том, как они начали бегать и почему не бросили

РБК
Спортсмены. Наши чемпионы Спортсмены. Наши чемпионы

Они привезли олимпийское золото несмотря на то, что выступали без флага

GQ
10 всеми любимых советских мультфильмов про школу 10 всеми любимых советских мультфильмов про школу

Вспомни смешные и добрые мультфильмы советского детства!

Maxim
Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция Как пользоваться хайлайтером для лица: пошаговая инструкция

Как правильно наносить хайлайтер на лицо?

VOICE
Фонд физтехов: как Петр Лукьянов управляет деньгами бизнесменов — выпускников МФТИ Фонд физтехов: как Петр Лукьянов управляет деньгами бизнесменов — выпускников МФТИ

Как Петр Лукьянов вкладывается в стартапы до того, как они становятся модными

Forbes
Идея! Идея!

Гнать самогон, понять кулинарные загадки и развести сад камней

Maxim
«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
Открыть в приложении