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

Рефераты Рефераты

Барий на сетке и графен для конденсаторов: рефераты

Наука и жизнь
Природные ресурсы Природные ресурсы

Интерьер, в котором главная роль отведена природе и натуральным материалам

AD
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Одной из тем обсуждения в научной фантастике ХХ века была космическая экспансия

Наука и жизнь
10 дутых фактов о жевательной резинке 10 дутых фактов о жевательной резинке

Самые интересные факты о жвачке

Maxim
Конкурсы интересные Конкурсы интересные

Как развлекали себя и окружающих на банкете или празднестве в прошлом?

Вокруг света
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
Отношения в семье по дате рождения: можно ли «починить» брак Отношения в семье по дате рождения: можно ли «починить» брак

Как дата рождения влияет на семейные отношения?

Cosmopolitan
Паркет повсюду Паркет повсюду

Особенности деревянных полов для влажных помещений

Идеи Вашего Дома
Вкусные «антидепрессанты»: 10 продуктов, которые содержат триптофан Вкусные «антидепрессанты»: 10 продуктов, которые содержат триптофан

Возможно, в вашем рационе не хватает одной аминокислоты – триптофана

Psychologies
Как стать привлекательным работодателем для поколения Z Как стать привлекательным работодателем для поколения Z

Что привлекает молодых специалистов в работодателе?

Inc.
Cексуальные особенности разных стран мира Cексуальные особенности разных стран мира

Наконец-то ты можешь выбрать страну для путешествия по самому главному принципу

Maxim
Бизнес скульптора (почти) с нуля: как в него прийти, сколько денег приносит, откуда клиенты и куда расти Бизнес скульптора (почти) с нуля: как в него прийти, сколько денег приносит, откуда клиенты и куда расти

Пётр Зайцев в 40 лет решил сменить профессию и стать скульптором

VC.RU
Как получить то, чего хочешь от жизни: 15 важных советов Как получить то, чего хочешь от жизни: 15 важных советов

Универсального рецепта счастья, конечно, не существует

Cosmopolitan
«Я зря передала свою вагину!» Женщина рассказала о личном опыте лабиопластики «Я зря передала свою вагину!» Женщина рассказала о личном опыте лабиопластики

Девушка сделала лабиопластику, но сразу пожалела об этом и даже написала книгу

Cosmopolitan
Совсем запутались Совсем запутались

Праймеры, пасты, кремы, пудра – и все это для волос!

Лиза
Упражнения для боков и живота: моделируем силуэт Упражнения для боков и живота: моделируем силуэт

Несколько эффективных упражнений для похудения боков и живота

VOICE
Как сделать из города машину счастья Как сделать из города машину счастья

Проект «Оправдание утопии»: Томмазо Кампанелла и его La Citta del Sole

Weekend
День в Торжке День в Торжке

Гуляем по Торжку вместе с филологом и экскурсоводом

Seasons of life
«Средство от всех несчастий»: кому и зачем нужна медитация Випассана «Средство от всех несчастий»: кому и зачем нужна медитация Випассана

Как освоить технику медитации Випассана и как заниматься в домашних условиях

РБК
Медитация для начинающих: как избавиться от головной боли и снизить стресс Медитация для начинающих: как избавиться от головной боли и снизить стресс

Как избавиться от головной боли с помощью медитации

Cosmopolitan
Сиа, Бен Аффлек, Майли Сайрус: кто признал алкоголизм и смог завязать Сиа, Бен Аффлек, Майли Сайрус: кто признал алкоголизм и смог завязать

Кто из знаменитостей отказался от разрушительной привычки

РБК
Съёмки в рекламе, вложения в недвижимость, одежда и косметика: на чём Мадонна заработала $1,2 млрд, кроме музыки Съёмки в рекламе, вложения в недвижимость, одежда и косметика: на чём Мадонна заработала $1,2 млрд, кроме музыки

Мадонна пробует себя в бизнесе и коллекционирует автомобили

VC.RU
Чем занимались музыканты АВВА после распада квартета и до сего дня Чем занимались музыканты АВВА после распада квартета и до сего дня

Почти 40 лет музыканты ABBA пребывали в параллельной вселенной

Maxim
Как связаны лишний вес и коррупция: 10 лауреатов Шнобелевской премии-2021 Как связаны лишний вес и коррупция: 10 лауреатов Шнобелевской премии-2021

Спасет ли вас борода в пьяной драке? Можно ли лечить оргазмом насморк?

РБК
Избавилась от прыщей, молочницы и 7 кг: я месяц сидела на диете для микрофлоры Избавилась от прыщей, молочницы и 7 кг: я месяц сидела на диете для микрофлоры

Микроорганизмы управляют нами сильнее, чем мы думаем

Cosmopolitan
Перевал: научный взгляд на загадку гибели группы Дятлова Перевал: научный взгляд на загадку гибели группы Дятлова

С момента гибели туристов из группы Игоря Дятлова прошло больше полувека

Популярная механика
Питьевая диета: почему это не стоит пробовать Питьевая диета: почему это не стоит пробовать

К каким последствиям может привести отказ от твердой пищи

РБК
Семейный бюджет: раздельный или общий? Семейный бюджет: раздельный или общий?

Чем отличаются виды бюджета и как могут повлиять на ваши отношения в паре

Psychologies
Могут ли существовать первичные черные дыры размером с атом Могут ли существовать первичные черные дыры размером с атом

Может ли темная материя являться скоплением первичных черных дыр

Популярная механика
Давай сделаем это тихо! Климова и другие звезды, которые долго скрывали развод Давай сделаем это тихо! Климова и другие звезды, которые долго скрывали развод

Звезды, которые не сразу решились рассказать о смене своего семейного статуса.

VOICE
Открыть в приложении