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

Чем кормить испанца Чем кормить испанца

Московский копирайтер приобрел фуд-трак и начал готовить для испанцев гамбургеры

Вокруг света
18 минут в день, чтобы стать успешным 18 минут в день, чтобы стать успешным

Всего 18 минут в день достаточно, чтобы в корне изменить течение жизни

Psychologies
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

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

Наука и жизнь
Совсем запутались Совсем запутались

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

Лиза
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Палочка-выручалочка калибра 88 мм. История самой грозной немецкой пушки Палочка-выручалочка калибра 88 мм. История самой грозной немецкой пушки

Эта пушка лопала танки как воздушные шарики

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

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
Квантовая суперпозиция помогла измерить тонкое расщепление в ионах Квантовая суперпозиция помогла измерить тонкое расщепление в ионах

Физики продемонстрировали применимость метода спектроскопии с преобразованием

N+1
Какая-то трава вместо чая Какая-то трава вместо чая

Каркаде и ройбуш — конкуренты традиционного чая

Наука и жизнь
Выкинуть кости: как устроена Lost in Random и почему в нее стоит играть Выкинуть кости: как устроена Lost in Random и почему в нее стоит играть

Одно из самых сильных геймерских впечатлений последних лет

Esquire
Откуда взошла Луна Откуда взошла Луна

Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны

Вокруг света
Предсказанный ранее короткоживущий комплекс обнаружили в ионизированной воде Предсказанный ранее короткоживущий комплекс обнаружили в ионизированной воде

Вода играет ключевую роль в жизни человека, поэтому ее изучают особенно активно

N+1
13 критериев для выбора партнера на всю жизнь 13 критериев для выбора партнера на всю жизнь

Критерии, на которые стоит опираться при выборе партнера

Psychologies
Сделайте, как было: почему звезды избавляются от грудных имплантов Сделайте, как было: почему звезды избавляются от грудных имплантов

Удаление грудных имплантов — тенденция, набирающая обороты последние пару лет

РБК
Ференц Лист. Непрощенный Ференц Лист. Непрощенный

История композитора Ференца Листа

Караван историй
Молекулы предложили переводить в хиральную суперпозицию Молекулы предложили переводить в хиральную суперпозицию

Физики описали молекулы в квантовой суперпозиции

N+1
Под копирку: дети звёзд, которые устали слышать, как похожи на родителей Под копирку: дети звёзд, которые устали слышать, как похожи на родителей

Наследницы звездных родителей, которым поднадоело слушать, как они похожи

Cosmopolitan
Главная пряность осени: что нужно знать о корице Главная пряность осени: что нужно знать о корице

Помимо приятного аромата, в корице много питательных элементов

РБК
Жуй на здоровье: как жевательная резинка может помочь всему организму Жуй на здоровье: как жевательная резинка может помочь всему организму

Как жевательная резинка помогает организму в самых разных ситуациях

Популярная механика
Современные змеи произошли от шести переживших динозавров групп Современные змеи произошли от шести переживших динозавров групп

После вымирания нептичьих динозавров змеи пережили резкий всплеск разнообразия

N+1
Секреты монтажного шва Секреты монтажного шва

На что обратить внимание при установке новых окон в квартире

Идеи Вашего Дома
В окаменелом хряще динозавра возрастом 125 миллионов лет обнаружили клеточное ядро с хроматином В окаменелом хряще динозавра возрастом 125 миллионов лет обнаружили клеточное ядро с хроматином

Вторая находка хроматина в ископаемых остатках позвоночных

N+1
И снова 3 сентября. Чем запомнился этот день в автоиндустрии И снова 3 сентября. Чем запомнился этот день в автоиндустрии

Важные события в истории автопрома и транспорта, которые произошли 3 сентября

РБК
В Марокко нашли древнейшее свидетельство изготовления одежды В Марокко нашли древнейшее свидетельство изготовления одежды

Археологи обнаружили костяные орудия для выделки шкур возрастом 90 тысяч лет

N+1
Котик или зая? Узнай значение своего прозвища и что оно говорит о вашей любви Котик или зая? Узнай значение своего прозвища и что оно говорит о вашей любви

Ласковые прозвища возникают не просто так

VOICE
Легка на подъем: 8 деталей картины «Прогулка» Марка Шагала Легка на подъем: 8 деталей картины «Прогулка» Марка Шагала

Картина «Прогулка» — о том, что теперь у него есть все для счастья

Вокруг света
Специальные возможности для особенных детей: как устроено инклюзивное образование в Великобритании Специальные возможности для особенных детей: как устроено инклюзивное образование в Великобритании

Великобритания — лидер в области обучения детей с особыми потребностями

СНОБ
Тест-драйв БАЗ-6402, тягача ЗРК С-400 «Триумф» Тест-драйв БАЗ-6402, тягача ЗРК С-400 «Триумф»

Как же ракеты попадают на боевую позицию где-нибудь в лесной глуши?

Популярная механика
Старые, но интересные: 6 онлайн-игр, которые потянут слабые ПК Старые, но интересные: 6 онлайн-игр, которые потянут слабые ПК

Онлайн-игры, не требующие сильного железа

CHIP
Мячи мечты Мячи мечты

Актрисе Валерии Шкирандо удалось улучшить эротическую съемку в мужском журнале!

Maxim
Открыть в приложении