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
8 последних фотографий знаменитых людей 8 последних фотографий знаменитых людей

Вот восемь случаев, когда человек с фотоаппаратом оставил след в истории

Maxim
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

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

Наука и жизнь
Дислексия: как распознать проблему и помочь ребенку Дислексия: как распознать проблему и помочь ребенку

Что такое дислексия и как помочь ребенку с ней справиться

Psychologies
Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
Сара Коннор, Круэлла, Чудо-женщина: эволюция 10 любимых женских образов в кино Сара Коннор, Круэлла, Чудо-женщина: эволюция 10 любимых женских образов в кино

10 культовых женских образов из фильмов, которые менялись со временем

Cosmopolitan
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
От «Дюны» до «Вечных»: 13 самых ожидаемых кинопремьер осени 2021 года От «Дюны» до «Вечных»: 13 самых ожидаемых кинопремьер осени 2021 года

Доставай календарь, чтобы планировать поход в кино!

Playboy
Дядька императора Дядька императора

В Российской империи воспитание царских отпрысков было делом политическим

Дилетант
Накануне финала Накануне финала

Почему сомелье может стать исчезающей профессией

Forbes
Невидимый остров Невидимый остров

Куда только не занесет нас, друзья мои, Муза Дальних Странствий

Вокруг света
От «вековухи» до «большухи»: как жили старые девы на Руси От «вековухи» до «большухи»: как жили старые девы на Руси

Седая макушка, девуниха, домовуха — как только не называли старых дев на Руси!

Cosmopolitan
Мыться или нет? Почему Джейк Джилленхол и Эштон Кутчер против душа Мыться или нет? Почему Джейк Джилленхол и Эштон Кутчер против душа

Правда ли, что ежедневные водные процедуры могут навредить здоровью

РБК
Вопрос, который надо задавать каждый день, и еще 4 способа сохранить отношения Вопрос, который надо задавать каждый день, и еще 4 способа сохранить отношения

Простые правила, которые позволят вам сохранить союз на долгие годы

Cosmopolitan
Начнем с конца Начнем с конца

Как сохранить отношения после измены?

Psychologies
Карта акне: что расположение прыщей на лице говорит о твоем здоровье Карта акне: что расположение прыщей на лице говорит о твоем здоровье

Расположение прыщей на лице может многое сказать о причинах их появления

Cosmopolitan
Отстань! Не мешай! Отвали, дед! Отстань! Не мешай! Отвали, дед!

Сегодня я задал себе вопрос: «Кто такой взрослый человек?»

ПУСК
Над устрицами тоже плачут. Отрывок из книги Алексея Тарханова «До востребования, Париж» Над устрицами тоже плачут. Отрывок из книги Алексея Тарханова «До востребования, Париж»

Отрывок из книги Алексея Тарханова о Париже

СНОБ
Продукты против старения Продукты против старения

Как с помощью рациона замедлить естественные возрастные изменения?

Лиза
7 убеждений, которые должен пересмотреть каждый предприниматель 7 убеждений, которые должен пересмотреть каждый предприниматель

7 неочевидных опасностей, которые грозят предпринимателям

Inc.
Горячая подборка фотографий Брижит Бардо — в честь дня ее рождения Горячая подборка фотографий Брижит Бардо — в честь дня ее рождения

Смотрим лучшие архивные фотографии великой французской актрисы Брижит Бардо

Maxim
5 стадий разрыва отношений 5 стадий разрыва отношений

Расставание с партнером — это всегда непросто

Psychologies
Почему работать на одном месте больше трёх лет нормально Почему работать на одном месте больше трёх лет нормально

Причины, по которым абсолютно нормально работать много лет на одном месте

Популярная механика
Знаки зодиака, которым тяжелее всего построить отношения, - кто они? Знаки зодиака, которым тяжелее всего построить отношения, - кто они?

Какие знаки зодиака испытывают в сфере отношений серьезные затруднения

Cosmopolitan
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
Падение астероида назвали причиной разрушения города в долине Иордана 3600 лет назад Падение астероида назвали причиной разрушения города в долине Иордана 3600 лет назад

Археологи обнаружили свидетельства катастрофы на памятнике Телль-эль-Хаммам

N+1
«Мне было 4». Женщина рассказала, что ее насиловали в детстве, спустя 25 лет «Мне было 4». Женщина рассказала, что ее насиловали в детстве, спустя 25 лет

Келли Фелстед рассказала, что подвергалась насилию со стороны друга семьи

Cosmopolitan
Я слышу голоса: общительный массив для дружелюбного робота Я слышу голоса: общительный массив для дружелюбного робота

Что кроется за понятием общения для робота, рассказали инженеры

Популярная механика
Подтяжка манекенщицы: новый и простой тренд в пластике, который делает моложе Подтяжка манекенщицы: новый и простой тренд в пластике, который делает моложе

Высокие скулы и объемные губы Анджелины Джоли давно неактуальны!

Cosmopolitan
Что такое броулифт: пугающая техника, которой исправляют татуаж Что такое броулифт: пугающая техника, которой исправляют татуаж

Неудачный перманентный макияж бровей не такая уж редкая история

Cosmopolitan
Открыть в приложении