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

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 электронному голосованию пока рано верить Почему электронному голосованию пока рано верить

Технология электронного голосования ненадежна

Forbes
Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания

Электричество атмосферного пограничного слоя — давний предмет познания

Наука и жизнь
Пение и труд Пение и труд

Как дочка албанских эмигрантов всего этого добилась?

Glamour
Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Явление сверхпроводимости было открыто больше ста лет назад

Наука и жизнь
Жизнь в розовом цвете Жизнь в розовом цвете

Стиль французской классики на современный лад

SALON-Interior
Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
Елена Борщева. Авантюристка Елена Борщева. Авантюристка

Елена Борщева: дерево, дом, ребенок, у меня все зашибись!

Коллекция. Караван историй
Игра с понятиями Игра с понятиями

Включение Кавказа в состав Российской империи — завоевание или усмирение?

Дилетант
8 последних фотографий знаменитых людей 8 последних фотографий знаменитых людей

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

Maxim
Фонтан «Плюющиеся лидеры». Парк Презикхааф, Арнем, Нидерланды Фонтан «Плюющиеся лидеры». Парк Презикхааф, Арнем, Нидерланды

Испанец Фернандо Санчес Кастильо не смог установить этот фонтан у себя на родине

Дилетант
Носатый полоз Носатый полоз

Зачем змее такой нос?

Weekend
Генетики выяснили даты и пути заселения Полинезии Генетики выяснили даты и пути заселения Полинезии

Генетики изучили маршруты и хронологию расселения полинезийцев

N+1
Экзопланеты предложили искать в квантовом пределе Экзопланеты предложили искать в квантовом пределе

Физики применили квантовую теорию информации для наблюдения экзопланет

N+1
Хвост сэкономил динозавру энергию при ходьбе Хвост сэкономил динозавру энергию при ходьбе

Ученые выяснили, что хвост динозавра позволял экономить энергию

N+1
«Ребенок способный, но невнимательный»: как исправить ситуацию «Ребенок способный, но невнимательный»: как исправить ситуацию

В чем причины невнимательности ребенка и как ему помочь?

Psychologies
Откажите себе в удовольствие Откажите себе в удовольствие

Правила вежливого отказа

GQ
Криптоутки Криптоутки

Сегодня DApp-игры – один из самых быстрорастущих рынков

Популярная механика
Нам нужна школа, где нет места буллингу Нам нужна школа, где нет места буллингу

Травля – одна из самых серьезных проблем в школе

Домашний Очаг
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
Не сойти с рельсов Не сойти с рельсов

Обслуживание и ремонт межкомнатной сдвижной двери

Идеи Вашего Дома
Ерунда и токсичный коллектив: почему молодые стали чаще увольняться и как их удержать Ерунда и токсичный коллектив: почему молодые стали чаще увольняться и как их удержать

Почему сотрудники все чаще покидают компании в поисках более интересной работы

Forbes
Больше кислорода Больше кислорода

Правила выбора приточного клапана для квартиры

Идеи Вашего Дома
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
Сцены из супружеской жизни Сцены из супружеской жизни

Как быть, если ребенок присутствует при ссоре?

Лиза
Как работает эрекция: ответы на вопросы, которые давно тебя мучат Как работает эрекция: ответы на вопросы, которые давно тебя мучат

Разбираем, что стоит за эрекцией — столь важным для половой жизни процессом

Playboy
Боевой характер Боевой характер

Дмитрий Мазепин 25 лет воюет за влияние, активы и репутацию

Forbes
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
Мертвый и сексуальный: топ горячих киноактеров, которых уже нет с нами Мертвый и сексуальный: топ горячих киноактеров, которых уже нет с нами

Любуемся теми, кого давно уже нет в живых

Cosmopolitan
«Мужа прёт, когда я сплю с другими». Девушка рассказала, как стала сексвайф «Мужа прёт, когда я сплю с другими». Девушка рассказала, как стала сексвайф

Реганн Немецки о том, как она стала сексвайф

Cosmopolitan
Открыть в приложении