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

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
Основатель Legionfarm Алексей Белянкин о Кремниевой долине и звездных инвесторах Основатель Legionfarm Алексей Белянкин о Кремниевой долине и звездных инвесторах

Основатель Legionfarm — о том, как Y Combinator помог компании

Forbes
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
8 лучших ролей Моники Белуччи 8 лучших ролей Моники Белуччи

Мы решили вспомнить лучшие роли Моники Белуччи

Maxim
Бутан от заката до рассвета Бутан от заката до рассвета

Другой Бутан, доступ в который открыт немногим

Вокруг света
15 вещей, которые девушки не делают принципиально 15 вещей, которые девушки не делают принципиально

Негласный кодекс поведения с мужчинами, которого придерживаются девушки

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

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
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
По следам первопроходцев По следам первопроходцев

Следы эпохи Великих географических открытий – во всей нашей жизни

Вокруг света
10 признаков несчастливых отношений 10 признаков несчастливых отношений

Как понять, что в отношениях нужно что-то менять?

Psychologies
Милютины Милютины

В отличие от большей части тогдашней элиты, Милютины поднялись из низов

Дилетант
Разница во времени Разница во времени

Если один из партнеров заметно старше, жди скандала

Cosmopolitan
Авантюрный роман: Исключительные личности Авантюрный роман: Исключительные личности

Когда высший пост доставался неожиданным претендентам

Вокруг света
Любовь мертва, да здравствует Tinder: как дейтинг портит нам жизнь Любовь мертва, да здравствует Tinder: как дейтинг портит нам жизнь

Вместо того чтобы помочь, приложения для знакомств убивают отношения

Cosmopolitan
Алкогений: Стивен Кинг Алкогений: Стивен Кинг

Стивен Кинг провел пятнадцать лет своей жизни в режиме чудовища

Maxim
Секреты монтажного шва Секреты монтажного шва

На что обратить внимание при установке новых окон в квартире

Идеи Вашего Дома
«Ашрам Шамбалы». Часть 1: Как случайно создать самую известную в стране секту «Ашрам Шамбалы». Часть 1: Как случайно создать самую известную в стране секту

Как маленький кружок йоги превратился в религиозное движение

СНОБ
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
Кикшеринги в России занялись переработкой непригодных самокатов и рассказали, когда и как это делается Кикшеринги в России занялись переработкой непригодных самокатов и рассказали, когда и как это делается

Российский кикшеринг задумался, что делать с отработавшими самокатами

VC.RU
Паркет повсюду Паркет повсюду

Особенности деревянных полов для влажных помещений

Идеи Вашего Дома
OMAD-диета: что надо знать об экстремальном варианте интервального голодания OMAD-диета: что надо знать об экстремальном варианте интервального голодания

Что такое OMAD-диета, на которой нужно есть всего один раз в день

Cosmopolitan
«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
«Денег — залейся, а людей нет»: Алексей Герман-младший о будущем кино и цензуре «Денег — залейся, а людей нет»: Алексей Герман-младший о будущем кино и цензуре

Алексей Герман-младший — где искать деньги на независимое кино

Forbes
Их эксплуатируют компании, грабят воры и не защищает правительство: как живут 65 тысяч доставщиков еды в Нью-Йорке Их эксплуатируют компании, грабят воры и не защищает правительство: как живут 65 тысяч доставщиков еды в Нью-Йорке

Как доставщики справляются с грабителями и несправедливостью

VC.RU
Близкий человек обманул. Что делать? Близкий человек обманул. Что делать?

Что делать, если близкий человек сказал нам неправду?

Psychologies
Путь семьи Тоёда Путь семьи Тоёда

Как Toyota дошла до вершины мирового автомобилестроения

Forbes
Почему у птиц нет зубов Почему у птиц нет зубов

Как птицы потеряли зубы

Популярная механика
Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
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
Как помочь родителям, потерявшим ребенка во время беременности Как помочь родителям, потерявшим ребенка во время беременности

Как помочь пережить горе тем, кто столкнулся с перинатальной потерей

Psychologies
Открыть в приложении