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

Случайная остановка Случайная остановка

Сколько удивительных существ удаётся встретить в самом обычном месте!

Наука и жизнь
Худеем по аюрведе Худеем по аюрведе

Уникальная система питания из Древней Индии

Лиза
Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания

Электричество атмосферного пограничного слоя — давний предмет познания

Наука и жизнь
«Социальный лифт — не волшебство, а возможность». Интервью с Лидией Михеевой, секретарем Общественной палаты России «Социальный лифт — не волшебство, а возможность». Интервью с Лидией Михеевой, секретарем Общественной палаты России

Секретарь Общественной палаты РФ Лидия Михеева о социальных лифтах

СНОБ
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Своя история Своя история

Респектабельный интерьер в эклектичном стиле

SALON-Interior
Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
Лучшее — детям Лучшее — детям

Кирилл Истомин оформил квартиру для своих друзей и их троих сыновей

AD
Клин с клином Клин с клином

Клинопись – древнейшая известная человечеству система письма

Вокруг света
Прошла и говорю Прошла и говорю

Актриса Екатерина Варнава — о своих внутренних и внешних переменах

Tatler
Миролюбивая сила Миролюбивая сила

Именно Москва начала давить на Каир, принуждая его перейти к переговорам

Дилетант
Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре

Физики показали нелинейный отклик всего лишь от одного фотона

N+1
Комбинирование частот сделало тулиевые атомные часы точнее Комбинирование частот сделало тулиевые атомные часы точнее

Комбинирование снизило чувствительность к электрическим и магнитным полям

N+1
Блогерка публикует честные фото материнства, чтобы поддержать других женщин Блогерка публикует честные фото материнства, чтобы поддержать других женщин

Бриан Картер решила выложить снимки, чтобы выступить против фотошопа

Cosmopolitan
Как в 50 лет выглядеть на 30: секреты Леры Кудрявцевой и других звездных бабушек Как в 50 лет выглядеть на 30: секреты Леры Кудрявцевой и других звездных бабушек

Глядя на фигуры звезд, сложно поверить, что они являются бабушками

VOICE
7 мифов о том, когда рожать первого ребенка 7 мифов о том, когда рожать первого ребенка

Когда нужно рожать ребенка? Сколько для этого нужно зарабатывать?

9 месяцев
Если вы так делаете, то машину точно эвакуируют. Примеры Если вы так делаете, то машину точно эвакуируют. Примеры

К каким манипуляциям прибегают водители, чтобы эвакуатор не смог забрать машину

РБК
Судьба барабанщика Судьба барабанщика

24 августа 2021 года смолкла барабанная дробь Чарльза Роберта (Чарли) Уоттса

Playboy
Неэффективность противомалярийной вакцины у детей связали с незрелостью T-лимфоцитов Неэффективность противомалярийной вакцины у детей связали с незрелостью T-лимфоцитов

У детей в недостаточном количестве вырабатываются T-лимфоциты типа Vδ2

N+1
15 грубых ошибок, которые ты постоянно делаешь, во время ухода за собой 15 грубых ошибок, которые ты постоянно делаешь, во время ухода за собой

Зачастую старания оказываются напрасны из-за распространенных ошибок ухода

VOICE
Ток-шоу Ток-шоу

Для чего нужна микротоковая терапия, какие проблемы она решает?

Grazia
Воздушный шар на ниточке и краб-йети: посмотрите на самых пугающих существ, живущих на дне океана Воздушный шар на ниточке и краб-йети: посмотрите на самых пугающих существ, живущих на дне океана

Новые виды животных, поражающие воображение

ТехИнсайдер
История, построенная на зыбучем песке История, построенная на зыбучем песке

Долгий путь романа «Дюна» к книге и экрану

Weekend
10 неочевидных фильмов про настоящих отморозков 10 неочевидных фильмов про настоящих отморозков

Большинство из этих фильмов вы наверняка не смотрели, но мы горячо рекомендуем

GQ
Бьюти-эволюция Дарьи Мороз: белокурый ангел против «содержанки» Бьюти-эволюция Дарьи Мороз: белокурый ангел против «содержанки»

Как менялись образы Дарьи Мороз в жизни и на экране

Cosmopolitan
Сушка: как сделать тело рельефным без вреда для здоровья Сушка: как сделать тело рельефным без вреда для здоровья

Как проходит процесс сушки тела

РБК
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
Новый теропод из Узбекистана оказался верховным хищником своей экосистемы Новый теропод из Узбекистана оказался верховным хищником своей экосистемы

Теропод из Узбекистана мог достигать восьми метров в длину

N+1
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
Актеры, которые так сыграли роль, что никто другой не справился бы! Актеры, которые так сыграли роль, что никто другой не справился бы!

Представить другого актера в этих образах совершенно невозможно

Cosmopolitan
Открыть в приложении