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

Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Маленькое розовое платье: каким получился хоррор «Прошлой ночью в Сохо» Маленькое розовое платье: каким получился хоррор «Прошлой ночью в Сохо»

«Прошлой ночью в Сохо» — хоррор о моде, 1960-х и путешествиях во времени

РБК
Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания Атмосферное электричество — часть среды нашего обитания

Электричество атмосферного пограничного слоя — давний предмет познания

Наука и жизнь
«Разведенка и истеричка»: почему женщинам дают обидные прозвища? «Разведенка и истеричка»: почему женщинам дают обидные прозвища?

Почему обзывательства и ярлыки преследуют женщин на протяжении всей жизни?

Psychologies
Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
Соленый чай и Розовое озеро: зачем ехать в Калмыкию в любое время года Соленый чай и Розовое озеро: зачем ехать в Калмыкию в любое время года

Калмыкия — это бескрайние равнины и буддийское спокойствие

РБК
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
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
Нюрнбергские расовые законы Нюрнбергские расовые законы

Антисемитизм лежал в основе нацистской идеологии

Дилетант
15 психологических трюков, которые упрощают жизнь 15 психологических трюков, которые упрощают жизнь

Эти нехитрые приемы помогут легче взаимодействовать с другими людьми

Psychologies
Сюжет для небольшого романа Сюжет для небольшого романа

Судебную власть гений русской литературы Лев Толстой жаловал не очень

Дилетант
Машины из новой части о Джеймсе Бонде: Aston Martin, Land Rover и другие Машины из новой части о Джеймсе Бонде: Aston Martin, Land Rover и другие

Автомобили из фильма «Не время умирать» о Джеймсе Бонде

РБК
А вдруг уволят?.. А вдруг уволят?..

Страх потерять работу может быть cтимулом или помехой в карьере

Лиза
Инфоцыгане или спасители жизней? Кто они – Елена Блиновская и другие инстафеи Инфоцыгане или спасители жизней? Кто они – Елена Блиновская и другие инстафеи

Кто такие инстафеи?

Cosmopolitan
В мире детства В мире детства

Делимся с нашими читателями беспроигрышными способами развлечь ребенка

Лиза
«Разгадка кода майя: как ученые расшифровали письменность древней цивилизации» «Разгадка кода майя: как ученые расшифровали письменность древней цивилизации»

История дешифровки письменности майя

N+1
Мячи мечты Мячи мечты

Актрисе Валерии Шкирандо удалось улучшить эротическую съемку в мужском журнале!

Maxim
Враги душевного равновесия: 4 типа продуктов, способных вызвать тревогу Враги душевного равновесия: 4 типа продуктов, способных вызвать тревогу

Скажи им «спасибо» за чувство беспокойства

Playboy
Холодные молекулы в трехмерном газе защитили с помощью электрического поля Холодные молекулы в трехмерном газе защитили с помощью электрического поля

Изучение квантовых газов открывает дорогу к наблюдению необычных эффектов

N+1
«Обрусевшие» роллы. Как россияне полюбили японскую кухню «Обрусевшие» роллы. Как россияне полюбили японскую кухню

Какие трансформации пережила японская кухня в России?

СНОБ
Трагичная судьба дочери Куприна, бросившей родителей: от славы к одиночеству Трагичная судьба дочери Куприна, бросившей родителей: от славы к одиночеству

Киса Куприна — как она смогла затмить известность её отца-писателя?

Cosmopolitan
Королева Диана Королева Диана

Отрывок из мемуаров легендарного редактора американского Vogue Дианы Вриланд

Vogue
Как повысить эмоциональный интеллект у детей — три совета от нейробиологов Как повысить эмоциональный интеллект у детей — три совета от нейробиологов

Как развивать эмоциональный интеллект у детей

Inc.
Натальная карта и здоровье: как астрология может помочь лучше понять свое тело Натальная карта и здоровье: как астрология может помочь лучше понять свое тело

Чем нам может помочь натальная карта?

Cosmopolitan
Слепой анализ не нашел следов хирального магнитного эффекта Слепой анализ не нашел следов хирального магнитного эффекта

STAR завершила трехлетний слепой анализ столкновениях ионов рутения и циркония

N+1
Глубоко, уважаемый! Глубоко, уважаемый!

Как русские захватили фридайвинг

Men’s Health
Усмирить душевную бурю Усмирить душевную бурю

Что делать с мыслями и переживаниями об измене партнера?

Psychologies
Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны Посадка советских космонавтов в США посреди холодной войны

Куда садились космические корабли времен СССР?

Популярная механика
Как преодолеть языковый барьер и заговорить на иностранном, как на родном Как преодолеть языковый барьер и заговорить на иностранном, как на родном

Откуда берется «языковая тревожность» и как ее побороть

Psychologies
6 мифов о вине, в которые давно пора перестать верить! 6 мифов о вине, в которые давно пора перестать верить!

Дегустаторы разбираются в вине? Чушь! Красное — только к мясу? Враки!

Maxim
Открыть в приложении