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

Бабочка барония — живое ископаемое Бабочка барония — живое ископаемое

Живых представителей древних видов бабочек можно встретить и по сей день

Наука и жизнь
Все танцы только о любви: мир и театр Пины Бауш Все танцы только о любви: мир и театр Пины Бауш

Почему имя немецкого хореографа Пины Бауш уже не раз перевернуло мир искусства

РБК
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

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

Наука и жизнь
Обратная диета: ешь больше с каждым днем, чтобы похудеть и удержать вес Обратная диета: ешь больше с каждым днем, чтобы похудеть и удержать вес

Обратная диета: чтобы похудеть, надо есть больше

Cosmopolitan
Бутан от заката до рассвета Бутан от заката до рассвета

Другой Бутан, доступ в который открыт немногим

Вокруг света
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
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Только твое дело Только твое дело

Самозанятость: плюсы и минусы

Cosmopolitan
Альянсы и союзы Альянсы и союзы

Первая часть ответов на вопросы об альянсах союзников против нацистской Германии

Дилетант
Буря в пустыне Буря в пустыне

Тимоти Шаламе и Дени Вильнёв — о страхе, жаре и проваленных пробах

Cosmopolitan
Калужский Фёдор — друг Шамиля Калужский Фёдор — друг Шамиля

3 марта исполняется 160 лет знаменитому Манифесту об отмене крепостного права

Дилетант
Два мира — два Вишневских. Откуда берутся «двойники» на выборах в России и в США Два мира — два Вишневских. Откуда берутся «двойники» на выборах в России и в США

Как выглядит доведенная до абсурда электоральная демократия

СНОБ
«Дочь должна замаскировать татуировку или съехать из моего дома» «Дочь должна замаскировать татуировку или съехать из моего дома»

Родители не могут смириться с тем, что их дети принимают собственные решения

Psychologies
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
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
Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса Сколько на чай оставлять заправщику на АЗС и оставлять ли вообще. Отвечаем на три главных вопроса

Как не выглядеть жлобом на АЗС и не разориться одновременно

Maxim
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
Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте

Способность клубеньковых бактерий формировать симбиоз с донником лекарственным

N+1
5 «секретных» фраз, которые действуют на девушек лучше афродизиаков 5 «секретных» фраз, которые действуют на девушек лучше афродизиаков

Делимся с тобой сакральными знаниями о девушках

Playboy
Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений Дожить до золотой свадьбы: 4 главных правила создания долгих отношений

Если вы знаете, чего ждать после медового месяца, то это поможет сохранять союз

Cosmopolitan
7 новых книг о психологии для тех, кто хочет лучше узнать себя 7 новых книг о психологии для тех, кто хочет лучше узнать себя

Книжные новинки, которые ответят на самые разнообразные вопросы по психологии

Psychologies
Гормон-шило Гормон-шило

Новые открытия о нашем главном гормоне – тестостероне

Maxim
Опасная боль Опасная боль

Боль в суставах обычно воспринимается, не как что-то опасное. Однако, это не так

Здоровье
Детка, ты не космос! Почему богатейший гений мира Илон Маск несчастлив в любви Детка, ты не космос! Почему богатейший гений мира Илон Маск несчастлив в любви

Почему космический гений так и не может найти свою постоянную «орбиту»

Cosmopolitan
Сладкая Ава Макс: эффектные фото новой поп-иконы Сладкая Ава Макс: эффектные фото новой поп-иконы

История жизни, фото и актуальная информация о личной жизни Авы Макс

Playboy
Изолированность угасших ультрадиффузных галактик объяснили их выбросом из скоплений Изолированность угасших ультрадиффузных галактик объяснили их выбросом из скоплений

Астрономы проанализировали формирование ультрадиффузных галактик

N+1
Барышня или крестьянка? Популярные советские актрисы с дворянскими корнями Барышня или крестьянка? Популярные советские актрисы с дворянскими корнями

Эти советские актрисы тщательно скрывали свое происхождение

Cosmopolitan
Как Хелен Герли Браун подарила женщинам свободную любовь и одержимость диетами Как Хелен Герли Браун подарила женщинам свободную любовь и одержимость диетами

За что Герли Браун критикуют феминистки и за что стоит сказать ей «спасибо»

Forbes
«Средство от всех несчастий»: кому и зачем нужна медитация Випассана «Средство от всех несчастий»: кому и зачем нужна медитация Випассана

Как освоить технику медитации Випассана и как заниматься в домашних условиях

РБК
Кровные узы Кровные узы

Роман Васьянов вернулся в Россию, чтобы дебютировать как режиссер

Vogue
Открыть в приложении