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
Аглая Епанчина Аглая Епанчина

Психотерапевт размышляет о характере персонажа из романа «Идиот»

Psychologies
Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
«Ты всё не так поняла»: 6 видов мужских манипуляций — от безобидных до опасных «Ты всё не так поняла»: 6 видов мужских манипуляций — от безобидных до опасных

Как манипулируют мужчины

Cosmopolitan
Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом Гуайява, сладкий плод с экзотическим ароматом

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
Тоталитаризм во сне и наяву. Глава книги Исмаиля Кадарэ «Дворец сновидений» Тоталитаризм во сне и наяву. Глава книги Исмаиля Кадарэ «Дворец сновидений»

Отрывок из «Дворца сновидений» — истории с множеством моральных выборов

Esquire
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
Что такое эйджлесс и как продлить молодость. Научные данные Что такое эйджлесс и как продлить молодость. Научные данные

Как дольше оставаться молодым и здоровым

РБК
Стать собой Стать собой

Отец Алексий Уминский о свободе, возможности и радости быть самим собой

Seasons of life
Тайною нашей стала. ABBA и еще четыре легенды, воскрешенные «цифрой» Тайною нашей стала. ABBA и еще четыре легенды, воскрешенные «цифрой»

«Цифровые клоны» знаменитых артистов

Цифровой океан
Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
Обманщица, эгоистка, истеричка: главные недостатки твоего знака зодиака Обманщица, эгоистка, истеричка: главные недостатки твоего знака зодиака

Ты могла бы распознать свой самый большой недостаток и исправить его?

Cosmopolitan
Прожектор перестройки Прожектор перестройки

Что мешает российской экономике расти?

Forbes
Мамонт, идентичный натуральному. Получится ли у ученых восстановить доисторическое животное Мамонт, идентичный натуральному. Получится ли у ученых восстановить доисторическое животное

В США стартовал очередной проект восстановления шерстистого мамонта

СНОБ
Зачем вам этот тиндер? А откуда вы знаете, что я там есть? Зачем вам этот тиндер? А откуда вы знаете, что я там есть?

О сомнительной пользе приложений для знакомств

GQ
5 токсичных установок, мешающих нам заниматься творчеством 5 токсичных установок, мешающих нам заниматься творчеством

У многих из нас есть творческие барьеры, через которые пора перешагнуть

GQ
Сколько стоит пить? Сколько стоит пить?

Каким будет место алкоголя в “новой нормальности”?

Men’s Health
Футболка с вышивкой из нанотрубок записала электрокардиограмму Футболка с вышивкой из нанотрубок записала электрокардиограмму

На ощупь такая умная футболка не отличается от обычной

N+1
Фантастические организации, которые управляют развитием цивилизации Фантастические организации, которые управляют развитием цивилизации

Фантастические книги о могущественных организациях

Популярная механика
Критика машинного разума. Пять историй Елены Никоноле Критика машинного разума. Пять историй Елены Никоноле

Елена Никоноле посвятила себя изучению новой утопии и критике интернета вещей

Цифровой океан
Как стать лучшей версией себя? Чтобы действительно получилось Как стать лучшей версией себя? Чтобы действительно получилось

Дизайнер продуктов — об изменении привычек с помощью дизайн-мышления

Reminder
В Google назвали 9 моделей поведения эффективного лидера В Google назвали 9 моделей поведения эффективного лидера

Что должны делать по-настоящему эффективные люди

Inc.
Найденный школьниками ископаемый гигантский пингвин получил научное описание 15 лет спустя Найденный школьниками ископаемый гигантский пингвин получил научное описание 15 лет спустя

Палеонтологи описали гигантского пингвина, который жил в Новой Зеландии

N+1
Ева Миллер: «Я трачу в месяц примерно 600 тысяч рублей» Ева Миллер: «Я трачу в месяц примерно 600 тысяч рублей»

Ева Миллер о ежемесячных тратах в 600 тысяч рублей и школьном буллинге

Cosmopolitan
Первый телефон Первый телефон

В начале XIX века в жизнь человечества вошел электрический телеграф

Вокруг света
Увидеть первые Apple, сделать копию на ксероксе и потрогать мышку: как в Минске-88 прошла выставка «Информатика в США» Увидеть первые Apple, сделать копию на ксероксе и потрогать мышку: как в Минске-88 прошла выставка «Информатика в США»

Выставка «Информатика в США» стала потрясением для жителей Минска

VC.RU
Почему исчезла цивилизация индейцев Майя Почему исчезла цивилизация индейцев Майя

Почему процветающая цивилизация Майя рухнула

Популярная механика
Макаронам нужен твердый злак Макаронам нужен твердый злак

Производители макарон просят запретить экспорт твердой пшеницы

Эксперт
Лена Медведева Лена Медведева

Лена Медведева — cкульптор и создательница популярного проекта Nezhno Ceramics

Собака.ru
Нейробиолог назвала 6 упражнений, которые помогут повысить психологическую устойчивость Нейробиолог назвала 6 упражнений, которые помогут повысить психологическую устойчивость

Упражнения, которые помогут меньше нервничать и быть увереннее в будущем

Inc.
Открыть в приложении