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

Бактерии на службе у насекомых Бактерии на службе у насекомых

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

Наука и жизнь
Специальные возможности для особенных детей: как устроено инклюзивное образование в Великобритании Специальные возможности для особенных детей: как устроено инклюзивное образование в Великобритании

Великобритания — лидер в области обучения детей с особыми потребностями

СНОБ
По следам суперпаводков Алтая По следам суперпаводков Алтая

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

Наука и жизнь
FAST: новый способ возведения удобных посадочных площадок на Луне всего за 10 секунд FAST: новый способ возведения удобных посадочных площадок на Луне всего за 10 секунд

Задача НАСА — вернуться на Луну и установить там постоянное присутствие человека

Популярная механика
Чем кормить испанца Чем кормить испанца

Московский копирайтер приобрел фуд-трак и начал готовить для испанцев гамбургеры

Вокруг света
«Домашний был человек, ничего плохо не делал»: что известно о стрелке из Перми «Домашний был человек, ничего плохо не делал»: что известно о стрелке из Перми

Что сподвигло Тимура Бекмансурова открыть стрельбу в университете в Перми

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

История экзотического фрукта гуавы

Наука и жизнь
Cексуальные особенности разных стран мира Cексуальные особенности разных стран мира

Наконец-то ты можешь выбрать страну для путешествия по самому главному принципу

Maxim
И на земле И на земле

Готовиться к бомбардировкам британцы начали задолго до войны

Дилетант
Массаж асахи: что это, зачем и как его делать Массаж асахи: что это, зачем и как его делать

Для чего применяют массаж асахи и какие существуют противопоказания?

РБК
Такси на конной тяге Такси на конной тяге

История городского транспорта России XIX-XX века

Дилетант
Просторно и светло Просторно и светло

Применение керамической облицовки в небольших санузлах

Идеи Вашего Дома
Глаз не оторвать: самые красивые дочери российских знаменитостей Глаз не оторвать: самые красивые дочери российских знаменитостей

Яркие кадры маленьких наследниц громких фамилий

Cosmopolitan
Псы науки Псы науки

Самые знаменитые собаки в истории науки и техники

Популярная механика
Музыкант. Feduk Музыкант. Feduk

Feduk записал альбом, нагруженный хитами, – и опять запал всем в душу

GQ
Дмитрий Крестьянкин Дмитрий Крестьянкин

Дмитрий Крестьянкин — амбассадор инклюзивных проектов и документального театра

Собака.ru
Женщина тратит почти полмиллиона рублей на наряды для голубей Женщина тратит почти полмиллиона рублей на наряды для голубей

Мегги Джонсон тратит в год полмиллиона рублей на содержание четырех голубей

Cosmopolitan
Колыбель для взрослого Колыбель для взрослого

У каждого бывают моменты, когда хочется, чтобы кто-то заботливый взял за руку

Psychologies
Отборные дети Отборные дети

Чем генетика может помочь родителям, мечтающим о здоровом потомстве

Vogue
Без единого изъяна Без единого изъяна

Установка натяжного потолка

Идеи Вашего Дома
Основатель SETTERS Евгений Давыдов – о русском креативе, сложностях и рекламном бизнесе Основатель SETTERS Евгений Давыдов – о русском креативе, сложностях и рекламном бизнесе

Основатель SETTERS — о рынке труда и высшем образовании

GQ
Крупнейший застройщик Китая вот-вот обанкротится: чем это грозит мировой экономике Крупнейший застройщик Китая вот-вот обанкротится: чем это грозит мировой экономике

Как Китай может подтолкнуть мир к новом кризису, похожему на кризис 2008 года

Forbes
Шарлиз Терон. Голова не в облаках Шарлиз Терон. Голова не в облаках

Ее признали самой сексуальной из ныне живущих женщин

Караван историй
Терраформирование Марса: можно ли вдохнуть жизнь в пески Красной планеты? Терраформирование Марса: можно ли вдохнуть жизнь в пески Красной планеты?

Насколько реально терраформирование Красной планеты

Популярная механика
9 вопросов, которые улучшат вашу сексуальную жизнь 9 вопросов, которые улучшат вашу сексуальную жизнь

О чем следует спросить, чтобы ваш секс стал лучше?

Psychologies
В Марокко нашли древнейшее свидетельство изготовления одежды В Марокко нашли древнейшее свидетельство изготовления одежды

Археологи обнаружили костяные орудия для выделки шкур возрастом 90 тысяч лет

N+1
Фонд физтехов: как Петр Лукьянов управляет деньгами бизнесменов — выпускников МФТИ Фонд физтехов: как Петр Лукьянов управляет деньгами бизнесменов — выпускников МФТИ

Как Петр Лукьянов вкладывается в стартапы до того, как они становятся модными

Forbes
Постоянная тонкой структуры выросла десятикратно в спиновом льду Постоянная тонкой структуры выросла десятикратно в спиновом льду

Физики смоделировали коллективные эффекты в спиновом льде

N+1
5 монархов, убивших своих детей 5 монархов, убивших своих детей

Некоторые так любили власть, что не готовы были делиться ею даже с сыновьями

Maxim
Привычка к лучшему Привычка к лучшему

Легендарный парижский гранд-отель, ставший героем фильма Вуди Аллена

GQ
Открыть в приложении