Узнайте, почему мыльные пузыри имеют радужную окраску и как интерференция световых волн создает этот эффект. Погрузитесь в физические основы и структуру мыльных пузырей. Откройте секреты цветов и переливов на поверхности пузырей.
Cодержание
Каждый, кто хоть раз в детстве выдувал мыльные пузыри, наверняка запомнил то ощущение праздника, которое создавала фантастическая игра цветов на их поверхности. Удивительно - пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.
Распространение света и интерференция
Распространение света - процесс волновой. Каждой длине волны соответствует ощущение определенного цвета. Белый свет - это смесь самых разных цветов, от фиолетового до тёмно-красного. И если из луча белого света каким-то образом "вырезать" только одну волну, а остальные "погасить", свет из белого превратится в окрашенный.
Мыльный пузырь - это тонкая пленочка воды между двумя слоями молекул моющего вещества. Свет, падая на поверхность пленки, частично отражается от первого слоя, частично проходит внутрь, преломляется и отражается от второй поверхности. Волны, отраженные от двух поверхностей пленки, складываются. И если максимумы двух волн совпадают (волны идут в фазе), амплитуда суммарной волны увеличивается. Если же максимум одной волны приходится на минимум другой (волны в противофазе), амплитуда уменьшится вплоть до полного исчезновения суммарной волны. Две световые волны в сумме дадут темноту. Такой механизм сложения волн называется интерференцией.
Вот откуда взялись цвета, которые окрасили бесцветную пленку, - они возникли в результате интерференции световых волн, отразившихся от границ мыльной пленки. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны, и если волны пришли в фазе, амплитуда суммарной волны вырастет в два раза, а яркость цветного пятна - в четыре. Соответственно столь же сильно будет падать интенсивность волн, идущих в противофазе.
Изменение цветов на поверхности пузыря
Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 0,4 микрона (фиолетовый свет) до 0,75 микрона (красный свет). И если одна область пузыря окрашена, скажем, в синий цвет (0,45 мкм), а другая - в зеленый (0,50 мкм), можно с уверенностью сказать, что толщина его стенки изменилась на 0,05 мкм = 5.10-8 м = 0,00005 мм (или на кратную величину).
Если внимательно приглядеться к игре красок на поверхности мыльного пузыря, можно заметить, что рано или поздно вблизи его верхней части появится черное пятно. Толщина пленки в этом месте стала равна половине длины волны фиолетовой составляющей видимого света (самой высокочастотной). Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте.
Такую же игру красок можно видеть и на поверхности воды, покрытой тонкой пленкой масла или бензина. Все эти световые эффекты объясняются интерференцией волн и зависят от толщины пленки.
См. также
Физические основы и структура мыльных пузырей
Мыльный пузырь представляет собой тонкую многослойную пленку мыльной воды, наполненную воздухом. Она обычно имеет форму сферы с переливающейся поверхностью. Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул моющего вещества, чаще всего мыла. Гидрофильная и гидрофобная части молекул мыла привлекают и отталкивают воду соответственно, создавая слои, которые уменьшают поверхностное натяжение и предотвращают быстрое испарение воды.
Поверхностное натяжение позволяет пузырю сохранять свою форму и создает эффект сферической поверхности. Пузырь также становится стабильным благодаря присутствию мыла, которое усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше.
Переливание цветов и замерзание пузырей
Переливчатые "радужные" цвета мыльных пузырей обусловлены интерференцией световых волн и зависят от толщины пленки. Когда свет проходит сквозь тонкую пленку пузыря, он отражается от внешней поверхности и проникает внутрь, отражаясь от внутренней поверхности. Интерференция этих двух лучей создает разноцветное отражение в зависимости от толщины пленки.
По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, меняется цвет пузыря. Более толстая пленка убирает из белого света определенные цвета, делая отражение сине-зеленым. Более тонкая пленка убирает другие цвета, создавая пурпурный, золотисто-желтый или черный оттенок. Когда стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, отражение полностью исчезает и мы видим черное пятно.
Замерзание пузырей также происходит из-за изменения толщины пленки. При замерзании вода внутри пузыря расширяется и создает давление, что приводит к увеличению толщины пленки. Это может изменить цветовую гамму пузыря и привести к его лопанию.
Таким образом, мыльные пузыри обладают радужной окраской благодаря интерференции световых волн, отраженных от границ пленки. Изменение толщины пленки и интерференционные эффекты определяют разнообразные цвета, которые мы наблюдаем на поверхности мыльных пузырей.
Что нам скажет Википедия?
Переливчатые «радужные» цвета мыльных пузырей наблюдаются вследствие интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки.
Когда луч света проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, формируя первый луч, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности, образуя второй луч. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух лучей. Поскольку каждый проход света через плёнку создаёт сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.
По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, скоро лопнет.
Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.
