Журнал "Наука и жизнь", 2000 № 06

Радуга в мыльной пленке

(См. 4-ю стр. обложки)

_{РАДУГА В МЫЛЬНОЙ ПЛЕНКЕ}

_{Бесцветная мыльная пленка, освещенная белым светом, способна окрашиваться во все цвета радуги. Переливающийся мыльный пузырь доставляет детям искреннюю радость, фотограф отыщет в игре красок стимул для творчества, а те, кому интересна суть явлений природы, задумаются о законах оптики, описывающих это любопытное и красивое явление.}

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 — процесс волновой. Каждой длине волны соответствует ощущение определенного цвета. Белый свет — это смесь самых разных цветов, от фиолетового до темно-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. 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.

Разность хода волн, отраженных от границ тонкой пленки, определяется условием Δl = 2h∙n∙cos φ, а результат интерференции — Δl = kλ/2, где k — целое число. Если k четное, волны пойдут в фазе и усилят одна другую, если нечетное (в противофазе) — ослабят.