Czarne plamy w tęczy mydlanej

Czarne plamy w tęczy mydlanej

Jacob Geguzin
"Nauka i życie" №10, 2017

Ilekroć przywołują bańki mydlane, niezmiennie mówią o ich kolorze, a dokładniej o ich kolorach, a dokładniej o ich kolorach. Oto S. Ya Marshak w swoich wierszach jest zachwycony kolorystyką bańki:

Płonący jak pawi ogon,
Jakie kolory nie ma!
Liliowy, czerwony, niebieski,
Zielony, żółty kolor.

I trochę dalej:

Światła na otwartej przestrzeni
Odtwarza lekką piłkę.
Że w nim morze staje się niebieskie,
Ten ogień w nim płonie.

Ku uciesze Marshaka, każdy z nas może dodać nasze własne, chyba że nie wyrażą tego poezja, ale proza.

Jaki jest powód pojawienia się kolorowych bąbelków?

Początkowo, bardzo krótko o historii problemu. Fizyka XVIII wieku nadała XIX wieku odziedziczone sprzeczne poglądy na temat natury światła. Pomysły Newtona na temat "korpuskularnego" światła – przepływu hipotetycznych cząstek – ciałek – wzrosły. Newton wierzył, że spadając na siatkówkę oka, cząsteczki wzbudzają uczucie światła: małe cząsteczki tworzą wrażenie fioletowego koloru, a cząsteczki bardziej – czerwone. Koncepcje te, wyjaśniając niektóre wzorce propagacji światła, pozostawiły bez wyjaśnienia wiele zjawisk, w tym interferencję światła.

Idee o falowej naturze światła pojawiły się w Grimaldi, Hooke i Huygens. Włoski fizyk Francesco Grimaldi, najmłodszy współczesny Newton, porównał propagację światła z propagacją fal na wodzie.

Przypomnieliśmy sobie przełom między XVIII a XIX wiekiem, właśnie dlatego, że żył wówczas jeden z największych fizyków, Thomas Jung, który oparł swoje badania na falach o świetle, wyjaśniając w szczególności wszelkiego rodzaju zakłócenia. I termin "ingerencja" sam wprowadził Junga do nauki po raz pierwszy.

Był człowiekiem o niezrównanym, wielowymiarowym talencie i szerokim gronie twórczych zainteresowań. Być może jednak jego najbardziej znaczące osiągnięcia związane są z rozwojem pomysłów dotyczących falowej natury światła, a zwłaszcza z naturą zjawiska interferencji, o kolorach cienkich filmów. Francuski fizyk, Domenic Arago, napisał o Thomasa Jungu: "Najcenniejsze odkrycie dr Junga, który miał uwiecznić jego imię na zawsze, było zainspirowane tematem, wydawałoby się, bardzo nieznaczne: stać się zabawką z najbardziej subtelnych ruchów powietrza ".

Barwne plamy na folii mydlanej. Zdjęcie: Klanneke / en.depositphotos.com

Płacąc hołd poezji, radości i historii, zwracamy się do fizyki, porozmawiajmy o "optykach bąbelkowych". Czytelnik wie, że propagacja światła jest procesem falowym, a propagująca fala monochromatyczna ma pewną długość fali λ0. Wiadomo również, że wiązka światła jest odbijana od interfejsu dwóch mediów i przechodząc przez tę granicę, załamuje się. Wiadomo również, że tak zwany biały kolor jest mieszanką wielobarwnych monochromatycznych promieni – od czerwonego do fioletowego. Długość fali czerwonej wiązki jest większa niż fiolet. I wreszcie, wiadomo, że podczas przejścia od pustej do filmowej substancji, długość fali λ0 zmiany, staje się równe λw. Wielkość n = λ0 / λw nazywany współczynnikiem załamania światła.

Teraz bezpośrednio pod pewnym kątem i na powierzchni o cienkiej warstwie h światło monochromatyczne, którego długość fali λ0. Nastąpi następujące zjawisko: wiązka światła jest częściowo odbijana od powierzchni folii, a po części jest załamywana pod kątem rzostaną uwzględnione w jego objętości. Na dolnej powierzchni filmu stanie się to samo: załamanie i odbicie. Odbita wiązka powróci na górną powierzchnię,zostanie odbity i załamany, a część jego części wyjdzie z filmu, gdzie spotka się z jednym z promieni padającego światła pierwotnego. To się stanie w punkcie Dzięki. Ten punkt zasadniczo nas interesuje.

W punkcie Dzięki istnieją dwa promienie, zrodzone z tego samego źródła, ale przechodzące przez różne ścieżki. O takich promieniach mówią "spójni". Ich charakterystyczną cechą jest to, że różnica faz ich oscylacji pozostaje niezmieniona. Natura interakcji tych promieni w punkcie C określona przez różnicę ścieżek, które przebyli przed przybyciem do tego punktu. Ta różnica w ścieżce nazywana jest różnicą ścieżki optycznej Δ. Od bardzo prostej kalkulacji i definicji n = grzech i / grzech r wynika z tego

∆ = 2hn cos r.

Docieramy do najważniejszego osiągnięcia Thomasa Junga. Zwrócił uwagę na fakt, że jeśli warunek Δ = kλ0 / 2 (k – liczba całkowita) może mieć dwa znacząco różne efekty: jeśli k – liczba parzysta, fale będą się wzmacniać, a jeśli są dziwne – osłabiają się, a dokładniej gaszą się nawzajem.

Moc głównej idei mechanizmu interferencyjnego Junga jest uderzająca, co w naturalny sposób wyjaśnia zaskakujący fakt eksperymentalny: światło, komponując się ze światłem,tworzy ciemność! Dla innego czytelnika może się wydawać, że w uzyskanym wyniku coś jest niekorzystne, ponieważ pojawienie się ciemności oznacza zanikanie energii, a to nie powinno się zdarzyć. W rzeczywistości nie oznacza to, że ponieważ energia nie znika w procesie interferencji, ulega redystrybucji, gromadząc tam, gdzie dwie wiązki wzajemnie się wzmacniają.

Opierając się na wzorze Δ, możemy zrozumieć wiele z tego, co nazywamy "optyką bąbelkową". W formule dla danej wartości n związane razem długość fali światła λ0grubość filmu h i kąt ra zatem kąt padania wiązki na film i. Załóżmy, że wiązka białego światła pada na powierzchnię bąbelka utworzonego przez film o stałej grubości, a wiązka styka się z różnymi częściami powierzchni bańki pod różnymi kątami. Oznacza to, że warunki, w których wzmacniana jest wiązka odbita, będą otrzymywać promienie o różnych długościach fal, a różne części bąbelka będą błyskać w różnych kolorach tęczy: purpurowej, czerwonej, niebieskiej, zielonej i żółtej. Może się to zdarzyć z innego powodu: różne części folii bąbelkowej zmieniają swoją grubość w czasie (teraz się zmienia h), i dlatego "morze robi się niebieskie, a potem płonie w nim ogień".Jeśli spojrzysz na bańkę mydlaną, wyraźnie widzisz przepływ płynu, zmieniając jego kolor.

Podążając za mnóstwem poprzedników, możemy dać doświadczenie w ingerencji w filmy z mydłem w warunkach zbliżonych do tych, w których występują różne części bańki filmowej. Faktem jest, że w bańce mydlanej zawsze znajdują się obszary, w których pod wpływem grawitacji ciecz przesuwa się w dół, a w konsekwencji zmienia się jej grubość, a wraz z nią zmienia się jej kolor.

To doświadczenie. Płaska folia na ramie jest ułożona pionowo. Z czasem przybiera postać klina: cieńszy u góry, grubszy u dołu. Jego kolor jest paskowany, wielokolorowy, zmienia się z czasem. Wydaje się unosić w płynach.

Aby zakończyć opowieść o optykach bańki mydlanej, trzeba powiedzieć o czarnych pasach i plamach w kolorze bańki. Są szczególnie wyraźnie widoczne, gdy bańka ma tylko kilka chwil do życia.

Schemat wyjaśniający pojawienie się czarnych plam w cienkim filmie kolorowym

Spróbujmy zrozumieć fizyczną przyczynę pojawienia się czarnych plam, przypominając, że omawiając różnice w ścieżce optycznej w cienkiej folii Δ, milczeliśmy o jednym szczególe w interakcji światła z filmem. Ten szczegół nie ma większego znaczenia, gdy folia jest gruba (h ≥ λ0) i nie pozwala na samozniszczenie, gdy folia jest cienka (h << λ0). Faktem jest, że, jak się okazuje, odbicie wiązki od granic filmu powietrznego i filmu-powietrza występuje w taki sposób, że różnica w ścieżce optycznej zmienia się gwałtownie o połowę długości fali. W odpowiedniej sekcji optyki teoretycznej okoliczność ta została udowodniona matematycznie rygorystycznie. Istnieją jednak bardzo proste argumenty angielskiego fizyka George'a Stokesa, wyraźnie wyjaśniające to zjawisko. Podajemy jego rozumowanie. Jeżeli kierunek propagacji wiązki odbił się od granicy filmu powietrznego (Bd), a wiązka załamana w nim (Słońce), aby narysować, muszą utworzyć wiązkę (VA), równej intensywności i skierowanej przeciwnie do wiązki pierwotnej (AB). To stwierdzenie jest prawdziwe, po prostu odzwierciedla prawo zachowania energii. Konwertowane promienie NE i DB, ogólnie mówiąc, mogą tworzyć promień (BE). On jednak jest nieobecny, jest to fakt eksperymentalny. W konsekwencji, w swoim stworzeniu promieni NE i DB przyczyniają się do formy promieni, które są równe intensywności, ale są przesunięte względem siebie o połowę długości fali, a zatem zgasić siebie nawzajem.Jeśli dodamy do powyższego, że jeden z tych promieni doświadczał odbicia od granicy filmu powietrznego, a drugi od granicy filmu z powietrzem, wówczas staje się jasne, że występuje dodatkowy skok: Δ = λ0 / 2 po odbiciu od granic między powietrzem a filmem.

Teraz wracamy do czarnych plam i pasków. Jeśli grubość warstwy jest tak mała, że ​​różnica w ścieżce optycznej obliczona bez uwzględnienia utraty półfali, gdy odbita od granicy filmu powietrznego jest mała w porównaniu do długości fali, wówczas interferencja zostanie określona tylko przez fakt, że promienie są przesunięte zgasną nawzajem. A to oznacza, że ​​jest film w kolorze czarnym.

Cała logika opowiadania o czarnych plamach na bańce mydlanej może zostać odwrócona i potwierdzona następująco. Czarne zabarwienie bardzo cienkich filmów jest faktem! W konsekwencji, gdy dwa promienie są odbijane od granic powietrzno-filmowych i między filmem a powietrzem, powinna wystąpić dodatkowa optyczna różnica w ścieżce równa połowie długości fali. To nie jest ścieżka od logiki do eksperymentu, ale od eksperymentu do logiki. Oba sposoby są zgodne z prawem i komplementarne.

Zapoznaliśmy się z ideami, które dziś wydają się niemal oczywiste, a na początku XIX wieku, w czasach Tomasza Junga, były zaskakujące odkrycie.W końcu tylko myśl: światło, komponowanie ze światłem, rodzi ciemność!

Fragment książki: Geguzin Ya. E. Bubbles. – Dolgoprudny: ID "Intellect", 2014.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: