肥皂泡上的彩色斑紋是怎么來的?
紅靜君
當(dāng)太陽光照射在肥皂膜的表面時,會分別被薄膜的上、下兩個表面反射,如此,一束光就變?yōu)閮墒嗷ジ缮娴姆瓷涔饩€。由于肥皂膜在各處的厚度并不均勻,陽光中的7種單色光,在肥皂膜厚度不同的地方,就會出現(xiàn)有的會加強,有的會減弱,有的甚至?xí)嗷サ窒?。就這樣,肥皂膜把陽光分解,呈現(xiàn)出五顏六色的圖案。
我們常常看到這樣的一些現(xiàn)象:肥皂泡在陽光下呈現(xiàn)出五彩斑斕的色彩,水面上的油膜表面呈現(xiàn)光鮮的彩色條紋。肥皂膜和油膜本身是無色的,為何會呈現(xiàn)出如此美麗的顏色呢?其實,這是白光在透明薄膜的上、下表面反射并相互干涉的結(jié)果。
物理學(xué)家研究表明:光波像池塘里的水波一樣,具有波動性。向池塘的水里投兩顆石子,產(chǎn)生的漣漪相遇,相互干涉,形成了美麗的干涉花紋。如果仔細(xì)觀察,還會發(fā)現(xiàn)這些水波某些位置處的振動一直加強,而另一些位置處的振動卻一直在減弱。
同樣的道理,當(dāng)兩束或多束頻率相同的光相遇時,也會產(chǎn)生相互干涉的現(xiàn)象。某些位置處的光振動一直在加強,所以此處就比較亮,稱作相長干涉;某些位置處的光振動一直在減弱,所以此處就比較暗,稱作相消干涉。值得一提的是,一定厚度的膜,僅能使一定波長(顏色)的光產(chǎn)生穩(wěn)定的相長干涉或者相消干涉。例如,在某處,如果僅紅色光滿足相長干涉條件,那么此處就呈現(xiàn)紅色;如果此處僅有綠色光滿足相長干涉條件,那么此處就只會呈現(xiàn)綠色。
肥皂膜是透明薄膜,而且有上、下兩個表面。當(dāng)太陽光照射在肥皂膜的表面時,會分別被薄膜的上、下兩個表面反射,如此,一束光就變?yōu)閮墒嗷ジ缮娴姆瓷涔饩€。太陽光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種單色組成的可見光,由于肥皂膜在各處的厚度并不均勻,根據(jù)相長干涉和相消干涉理論,在膜面厚度不同的位置上,既會有不同顏色的光滿足相長干涉條件,也會有不同顏色的光滿足相消干涉條件。如此一來,陽光中的7種單色光,在肥皂膜厚度不同的地方,就會出現(xiàn)有的會加強,有的會減弱,有的甚至?xí)嗷サ窒?。在色彩表現(xiàn)上,也會出現(xiàn)肥皂膜上有的地方紅一些,有些地方藍(lán)一些,有些地方綠一些,有些地方又會顯出其他的顏色的情況。就這樣,肥皂膜把陽光分解,呈現(xiàn)出五顏六色的圖案。另外,液體的流動會導(dǎo)致薄膜厚度發(fā)生細(xì)微的變化,薄膜上的彩色斑紋也隨之流動,因此,我們看到的彩色波紋也是流動的。
不僅僅肥皂泡會發(fā)生這樣的現(xiàn)象,任何透明薄膜只要有光線射入,都會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。例如,我們常見的水上的油膜、蜻蜓的翅膀、CD片等等,在陽光的照射下,它們都會呈現(xiàn)出繽紛斑斕的色彩,其原理與肥皂泡呈現(xiàn)彩色的原理相同,這種顏色叫做薄膜色。這種現(xiàn)象稱為光的干涉。
我們吹肥皂泡時,還會發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的現(xiàn)象,剛開始吹時,色彩并沒有那么絢麗:隨著泡泡被逐漸吹得越來越大,它的色彩也會變得越來越亮麗,直至破滅。這又是怎么回事呢?
原來,并不是所有厚度的透明膜都會發(fā)生光的干涉現(xiàn)象。如果膜過厚,膜下表面與膜上表面的反射光就不會相互干涉。當(dāng)肥皂泡被吹得越來越大時,膜也會隨著越變越薄,當(dāng)能滿足光的干涉條件時,才會形成美麗的色彩和圖案。
薄膜的顏色與其厚度有關(guān),按照這個道理,就產(chǎn)生了一些非常有趣的應(yīng)用。例如,檢驗精密機械零件的表面是否存在瑕疵,通常的檢驗方法是:先把被檢查的表面與一個標(biāo)準(zhǔn)的表面相接,然后放在光線下照射,仔細(xì)觀察兩個表面間的空氣薄膜所產(chǎn)生的彩色斑紋。如果彩色斑紋發(fā)生畸形變化,就說明被測的表面有缺陷。然后再根據(jù)斑紋的畸變、彎曲的形狀和不規(guī)則的程度,來確定被測表面的缺陷所在位置和缺陷程度。