[黑科技] 泡泡怎么就成了彩色的呢?

发表于 2020-1-31 22:18   |   来自PC浏览器 显示全部楼层 [复制链接]   
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 吹肥皂泡可能是很多人童年时玩过的游戏。五彩缤纷的泡泡在空中飘荡,泡泡上还会倒映出彩色的树木房屋,就像童话里的场景一般。
图片来源:https://en.wikipedia.org/, by Brocken Inaglory)

  可是,肥皂泡为什么会出现彩虹一样的绚丽色彩,还不断地发生着变化呢? 而你有没有注意过,当肥皂泡的色彩渐渐褪去变成灰黑色的时候,就快要破裂了呢?
  而这些,其实都源于一种叫“薄膜干涉”的光学现象。我们通常用洗涤剂(洗洁精、洗衣粉等等)以一定的比例兑水来吹肥皂泡,所以泡泡就是被洗涤剂分子包裹着的一层薄薄的水膜。那么,当光照射到这一层水的薄膜时,都发生些什么呢?
  空气和水都是可以透过光的介质,它们的交界处叫作“界面”。当光遇到一个界面时,一部分会被反射回来,还有一部分会继续前进,发生折射。例如,把一根筷子插进水里,如果我们从侧面看,就会发现水里的筷子弯折了,这就是折射;而当我们俯视水面时,如果角度合适的话也能看到筷子的镜像,这就是反射了。这组成肥皂泡的薄薄的水膜,就拥有两个“空气-水”的界面:光从空气中遇上水膜,也就是第一个“空气-水”界面时,一部分反射,一部分折射;而折射的部分穿过水膜,又遇到第二个“空气-水”的界面,这时又有一部分光被反射了回去,而另一部分则穿过它,回到了空气里。 这样,有一部分光在离开水膜之前,就会被来来回回地反射很多次。

  光有一种性质——同处一处的多条光波会相互叠加自身的强度。这样的现象叫做“干涉”,是一种“同相更强,反相相消”的效果:如果一束光的峰值和另一束光的峰值叠加在一起,结果就会变得更强; 而如果一束光的峰值和另一束光的谷值叠加在一起,结果就会相互抵消。这两类现象分别叫做“相长干涉”和“相消干涉”。

  在肥皂泡薄膜中被来来回回反射的光,就会发生干涉。 不过通常来讲,完全的相长干涉和完全的相消干涉是两个极端,实际干涉的情况会介于两者之间。而且实际干涉的情况和光的波长(也就是颜色)、以及薄膜的厚度都有关系,这就使有些颜色的反射光被削弱了,有些颜色的反射光被增强了。于是,薄膜上就产生了变化的色彩,而不再是“白色”的日光了。
  当一个肥皂泡被吹出来之后,它并非是坚固不变的,泡泡的厚度其实一直在变化。在重力的作用下,泡泡顶部的水会往两侧流动,导致泡泡顶部比底部先变薄;与此同时,泡泡中的水分也会不断蒸发。 总的来说,泡泡从吹出来之后就会慢慢变薄,最后薄到承受不住外界的压力冲击,就破了。在肥皂泡不断变薄的过程中,薄膜干涉的情形也会随之变化,使得肥皂泡表面呈现出不断变化的色彩。
  七彩的肥皂泡不仅仅可以欣赏,我们其实还可以从泡泡的色彩上推断它的厚度。计算机模拟的结果表明,泡泡表面反射光的颜色,和入射光的入射角、以及薄膜厚度的关系图,也像一条绚丽的彩虹。
  比较厚的薄膜,它们反射的颜色基本就在浅浅的红色和绿色之间交替变化。 但当薄膜厚度降到500nm以下时,更多的色彩开始出现,并且颜色也会变得更加鲜艳。比如,鲜艳的金色和蓝色,就出现在薄膜厚度在100nm到450nm之间的时候。这个厚度,差不多只有头发丝直径的200分之一。 如果再薄下去,薄膜就将逐渐黯淡,变成灰黑色了。 这是因为这时候薄膜已经薄到无法对可见光形成有效的干涉,大部分光都穿过薄膜“流失”了,所以也就基本就没有反射光了,显示出灰黑色。这时候,肥皂泡就离破裂不远了。

  所以,当你看到泡泡上出现鲜艳的金色、蓝色相间的条纹时,你就知道它快要撑不住了。 如果你想在泡泡里吹更多的泡泡,那最好选择从浅红、浅绿的地方戳进去,因为只有那里的泡泡薄膜才比较厚,经得住戳。
  薄膜干涉的现象,不仅仅只出现在肥皂泡上。任何厚度与可见光波长差不多的透明薄膜,在合适条件下都会产生这种薄膜干涉。例如,水塘上的油污膜也会呈现彩虹色;相机镜头、防蓝光眼镜镜片、被火烧过的刀片表面,也都会显示出特殊的色彩。这些色彩的背后,其实都是薄膜干涉的效果。
转载自:中国科普博览

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