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肥皂水明明是透明的,為什么變泡泡就成了彩色

時(shí)間:2020-01-19 10:24來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
來(lái)源:中國(guó)科普博覽吹肥皂泡可能是很多人童年時(shí)玩過(guò)的游戲。五彩繽紛的泡泡在空中飄蕩,泡泡上還會(huì)倒映出彩色的樹木房屋,就像童話里的場(chǎng)景一般。

來(lái)源:中國(guó)科普博覽

吹肥皂泡可能是很多人童年時(shí)玩過(guò)的游戲。五彩繽紛的泡泡在空中飄蕩,泡泡上還會(huì)倒映出彩色的樹木房屋,就像童話里的場(chǎng)景一般。

圖片來(lái)源:https://en.wikipedia.org/, by Brocken Inaglory)圖片來(lái)源:https://en.wikipedia.org/, by Brocken Inaglory)

可是,肥皂泡為什么會(huì)出現(xiàn)彩虹一樣的絢麗色彩,還不斷地發(fā)生著變化呢?而你有沒(méi)有注意過(guò),當(dāng)肥皂泡的色彩漸漸褪去變成灰黑色的時(shí)候,就快要破裂了呢?

而這些,其實(shí)都源于一種叫“薄膜干涉”的光學(xué)現(xiàn)象。我們通常用洗滌劑(洗潔精、洗衣粉等等)以一定的比例兌水來(lái)吹肥皂泡,所以泡泡就是被洗滌劑分子包裹著的一層薄薄的水膜。那么,當(dāng)光照射到這一層水的薄膜時(shí),都發(fā)生些什么呢?

空氣和水都是可以透過(guò)光的介質(zhì),它們的交界處叫作“界面”。當(dāng)光遇到一個(gè)界面時(shí),一部分會(huì)被反射回來(lái),還有一部分會(huì)繼續(xù)前進(jìn),發(fā)生折射。例如,把一根筷子插進(jìn)水里,如果我們從側(cè)面看,就會(huì)發(fā)現(xiàn)水里的筷子彎折了,這就是折射;而當(dāng)我們俯視水面時(shí),如果角度合適的話也能看到筷子的鏡像,這就是反射了。這組成肥皂泡的薄薄的水膜,就擁有兩個(gè)“空氣-水”的界面:光從空氣中遇上水膜,也就是第一個(gè)“空氣-水”界面時(shí),一部分反射,一部分折射;而折射的部分穿過(guò)水膜,又遇到第二個(gè)“空氣-水”的界面,這時(shí)又有一部分光被反射了回去,而另一部分則穿過(guò)它,回到了空氣里。這樣,有一部分光在離開(kāi)水膜之前,就會(huì)被來(lái)來(lái)回回地反射很多次。

光有一種性質(zhì)——同處一處的多條光波會(huì)相互疊加自身的強(qiáng)度。這樣的現(xiàn)象叫做“干涉”,是一種“同相更強(qiáng),反相相消”的效果:如果一束光的峰值和另一束光的峰值疊加在一起,結(jié)果就會(huì)變得更強(qiáng);而如果一束光的峰值和另一束光的谷值疊加在一起,結(jié)果就會(huì)相互抵消。這兩類現(xiàn)象分別叫做“相長(zhǎng)干涉”和“相消干涉”。

在肥皂泡薄膜中被來(lái)來(lái)回回反射的光,就會(huì)發(fā)生干涉。不過(guò)通常來(lái)講,完全的相長(zhǎng)干涉和完全的相消干涉是兩個(gè)極端,實(shí)際干涉的情況會(huì)介于兩者之間。而且實(shí)際干涉的情況和光的波長(zhǎng)(也就是顏色)、以及薄膜的厚度都有關(guān)系,這就使有些顏色的反射光被削弱了,有些顏色的反射光被增強(qiáng)了。于是,薄膜上就產(chǎn)生了變化的色彩,而不再是“白色”的日光了。

當(dāng)一個(gè)肥皂泡被吹出來(lái)之后,它并非是堅(jiān)固不變的,泡泡的厚度其實(shí)一直在變化。在重力的作用下,泡泡頂部的水會(huì)往兩側(cè)流動(dòng),導(dǎo)致泡泡頂部比底部先變??;與此同時(shí),泡泡中的水分也會(huì)不斷蒸發(fā)??偟膩?lái)說(shuō),泡泡從吹出來(lái)之后就會(huì)慢慢變薄,最后薄到承受不住外界的壓力沖擊,就破了。在肥皂泡不斷變薄的過(guò)程中,薄膜干涉的情形也會(huì)隨之變化,使得肥皂泡表面呈現(xiàn)出不斷變化的色彩。

七彩的肥皂泡不僅僅可以欣賞,我們其實(shí)還可以從泡泡的色彩上推斷它的厚度。計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果表明,泡泡表面反射光的顏色,和入射光的入射角、以及薄膜厚度的關(guān)系圖,也像一條絢麗的彩虹。

比較厚的薄膜,它們反射的顏色基本就在淺淺的紅色和綠色之間交替變化。但當(dāng)薄膜厚度降到500nm以下時(shí),更多的色彩開(kāi)始出現(xiàn),并且顏色也會(huì)變得更加鮮艷。比如,鮮艷的金色和藍(lán)色,就出現(xiàn)在薄膜厚度在100nm到450nm之間的時(shí)候。這個(gè)厚度,差不多只有頭發(fā)絲直徑的200分之一。如果再薄下去,薄膜就將逐漸黯淡,變成灰黑色了。這是因?yàn)檫@時(shí)候薄膜已經(jīng)薄到無(wú)法對(duì)可見(jiàn)光形成有效的干涉,大部分光都穿過(guò)薄膜“流失”了,所以也就基本就沒(méi)有反射光了,顯示出灰黑色。這時(shí)候,肥皂泡就離破裂不遠(yuǎn)了。

所以,當(dāng)你看到泡泡上出現(xiàn)鮮艷的金色、藍(lán)色相間的條紋時(shí),你就知道它快要撐不住了。如果你想在泡泡里吹更多的泡泡,那最好選擇從淺紅、淺綠的地方戳進(jìn)去,因?yàn)橹挥心抢锏呐菖荼∧げ疟容^厚,經(jīng)得住戳。

薄膜干涉的現(xiàn)象,不僅僅只出現(xiàn)在肥皂泡上。任何厚度與可見(jiàn)光波長(zhǎng)差不多的透明薄膜,在合適條件下都會(huì)產(chǎn)生這種薄膜干涉。例如,水塘上的油污膜也會(huì)呈現(xiàn)彩虹色;相機(jī)鏡頭、防藍(lán)光眼鏡鏡片、被火燒過(guò)的刀片表面,也都會(huì)顯示出特殊的色彩。這些色彩的背后,其實(shí)都是薄膜干涉的效果。

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