Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги

Физический механизм интерференции в пленке

Стенка мыльного пузыря представляет собой трехслойный бутерброд толщиной от нескольких десятков нанометров до пары микрометров. Внутри находится слой воды, а с обеих сторон его удерживают молекулы мыла или поверхностно-активных веществ. Когда белый солнечный луч падает на такую преграду, происходят два последовательных отражения.

Первая часть светового луча отражается сразу от внешней границы раздела сред воздух — мыло. Вторая часть проходит сквозь толщу мыльного раствора, доходит до внутренней границы мыло — воздух и отражается уже от нее. В итоге в глаз наблюдателя возвращаются две световые волны от одного первоначального источника, идущие практически по одной траектории.

Вторая волна проходит дополнительное расстояние внутри стенки пузыря, задерживаясь по времени относительно первой. В оптике эту задержку называют разностью хода. Кроме геометрического пути учитывается скачок фазы. При отражении от оптически более плотной среды, то есть на внешней границе пленки, фаза волны скачкообразно меняется на противоположную, что равносильно потере половины длины волны. На внутренней границе такого скачка нет, так как свет пытается выйти обратно в воздух.

Если две отраженные волны сходятся в одинаковой фазе, их гребни суммируются, свет усиливается. Если же гребень первой волны совпадает со впадиной второй, волны гасят друг друга. Белый свет состоит из волн разной длины, от фиолетовой с длиной около 400 нанометров до красной с длиной около 700 нанометров. Для фиксированной толщины пленки условие максимума выполняется только для определенных длин волн, тогда как остальные подавляются.

Почему узоры двигаются и меняют цвет

Толщина оболочки пузыря никогда не бывает строго постоянной. Сила тяжести непрерывно тянет раствор вниз, заставляя жидкость перетекать к нижней точке сферы. Одновременно с этим вода испаряется в окружающий воздух, а потоки воздуха снаружи подталкивают мыльную пленку, создавая локальные микровихри.

В верхней части пузыря стенка истончается быстрее всего, а снизу накапливается тяжелая капля. Поскольку оптическая разность хода напрямую зависит от толщины слоя, спектральный состав усиленных волн непрерывно смещается. Где стенка толще, усиливаются длинные красные и желтые волны. По мере стекания раствора и уменьшения толщины усиливаются зеленые, синие и фиолетовые оттенки.

Феномен черной пленки Ньютона

Если мыльный пузырь защищен от резких потоков воздуха банкой или колпаком, можно заметить странную вещь перед самым его разрушением. Самая верхняя точка пузыря внезапно перестает отражать радужные блики, превращаясь в абсолютно прозрачное или темное пятно.

Это состояние называют пленкой Ньютона. Толщина стенки в этом месте падает ниже 10–20 нанометров, становясь многократно меньше длины любой световой волны видимого диапазона. Геометрическая задержка луча внутри пленки падает практически до нуля.

Единственным различием между двумя отраженными волнами остается сдвиг фазы на половине длины волны, возникший на внешней границе. В результате гребень волны от внутренней границы точно накладывается на впадину волны от внешней границы для всех видимых цветов одновременно. Происходит взаимное погашение всего видимого света, пленка ничего не отражает и выглядит черной дырой прямо перед разрывом.

Наблюдение явления в домашних условиях

Чтобы исследовать интерференционные полосы без спешки, стандартный мыльный раствор делают более долговечным с помощью простых добавок.

• Используйте дистиллированную воду, поскольку минеральные соли из-под крана снижают прочность поверхностной пленки.
• Добавьте средство для мытья посуды без абразивных частиц и кремовых примесей в пропорции примерно одна часть средства на шесть частей воды.
• Влейте аптечный глицерин объемом около двадцати процентов от общего раствора, так как он сильно замедляет испарение воды и увеличивает вязкость жидкости.
• Согните из тонкой проволоки прямоугольную рамку с ручкой и опустите ее в приготовленный раствор, чтобы получить плоскую вертикальную пленку.

Если держать такую рамку вертикально перед белым экраном или окном, гравитация начнет тянуть жидкость вниз. На пленке четко образуются горизонтальные цветные полосы равной толщины. Сверху вниз будут чередоваться фиолетовые, голубые, зеленые и красные полосы, а у самого верхнего края постепенно образуется темная пленка Ньютона, после чего произойдет схлопывание.