肥皂泡上的彩色斑紋是怎麼來的?
當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,一束光就變爲兩束相互干涉的反射光線。由於肥皂膜在各處的厚度並不均勻,陽光中的7種單色光,在肥皂膜厚度不同的地方,就會出現有的會加強,有的會減弱,有的甚至會相互抵消。就這樣,肥皂膜把陽光分解,呈現出五顏六色的圖案。
我們常常看到這樣的一些現象:肥皂泡在陽光下呈現出五彩斑斕的色彩,水面上的油膜表面呈現光鮮的彩色條紋。肥皂膜和油膜本身是無色的,爲何會呈現出如此美麗的顏色呢?其實,這是白光在透明薄膜的上、下表面反射並相互干涉的結果。
物理學家研究表明:光波像池塘裏的水波一樣,具有波動性。向池塘的水裏投兩顆石子,產生的漣漪相遇,相互干涉,形成了美麗的干涉花紋。如果仔細觀察,還會發現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,當兩束或多束頻率相同的光相遇時,也會產生相互干涉的現象。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)的光產生穩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,那麼此處就呈現紅色;如果此處僅有綠色光滿足相長干涉條件,那麼此處就只會呈現綠色。
肥皂膜是透明薄膜,而且有上、下兩個表面。當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,一束光就變爲兩束相互干涉的反射光線。太陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種單色組成的可見光,由於肥皂膜在各處的厚度並不均勻,根據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,就會出現有的會加強,有的會減弱,有的甚至會相互抵消。在色彩表現上,也會出現肥皂膜上有的地方紅一些,有些地方藍一些,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,呈現出五顏六色的圖案。另外,液體的流動會導致薄膜厚度發生細微的變化,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。
不僅僅肥皂泡會發生這樣的現象,任何透明薄膜只要有光線射入,都會產生這樣的現象。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,它們都會呈現出繽紛斑斕的色彩,其原理與肥皂泡呈現彩色的原理相同,這種顏色叫做薄膜色。這種現象稱爲光的干涉。
我們吹肥皂泡時,還會發現一個非常有趣的現象,剛開始吹時,色彩並沒有那麼絢麗:隨着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。這又是怎麼回事呢?
原來,並不是所有厚度的透明膜都會發生光的干涉現象。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。當肥皂泡被吹得越來越大時,膜也會隨着越變越薄,當能滿足光的干涉條件時,纔會形成美麗的色彩和圖案。
薄膜的顏色與其厚度有關,按照這個道理,就產生了一些非常有趣的應用。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準的表面相接,然後放在光線下照射,仔細觀察兩個表面間的空氣薄膜所產生的彩色斑紋。如果彩色斑紋發生畸形變化,就說明被測的表面有缺陷。然後再根據斑紋的畸變、彎曲的形狀和不規則的程度,來確定被測表面的缺陷所在位置和缺陷程度。
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