Почему мыльные пузыри имеют радужную окраску кратко

Обновлено: 04.07.2024

Мыльный пузырь – пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью. Пленка этой сферы состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул поверхностно активного вещества, чаще всего мыла. Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза при добавлении мыла.
Сначала пленка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщенной и верхней утонченной пленки появляется радужная окраска.
А еще – пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при минус 7°C. Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Она обнаруживает пластичность – это следствие малости ее толщины.
Попробуй выдувать пузыри зимой на улице – это очень интересно!

Пузырь из воды нестабилен и быстро лопается. Другое дело, если в воде растворить немного поверхностно-активного вещества (ПАВ), например мыла. Молекулы ПАВов имеют две стороны: одна отталкивает воду (гидрофобная), другая к ней притягивается (гидрофильная). Когда мы намыливаем руки, молекулы грязи цепляются к гидрофобному концу, а гидрофильная сторона прикрепляется к воде и увлекает за собой молекулы мыла вместе с частичками грязи. Но как получаются пузыри?

В толще воды молекулы притягиваются друг к другу и распределяются равномерно. На поверхности всё по-другому. Там молекулы тесно взаимодействуют с соседями внутри жидкости, но очень слабо — с молекулами воздуха. Иными словами, они притягиваются соседями снизу и сбоку, а сверху — нет. Поэтому поверхность ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.

Мыльные пузыри могут принимать форму объекта с минимальной площадью поверхности. Эту особенность используют для изучения растяжимых структур, применяемых при строительстве сверхлёгких крыш, мостов и каркаса кораблей. Что это даёт? Минимальные затраты строительных материалов при достаточной устойчивости. Так, немецкий архитектор Фрай Отто, вдохновлённый мыльными пузырями, использовал мембранные поверхности при строительстве олимпийского стадиона в Мюнхене в 1972 году.

А как устроена мыльная пена?

Структуры пены подробно описал бельгийский физик Жозеф Плато в 1873 году. Он экспериментально выявил закономерность: каждый пузырь стремится уменьшить площадь поверхности, поэтому пузырьки объединяются, чтобы разделить общую стенку (три стенки вместо шести), а угол между ними всегда равен 120 градусам. Границы соприкосновения мыльных пузырей позже были названы границей Плато — в честь учёного.

Мыльные пузыри имеют радужную окраску. Причину этого явления объяснил ещё Исаак Ньютон в начале XVIII века: дело в интерференции — наложении световых волн. Когда свет падает на поверхность пузыря, часть волн отражается от внешней стороны мыльной плёнки, а другая проходит через неё, преломляется и отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с отражёнными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда совпадают. Если совпадают, то волны усиливают друг друга, если нет — ослабляют. Толщина плёнки неодинаковая, поэтому отразившиеся от неё лучи имеют разную длину волны. В результате мы видим радужные разводы на пузыре.

Интерференция световых волн, отражённых от верхней и нижней поверхности плёнки: белый свет распадается на лучи разного цвета

Под действием силы тяжести вода на плёнке стекает вниз, образуя характерные вихревые течения, в которых тоже видны причудливые цветовые пятна. Но незадолго до того, как лопнуть, мыльный пузырь теряет цвет, то есть становится прозрачным. Почему? Чем тоньше водяной слой, тем меньше сдвиг по фазе у отражённого луча и меньше меняется цвет в результате интерференции. Значит, входной белый свет отражается без изменений. Толщина стенки пузыря равна примерно 25 нанометрам, но перед исчезновением она истончается до 10 нанометров (в 1000 раз тоньше человеческого волоса).

Создание мыльных пузырей в космосе — занятие не только увлекательное, но и полезное. Астронавт NASA Дон Петтит выдувал их на борту Международной космической станции.

Он использовал шипучие таблетки и смоченную в воде проволоку. Таблетка растворялась в воде на поверхности проволоки, выделяя углекислый газ. Газ раздувал плёнку воды, образуя пузырь, который из-за отсутствия силы тяжести увеличивался в объёме, но не лопался. Уменьшить его можно было откачав содержимое с помощью шприца.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?

Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?

Калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны (на рисунке справа показаны в виде волн с чередующимися гребнями и впадинами).

Когда свет падает на поверхность, мыльного пузыря, часть световых волн сразу же отражается. Часть остальных проходит через стенку пузыря, преломляется в ней и затем отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с волнами, отраженными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда выстраиваются одинаково. Если гребни и впадины совпадают, волны усиливают друг друга. Если гребни и впадины не совпадают, волны ослабляют друг друга в явлении, называющемся интерференцией волн. В результате на мыльной пленке появляется радуга, поскольку переменная толщина пленки приводит к образованию интерференционных узоров и отражению света в виде лучей различного цвета с собственной длиной волны.

Спектр белого света

Когда белый свет проходит через призму (рисунок над текстом), происходит его разложение на семь основных цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Волны с меньшей длиной преломляются под большими углами, чем более длинные. Фиолетовые лучи, имеющие самую меньшую длину волны, отклоняются сильнее всего, в то время как красные, имеющие наибольшую длину волны, отклоняются слабее других.

Интерференция на нефтяной пленке

На нефтяной пленке появляются цветные узоры.

На тонкой нефтяной пленке цвета образуются в результате интерференции света в зависимости от толщины пленки и угла, под которым свет на нее падает (рисунок внизу). Черный цвет появляется там, где световые волны полностью гасят друг друга.

Интерференция в мыльном пузыре

Хотя верхняя часть мыльного пузыря имеет практически постоянную толщину, кривизна его поверхности вызывает интерференцию в каждой точке. Совпадающие гребни волн усиливают друг друга (левый рисунок); волны в противофазе (правый рисунок) друг друга гасят.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?

Как работает генератор переменного тока?

Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник,…

Как работает тепловая электростанция (ТЭЦ)?

У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес. Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива — угля, нефти и природного газа — для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий…

Почему в горах вода закипает быстрее?

Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного…

Ответ: Почему у мыльных пузырей радужная окраска?

Ответ:
Мыльные пузыри переливаюся всеми цветами радуги. Объяснение этого явления заключается в волновой природе света.
При попадании света на мыльный пузырь образование цветов во многом определяется толщиной мембраны пузыря. Она состоит из двух мыльных слоев, между которыми находится вода, а ее толщина может варьироваться от нескольких единиц до 1 тыс. нанометров. Часть света отражается от внешнего мыльного слоя, в то время как другая его часть, как в зеркале, отражается мыльным слоем с внутренней стороны пузыря.

Таким образом, отраженный свет проходит неодинаковое расстояние, достигая глаза. Ввиду этого небольшого различия две световые волны будут смещены относительно друг друга, и если вершина волны одного луча совпадает со спадом волны второго луча, происходит взаимное поглощение двух лучей. Это явление называется деструктивной интерференцией. При совмещении вершин двух волн лучи усиливают друг друга, и тогда имеет место конструктивная интерференция. Именно этим взаимодействием объясняется радужная окраска мыльных пузырей.

Конструктивная или деструктивная интерференции определяются не только толщиной мембраны, но и углом падения света на поверхность пузыря. Под одним углом зрения мыльный пузырь может казаться красным, но стоит нам чуть-чуть шевельнуться, как в результате конструктивной интерференции он изменит цвет на зеленый. В этом и заключается секрет переливания мыльных пузырей всеми цветами радуги.

Читайте также: