Інтерференція в домашніх умовах. Плівки і антиплівки

У шкільній геометричній оптиці вважається, що світло поширюється прямими променями. Оптика хвильова уточнює: світло — це хвилі (електромагнітного поля). Хвилі можуть завертати за перешкоду і взагалі, буває, поводяться незвично. Ми починаємо цикл нотаток, в якому зібрані нескладні досліди, що демонструють хвильові властивості світла.

Фото 1

Спочатку розповімо трохи про механізм, що стоїть за подальшими дослідами. Біле світло сонця або лампи розжарювання складається з багатьох чистих відтінків, кожному з яких відповідає певна довжина хвилі світла (менше тисячної частки міліметра). Нехай у предмета є відбиваючі частини на маленькій відстані один від одного. Тоді світлова хвиля, що впала на нього, відіб’ється в декількох місцях. Відбиті хвилі можуть посилити один одного, а можуть і погасити, якщо гребінь однієї хвилі припаде на западину інший. Таке накладення хвиль називається інтерференцією — від англ. interference, втручання. Буває навіть так: кожне з джерел світла висвітлює ділянку паперу, але якщо вони посвітлять разом, шматочок опиниться в темряві!

Чи підсилять відбиті хвилі один одного або погасять, залежить від довжини хвилі (відтінку), від напрямків впав і відбитого світла, від відстані між відбиваючими ділянками. Тому відбитий відтінок змінюється від місця до місця і від напрямку погляду. Тепер можна і перейти до дослідів.

Фото 2

Перший приклад — райдужні мильні плівки (фото 1, 2). Кольорові вони через додавання хвиль, відображених лицьовою і тильною поверхнями плівки. Це показано праворуч на схемі невеликої ділянки плівки (вона виділена на фото 1 чорточкою). На схемі світло падає зліва, але в нижній товстій частині горби відображених зелених хвиль виявляються поруч, а у синіх — чергуються. Зелене світло в результаті відбивається, а синій — ні. Вище, де плівка тонша, відбиті хвилі зсуваються один відносно одного, і все виходить навпаки: синій колір відображається, а зелений — ні.

Фото 3

Ще один приклад — тонка обертова поліетиленова плівка, яку використовують у магазинах. На жаль, її кольори добре видно тільки в світлі дешевих енергозберігаючих ламп *. Подивіться на фото 3 — так виглядає блік від лампи на плівці, натягнутої на темну кухоль. Але отримується різноманіття чистих і насичених кольорів складно передати на фотографії; зробіть досвід самі!

Бувають і «антиплівки» — тонкі порожнини в чомусь прозорому. Там інтерферують промені світла, відбиті двома «паралельними» стінками порожнини, але механізм по суті той же, що у пленок.

Фото 4

Давайте навчимося робити антиплівки. Заморозьте літр води. Найскладніше — отримати прозорий лід. Для цього краще використовувати чисту воду і заморожувати великий у висоту обсяг. Взимку і навесні можна взяти товсту бурульку. Стукніть по льодишку тильною стороною ложки. Незабаром ви навчитеся так відміряти силу удару, щоб лід не розколювався на частини, але з’являлася тріщина глибиною з сантиметр, що йде всередину льоду. Вона може бути непомітна, тому після удару поверніть ледишку, намагаючись зловити блік на тріщині (фото 4). Пам’ятайте, що лід швидко тане і тріщини в ньому недовговічні: вони поступово заповнюються водою.

Фото 5

Кольори на плівках і антиплівках йдуть в одному і тому ж порядку: від найтоншого місця до товстого з’являються білий, помаранчевий, фіолетовий, синій, салатовий, знову помаранчевий, і незабаром все сходиться до чергування фіолетового і зеленого. Ця послідовність виходить досить просто. Якщо ми подивимося на плівку крізь червоні окуляри (або залишимо в графічному редакторі тільки червону частину фотографії плівки), ми побачимо просто паралельні червоні смуги (див. фото 5). Такі ж смуги, тільки трохи ближче, дає зелений колір, і ще поуже — синій. Так плівку «бачать» клітини ока: серед них є чутливі до червоних відтінків, є — до зелених, є — до синіх. Складаючи ці три ряди смуг, ми отримаємо вже знайомі кольори мильної плівки. Кольори антиплівок виходять аналогічно (фото 6).

Фото 6

Є ще пара цікавих зауважень. По-перше, на фото 5 і 6 видно, що в більш товстому місці плівки кольору змішуються і втрачають контраст. На оберточних плівках, які до тонкого шару розтягнути складно, доходить до того, що в сонячному світлі їх кольори взагалі не помітні. А ось у світлі багатьох енергозберігаючих ламп розмальовка плівок і антиплінок залишається контрастною навіть при великій товщині, чим ми і користувалися, роздивляючись обірковий поліетилен.

Фото 7

Пояснимо коротко, в чому причина втрати контрасту. Якщо висвітлити плівку чистим червоним кольором, смуги вийде чіткі, а не розмиваються в товстій частині, як це було внизу на фото 5. Багато енергозберігаючих і люмінесцентних лампів світять кількома чистими кольорами, і тому створювані ними смуги на плівці майже не розмиті, візерунок виходить контрастним. А ось сонце і лампи розжарювання світять сумішшю всіх видимих кольорів. У результаті «червоні» клітини відчувають світло від безлічі різних відтінків, кожен з яких створює смуги своєї ширини. Чим товще плівка, тим більша набирається неузгодженість між окремими червоними відтінками, і смуги розмиваються. Те ж саме відбувається з зеленими і синіми смугами, і в результаті товста плівка дає просто білий блік: все змішалося.

Друге зауваження стосується антиплівок. Якщо їх розташувати майже вздовж лінії погляду, то вони будуть виглядати дзеркальними (про таке явище ми писали в статті «Рідке дзеркало», «Квантік» № 8 за 2013 рік) і будуть нагадувати шматочки фольги всередині льоду (фото 7).

^* Як зрозуміти, чи годиться лампа? Подивіться на її відображення в компакт-диску. Якщо видно суцільні райдужні смуги, як на лівому фото, лампа не годиться: кольорові відображення повинні бути окремими, кожне свого кольору, як на правому фото.

Художник Ольга Демидова