Мыльные пузыри переливаются разными цветами из-за интерференции света в тонкой плёнке. Часть света отражается от наружной поверхности пузыря, а другая часть проходит внутрь плёнки и отражается от её внутренней поверхности. Эти волны снова встречаются и в зависимости от толщины плёнки усиливают одни цвета белого света и ослабляют другие.
Из чего состоит оболочка пузыря
Оболочка мыльного пузыря представляет собой очень тонкий слой воды, зажатый между двумя слоями молекул моющего вещества. Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды и делает плёнку достаточно устойчивой, чтобы она могла растянуться вокруг воздуха. Сам процесс описан в статье о том, как получаются мыльные пузыри.
Толщина плёнки намного меньше диаметра пузыря и постоянно меняется. Вода медленно стекает вниз под действием силы тяжести, перемещается по поверхности и испаряется. Поэтому разные участки оболочки имеют неодинаковую толщину.
Раствор обычно почти бесцветный. Радужные полосы возникают не из-за красителей в мыле, а благодаря тому, как тонкая прозрачная плёнка взаимодействует со светом.
Как два отражения создают цвет
Белый свет состоит из волн разной длины, которые человек воспринимает как разные цвета. Когда такой свет падает на пузырь, часть волны сразу отражается от внешней границы между воздухом и мыльной плёнкой.
Другая часть проходит через плёнку, отражается от её внутренней границы и выходит наружу. Второй луч проходит немного больший путь, поэтому его волна может вернуться со сдвигом относительно первой.
Если гребни двух волн определённого цвета совпадают, они усиливают друг друга. Такое сложение называют конструктивной интерференцией. Если гребень одной волны совпадает с впадиной другой, отражение ослабевает. Это разрушительная интерференция.
В одном участке плёнки сильнее отражается, например, зелёный свет, а красный и синий ослабляются. В соседнем участке другая толщина создаёт условия уже для фиолетового, жёлтого или красного цвета. Так на поверхности появляются переливающиеся полосы и пятна.
Почему цвета постоянно движутся
Вода в оболочке пузыря не остаётся неподвижной. Она стекает вниз, а тонкие участки плёнки перемещаются и соединяются друг с другом. Из-за этого толщина в каждой точке постепенно меняется.
Условия интерференции тоже изменяются. Полоса, которая отражала синий свет, через несколько секунд может стать зелёной, красной или почти бесцветной. Движение узоров позволяет физикам использовать цветные полосы для оценки толщины мыльных плёнок.
Нижняя часть пузыря обычно толще, поскольку там скапливается больше жидкости. Верхняя постепенно истончается. Однако узоры не всегда образуют ровные горизонтальные полосы: потоки, испарение, движение воздуха и неодинаковая температура создают завихрения и пятна сложной формы.
Почему цвет зависит от угла зрения
Один и тот же участок пузыря может выглядеть по-разному, если наблюдатель меняет положение. При наклонном падении и отражении свет проходит внутри плёнки другой путь. Условие усиления смещается к другой длине волны, и видимый цвет меняется.
Поэтому пузырь переливается, когда летит, вращается или слегка колеблется. Одновременно меняется угол между источником света, поверхностью пузыря и глазами наблюдателя.
Этим мыльная плёнка отличается от окрашенного предмета. Пигмент обычно сохраняет основной цвет при небольшом изменении положения, а структурная окраска сильно зависит от геометрии освещения.
Это такая же радуга, как после дождя?
Цвета похожи, но физический механизм другой. Обычная радуга возникает главным образом из-за преломления, внутреннего отражения и разделения света в каплях воды.
В мыльном пузыре цвета создаёт интерференция отражений от двух близко расположенных поверхностей. Белый свет не просто раскладывается в постоянном порядке, как в спектре. Разные длины волн выборочно усиливаются в зависимости от толщины плёнки и угла наблюдения.
Если осветить пузырь светом только одного цвета, радужных переливов не будет. Вместо них появятся более светлые и тёмные участки этого цвета.
Почему перед разрушением пузырь может почернеть
По мере стекания и испарения воды верхняя часть плёнки становится всё тоньше. Когда её толщина оказывается намного меньше длин волн видимого света, отражения от двух поверхностей почти полностью гасят друг друга.
Такой участок выглядит тёмным или чёрным, хотя сама плёнка ещё существует. Появление тёмной области возле верхушки часто означает, что пузырь сильно истончился и скоро может лопнуть.
Мыльная оболочка удерживается благодаря поверхностным свойствам воды, которые связаны с тем же явлением, из-за которого свободные капли стремятся принять округлую форму. Это упоминается в материале о поверхностном натяжении воды.
---
Цвета мыльного пузыря не нанесены на него краской. Они возникают, когда световые волны, отражённые от двух сторон тонкой плёнки, складываются или гасят друг друга. Поскольку толщина оболочки и угол наблюдения постоянно меняются, радужные узоры движутся и переливаются до самого разрушения пузыря.
