Schwarze Flecken in einem Seifenregenbogen

Schwarze Flecken in einem Seifenregenbogen

Jacob Geguzin
"Wissenschaft und Leben" №10, 2017

Wenn sie an Seifenblasen denken, sprechen sie unweigerlich von ihrer Farbe oder genauer von ihren Farben, genauer von ihren Farben. Hier ist S. Ya. Marshak in seinen Gedichten erfreut über die Färbung der Blase:

Brennen wie ein Pfauschwanz,
Welche Farben hat es nicht!
Flieder, rot, blau,
Grüne, gelbe Farbe.

Und ein bisschen weiter:

Lichter im Freien
Spielt einen hellen Ball.
Das darin wird das Meer blau,
Das Feuer brennt darin.

Zur Freude von Marshak, vielleicht, jeder von uns kann unser eigenes hinzufügen, wenn nicht durch Poesie, sondern durch Prosa ausgedrückt.

Was ist der Grund für das Auftreten von Farbblasen?

Zunächst kurz über die Geschichte des Problems. Physik des XVIII Jahrhunderts gab dem XIX Jahrhundert die ererbten widersprüchlichen Ideen über die Natur des Lichtes. Newtons Ideen über das "korpuskulare" Licht – der Fluss hypothetischer Teilchen – die Korpuskeln – stiegen auf. Newton glaubte, daß die Teilchen, auf die Netzhaut des Auges fallend, das Lichtempfinden erregen: kleine Korpuskeln erzeugen den Eindruck von violetter Farbe und Korpuskeln mehr – rot. Diese Konzepte, die einige der Muster der Lichtausbreitung erklärten, hinterließen ohne Erklärung viele Phänomene, unter denen die Interferenz des Lichts war.

Die Ideen über die Wellennatur des Lichts stiegen auf Grimaldi, Hooke und Huygens. Der italienische Physiker Francesco Grimaldi, Newtons jüngster Zeitgenosse, verglich die Ausbreitung von Licht mit der Ausbreitung von Wellen auf Wasser.

Wir erinnerten uns an die Wende zwischen dem 18. und 19. Jahrhundert, gerade weil einer der größten Physiker, Thomas Jung, zu dieser Zeit lebte, der seine Forschung auf Wellenideen über Licht gründete und insbesondere alle Arten von Störungen erklärte. Und der Begriff "Interferenz" selbst führte Jung erstmals in die Wissenschaft ein.

Er war ein Mann von beispielloser vielseitiger Begabung und einem großen Kreis von kreativen Interessen. Aber vielleicht sind seine wichtigsten Errungenschaften die Entwicklung von Ideen über die Wellennatur des Lichts und insbesondere über die Natur des Interferenzphänomens, über die Farben von dünnen Filmen. Der französische Physiker Domenic Arago schrieb über Thomas Jung: "Die wertvollste Entdeckung von Dr. Jung, der dazu bestimmt war, seinen Namen für immer zu verewigen, war inspiriert von dem Thema, wie es scheint, sehr unbedeutend: zu einem Spielzeug der subtilsten Luftbewegungen werden. "

Farbflecken auf dem Seifenfilm. Foto: Klanneke / de.depositphotos.com

Wir wenden uns der Poesie, der Freude und der Geschichte zu und wenden uns der Physik zu, sprechen wir über die "Blasenoptik". Der Leser weiß, dass die Ausbreitung von Licht ein Wellenprozess ist und dass eine sich ausbreitende monochromatische Welle eine bestimmte Wellenlänge λ hat0. Es ist auch bekannt, dass der Lichtstrahl von der Grenzfläche zweier Medien reflektiert wird, und durch diese Grenze hindurch bricht. Und es ist auch bekannt, dass die sogenannte weiße Farbe eine Mischung aus mehrfarbigen einfarbigen Strahlen ist – von Rot bis Violett. Die Wellenlänge des roten Strahls ist größer als das Violett. Und schließlich ist bekannt, dass während des Übergangs von einem Hohlraum zu einer Filmsubstanz die Wellenlänge λ0 ändert sich, wird gleich λin der. Größe n = λ0 / λin der der Brechungsindex genannt.

Jetzt direkt in einem Winkel ich auf der Oberfläche einer dünnen Filmdicke h monochromatisches Licht, dessen Wellenlänge λ0. Was passiert ist, ist, dass ein Lichtstrahl teilweise von der Oberfläche des Films reflektiert wird, und teilweise durch Brechung in einem Winkel rwird in seinem Volumen enthalten sein. Auf der Unterseite des Films wird das Gleiche passieren: Refraktion und Reflexion. Der reflektierte Strahl kehrt zur oberen Oberfläche zurück,wird reflektiert und gebrochen, und ein Teil davon wird aus dem Film kommen, wo er sich mit einem der Strahlen des einfallenden primären Strahls treffen wird. Es wird an dem Punkt passieren Mit. Dieser Punkt interessiert uns grundsätzlich.

An dem Punkt Mit es gibt zwei Strahlen, die aus derselben Quelle stammen, aber verschiedene Wege durchlaufen haben. Über solche Strahlen sagen sie "kohärent". Ihre Besonderheit ist, dass die Phasendifferenz ihrer Schwingungen unverändert bleibt. Die Art der Wechselwirkung dieser Strahlen an dem Punkt C bestimmt durch den Unterschied der Wege, die sie zurücklegten, bevor sie an diesem Punkt ankamen. Diese Wegdifferenz wird optische Wegdifferenz Δ genannt. Von einer sehr einfachen Berechnung und Definition n = Sünde ich / Sünde r Daraus folgt

∆ = 2hn cos r.

Wir kommen zu der bedeutendsten Leistung von Thomas Jung. Er machte darauf aufmerksam, dass wenn die Bedingung Δ = kλ0 / 2 (k – integer) kann zwei signifikant unterschiedliche Auswirkungen haben: if k – eine gerade Zahl, die Wellen werden sich gegenseitig verstärken, und wenn sie sich abschwächen, genauer gesagt, löschen sie sich gegenseitig aus.

Die Kraft der Hauptidee des Jung-Interferenzmechanismus ist auffallend, was ganz natürlich die überraschende experimentelle Tatsache erklärt: das Licht, das mit dem Licht komponiert,schafft Dunkelheit! Für einen anderen Leser mag es scheinen, dass in dem erhaltenen Ergebnis etwas ungünstig ist, da das Auftreten von Dunkelheit das Verschwinden von Energie bedeutet, und das sollte nicht passieren. In der Tat bedeutet das nicht, da die Energie im Prozess der Interferenz nicht verschwindet, wird sie neu verteilt, wo sich die beiden Strahlen gegenseitig verstärken.

Basierend auf der Formel für Δ können wir vieles verstehen, was wir die "Blasenoptik" nennen. In der Formel für einen gegebenen Wert n band die Wellenlänge von Licht λ zusammen0Filmdicke h und Winkel rund daher der Einfallswinkel des Strahls auf den Film ich. Angenommen, ein Strahl weißen Lichts fällt auf die Oberfläche einer Blase, die von einem Film konstanter Dicke gebildet wird, und der Strahl trifft auf verschiedene Teile der Oberfläche einer Blase in verschiedenen Winkeln. Dies bedeutet, dass die Bedingungen, unter denen der reflektierte Strahl verstärkt wird, Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erhalten und verschiedene Teile der Blase mit verschiedenen Farben des Regenbogens leuchten: lila, rot, blau, grün, gelb. Dies kann aus einem anderen Grund geschehen: verschiedene Teile des Luftpolsterfilms ändern ihre Dicke im Laufe der Zeit (jetzt ändert sie sich h), und genau deshalb "wird das Meer darin blau, dann brennt ein Feuer darin".Wenn Sie auf die Seifenblase schauen, können Sie den Flüssigkeitsfluss deutlich sehen und seine Farbe ändern.

Nach einer Vielzahl von Vorgängern, und wir können Erfahrungen über die Interferenz in Seifenfilmen unter Bedingungen machen, die denen nah sind, in denen es verschiedene Teile der Filmblase gibt. Tatsache ist, dass es in einer Seifenblase immer Bereiche gibt, in denen sich die Flüssigkeit unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten bewegt und folglich die Dicke des Films verändert und sich damit seine Färbung ändert.

Diese Erfahrung. Flachfolie auf dem Rahmen ist vertikal angeordnet. Im Laufe der Zeit nimmt es die Form eines Keils an: oben dünner, unten dicker. Seine Farbe ist gebändert, mehrfarbig und ändert sich mit der Zeit. Es scheint mit Flüssigkeitsströmen zu schwimmen.

Um die Geschichte über die Optik einer Seifenblase zu beenden, ist es notwendig, über schwarze Streifen und Punkte in der Färbung einer Blase zu sagen. Sie sind besonders deutlich sichtbar, wenn die Blase nur noch wenige Augenblicke zu leben hat.

Schema, das das Auftreten von schwarzen Flecken im Farbdünnfilm erklärt

Lassen Sie uns versuchen, die physikalische Ursache des Auftretens von schwarzen Flecken zu verstehen, indem wir daran erinnern, dass wir bei der Diskussion des optischen Pfadunterschieds in einem dünnen Δ-Film über ein Detail in der Wechselwirkung von Licht mit dem Film geschwiegen haben. Dieses Detail ist nicht sehr wichtig, wenn der Film dick ist (h ≥ λ0), und erlaubt keine Selbstvernachlässigung, wenn der Film dünn ist (h << λ0). Tatsache ist, dass, wie sich herausstellt, die Reflexion des Strahls von den Grenzen des Luftfilms und der Filmluft derart erfolgt, dass sich der optische Wegunterschied abrupt um die halbe Wellenlänge ändert. In dem entsprechenden Abschnitt der theoretischen Optik wird dieser Umstand mathematisch rigoros bewiesen. Es gibt jedoch sehr einfache Argumente des englischen Physikers George Stokes, die dieses Phänomen deutlich erklären. Wir geben seine Argumentation. Wenn die Ausbreitungsrichtung des von der Luft-Film-Grenze reflektierten Strahls (Bd) und der darin gebrochene Strahl (Die Sonne), um zu zeichnen, müssen sie einen Strahl bilden (VA), gleich in der Intensität und entgegengesetzt zum Primärstrahl (AB). Diese Aussage ist wahr, sie spiegelt einfach das Gesetz der Erhaltung der Energie wider. Konvertierte Strahlen NE und DBim Allgemeinen könnten sie einen Strahl bilden (BE). Er ist jedoch abwesend, es ist eine experimentelle Tatsache. Folglich in seiner Kreation die Strahlen NE und DB tragen zu der Form der Strahlen bei, die in der Intensität gleich sind, aber um die halbe Wellenlänge gegeneinander versetzt sind und sich daher gegenseitig auslöschen.Wenn wir hinzufügen, dass einer dieser Strahlen eine Reflexion von der Luft-Film-Grenze und die andere von der Film-Luft-Grenze erfährt, dann wird klar, dass ein zusätzlicher Sprung auftritt: Δ = λ0 / 2 nach Reflexion von den Grenzen zwischen Luft und Film.

Wir kehren jetzt zu den schwarzen Flecken und Streifen zurück. Wenn die Filmdicke so klein ist, dass die optische Wegdifferenz, die ohne Berücksichtigung des Verlusts der Halbwelle berechnet wird, wenn sie von der Luftfilmgrenze reflektiert wird, im Vergleich zu der Wellenlänge klein ist, wird die Interferenz nur durch die Tatsache bestimmt, dass die Strahlen um die halbe Wellenlänge verschoben sind, d.h. werden sich gegenseitig auslöschen. Und das bedeutet, dass es einen schwarzen Farbfilm gibt.

Die ganze Logik der Geschichte über schwarze Flecken auf einer Seifenblase kann gedreht werden und behauptete das folgende. Schwarzfärbung von sehr dünnen Filmen ist eine Tatsache! Wenn folglich zwei Strahlen von den Luftfilmgrenzen und der Filmluft zwischen ihnen reflektiert werden, sollte eine zusätzliche optische Wegdifferenz gleich der halben Wellenlänge auftreten. Dies ist kein Weg von der Logik zum Experiment, sondern vom Experiment zur Logik. Beide Wege sind legitim und komplementär.

Wir lernten Ideen kennen, die heute fast selbstverständlich erscheinen, und zu Beginn des 19. Jahrhunderts, in der Zeit von Thomas Jung, gab es eine erstaunliche Offenbarung.Immerhin nur zu denken: Licht, das mit Licht komponiert, erzeugt Dunkelheit!

Ein Auszug aus dem Buch: Geguzin Ya. E. Bubbles. – Dolgoprudny: Verlag "Intellect", 2014.


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: