Мыльный пузырь почти бесцветен, но на его поверхности появляются яркие фиолетовые, зелёные, жёлтые и красные полосы. Эти цвета не добавлены в раствор и не возникают из-за пигмента. Их создаёт тонкая плёнка воды с мылом, которая заставляет отражённые световые волны усиливать или ослаблять друг друга.
Почему прозрачная плёнка вообще даёт цвет
Белый свет состоит из волн разных длин. Когда он падает на мыльную плёнку, часть света отражается от её внешней поверхности, а часть проходит внутрь, отражается от второй границы и выходит обратно.
В итоге к глазу приходят два почти одинаковых световых сигнала, но один из них прошёл немного больший путь. Эта небольшая разница и становится причиной интерференции.
Что такое интерференция
Свет ведёт себя как волна. Если две волны совпадают по фазе, их гребни складываются, и определённый цвет становится ярче. Если гребень одной волны совпадает со впадиной другой, они частично гасят друг друга.
Поскольку длины волн у красного, зелёного и синего света разные, одна и та же толщина плёнки усиливает одни цвета и ослабляет другие. Так на поверхности и появляются радужные участки.
Почему цвета постоянно двигаются
Толщина мыльной плёнки не остаётся одинаковой. Жидкость постепенно стекает вниз под действием силы тяжести, а часть воды испаряется.
Плёнка в разных местах становится то толще, то тоньше, поэтому условия интерференции меняются. Из-за этого цветные полосы перемещаются и перестраиваются буквально на глазах.
Почему верх пузыря часто темнеет
Перед тем как пузырь лопнет, его верхняя часть может стать почти чёрной. Это происходит, когда плёнка становится настолько тонкой, что отражённые волны видимого света в значительной степени гасят друг друга.
Чёрный участок — полезный признак очень тонкой плёнки, а не отсутствия освещения.
При чём здесь угол наблюдения
Цвет зависит не только от толщины плёнки, но и от угла, под которым свет падает на неё и отражается к наблюдателю.
Поэтому один и тот же участок пузыря может выглядеть по-разному, если немного изменить положение головы или повернуть источник света.
Почему похожие разводы видны на бензине и масле
Тонкая плёнка масла на воде создаёт похожие радужные узоры по той же причине. Свет отражается от верхней и нижней границы тонкого слоя, а волны интерферируют.
Толщина и показатель преломления у масла отличаются от мыльной плёнки, поэтому рисунок и набор оттенков могут выглядеть иначе, но физический принцип тот же.
Почему мыло помогает пузырю жить дольше
Чистая вода обладает высоким поверхностным натяжением и быстро образует нестабильные тонкие плёнки. Молекулы поверхностно-активного вещества уменьшают поверхностное натяжение и стабилизируют границу между водой и воздухом.
Это позволяет сформировать достаточно прочную и тонкую плёнку, которая существует дольше и даёт время увидеть интерференционные цвета.
Почему пузырь круглый
Поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности жидкости. Для заданного объёма минимальную площадь имеет сфера.
Поэтому свободно плавающий пузырь стремится стать круглым, если его форму не искажают поток воздуха, контакт с поверхностью или соседние пузыри.
Можно ли по цвету определить толщину плёнки
В лабораторных условиях интерференционные цвета действительно позволяют судить о толщине тонкой плёнки. Но на обычном пузыре задача сложнее, потому что одновременно меняются толщина, угол падения света и направление наблюдения.
Тем не менее цветные полосы наглядно показывают, что толщина мыльной оболочки различается даже на расстоянии нескольких миллиметров.
Главный вывод
Радуга на мыльном пузыре — это не краска, а результат поведения света как волны. Лучи отражаются от двух границ тонкой плёнки, проходят разный путь и затем складываются или гасят друг друга.
Поскольку плёнка постоянно меняет толщину, меняются и длины волн, которые усиливаются. Поэтому почти прозрачный пузырь превращается в живую демонстрацию интерференции света.