Цвета интерференции в масляных пятнах
На влажном после дождя темном асфальте дороги мы нередко видим пятна, состоящие из концентрических цветных кругов; диаметр пятен достигает иногда 50 см. В некоторые дни и на некоторых дорогах пятна могут оказаться очень красивыми, хотя, как правило, в большинстве своем — это неприглядные серо-синие пятна. Они, очевидно, связаны с каплями масла от проезжающих автомобилей. Каждая капля растекается очень тонким слоем, и сложение света, отраженного от верхней и от нижней поверхностей слоя, вызывает появление цветов интерференции, иными словами, знаменитых «колец Ньютона»,— тех же, что и в великолепных цветах мыльных пузырей. Их объяснение можно найти в обычном учебнике физики; я только хочу отметить, что здесь перед нашими глазами доказательство того, что свет — это волновое явление.
Цвета перечислены в следующей таблице (при переходе от внешней части пятна к его центру); толщина масляного слоя дана в микронах мк (1 мк = 0,001 мм).
Слои масла, таким образом, тоньше всего на краю и утолщаются к центру. Иногда они даже в центре не переходят за первую ступень цветовой шкалы. В других случаях слой настолько толст, что после цветов, отмеченных в нашей таблице, розовый и зеленый несколько раз сменяют друг друга, становятся постепенно все более тусклыми и превращаются в «белый цвет более высокого порядка», так что в середине кольца цвета уже не видны.
Измерьте диаметр пятна правильной формы в различных цветах, и затем вычертите в масштабе поперечный разрез масляного слоя. Повторив это спустя десять минут, вы увидите, что масляная «горка» стала более плоской. Проследите, как меняется со временем какой-либо определенный цвет: вы увидите, что кольцо сначала расширяется, а затем сжимается. Почему? В конце концов вы увидите серое пятно, происхождение которого навсегда осталось бы тайной, если бы оно не образовалось у вас на глазах! Лучше всего наблюдать за отдельным пятном и подмечать все его изменения. Для этого не требуется особенно много терпения, вероятно, не больше чем на полчаса. Охраняйте пятно от велосипедистов и пешеходов!" Если вам повезет, оно достигнет конца своей жизни прежде, чем по нему проедет автомобиль.
Посмотрите на масляное пятно сбоку; цвета сместятся, как если бы слой стал толще. Если посмотреть под еще большим углом, цветные кольца покажутся сжавшимися, так что в каждой точке первоначальная окраска сменится окраской более толстого кольца. Попытайтесь объяснить это, рассчитав разность фаз для двух интерферирующих лучей.
Мальчик тронул пятно пальцем; цвета стали меняться, но неожиданно быстро восстановили свое положение; количество масла несколько уменьшилось, и кольца чуть-чуть сошлись.
Иногда мы видим двойные пятна правильной формы, по-видимому, связанные друг с другом. В этом нет ничего удивительного — это обычное пятно, по которому проехало колесо автомобиля.
Мы и сами можем воспроизвести эти красочные кольца. Капля керосина или капля скипидара на поверхности водоема создает удивительно красивые цвета. Но если вы для этого опыта попытаетесь использовать масло, вас ждет неожиданность. Масло не растечется по поверхности жидкости, и мы ничего не увидим. Однако то же самое, что на поверхности воды, должно происходить и на мокрой дороге. Может быть, пятна на дороге вызваны бензином, а не маслом? Снова нас ждет разочарование: бензин вызывает только серо-белые пятна (слой его, по-видимому, чрезвычайно тонок), не порождающие ничего похожего на великолепные цветные кольца. Тщательное исследование показало, что лишь использованное масло, выброшенное из машины, способно растекаться по мокрой поверхности. Чем более окислено масло, тем тоньше образующийся слой.
У большей части масляных пятен видны радиальные полоски. Каждое цветное кольцо, как и наружное бело-серое, отделено от следующего «бахромой». У пятна из чистого бензина на мокрой дороге образуются со всех сторон заливы и выступы, обусловливающие, как мы ожидаем, радиальные полосы и бахрому. Это же явление часто можно наблюдать в цветных пленках, плавающих на поверхности грязной воды. Возможно, что здесь действуют сложные молекулярные силы.
Цвета интерференции возникают всюду, где образуются тонкие пленки; например, в тонких слоях нефти или керосина, плавающих на поверхности воды; линии одинакового цвета суть линии постоянной толщины, и их искажения говорят нам о всех токах и вихрях в жидкости. Если на воде случайно окажется слой масла и в это время к берегу подует ветер, мы сможем наблюдать прекрасную интерференцию цветов. Цвета будут распределены параллельными полосами. Это доказывает, что слой к берегу постепенно становится толще. Интересно наблюдать за тем, как рябь на воде постепенно уменьшается, как только к ней приближается масляный слой, и совсем исчезает даже прежде, чем вода начинает покрываться серой пеленой.
Следовательно, уже слой тоньше, чем 0,08 мк, достаточен, чтобы рябь на водной поверхности исчезла.