Чому бензин на калюжах утворює райдужні плями?

Бензин не змішується з водою. Тому, потрапляючи, наприклад, в калюжу на дорозі, він розтікається по її поверхні і утворює найтоншу плівку. Ця плівка володіє чудовим фізичним властивістю – створювати ось такі райдужні картини.

Чому це відбувається?

Світлові промені, що потрапляють на бензинову плівку, поділяються: частина променя відбивається від поверхні бензинової плівки (межі повітря і бензину), а частина проходить через бензиновий шар, доходить до межі бензин-вода і відбивається вже від цієї межі (ще одна частина йде в глиб води, але для нашого питання ця складова значення не має).

В результаті виходять два відбитих променя, причому другий з них на шляху до нашого ока відстає від першого, тому що йому двічі довелося подолати товщину плівки. Ці два промені накладаються один на одного, в результаті чого в просторі відбувається перерозподіл їх енергії. Результуючі коливання при цьому або посилюються, або послаблюються. Посилення відбувається, якщо заломлена хвиля 2 (див. Рисунок) відстає від відбитої хвилі 1 на ціле число довжин хвиль. Якщо ж друга хвиля відстає від першої на половину довжини хвилі або непарне число півхвиль, то відбудеться послаблення світла.

Це явище називається у фізиці інтерференцією світла.

Луч червоного світла, що виходить з точки Y, складається з двох променів:
частини променя 1, що пройшла через плівку, і частини променя 2,
відображеної від зовнішньої поверхні.
Довжина шляху XOY кратна довжині хвилі падаючого на плівку світла,
тому обидва променя складаються в фазі і посилюються.

В цьому випадку сині промені при даній товщині плівки
складиваютсяв протифазі, тому що
відстань XOY не пропорційно довжині хвилі.
Результат – промені складаються в протифазі
і гасяться: синій колір не відбивається від плівки.

Для того щоб могло відбуватися явище інтерференції, два відбитих променя повинні бути синхронними, узгодженими, тобто їх довжини хвиль повинні бути однакові, а зрушення фази – постійним (фізики називають такі хвилі когерентними). Звичайні джерела світла не є когерентними, тому що вони складаються з великого числа атомних випромінювачів, що працюють незалежно один від одного і несогласованно.Волни ж, відбиті від зовнішньої і внутрішньої поверхонь тонкої плівки, є когерентними, тому що вони є частинами одного і того ж світлового пучка.

Якщо б промені світла мали одну довжини хвилі, тобто були б одноколірними (таке джерело світла називається монохроматичним), то інтерференційна картинка виглядала б як чергування світлих і темних смуг (відповідно, інтерференційних максимумів і мінімумів). Але сонячні промені – білі, в них присутні хвилі всього видимого спектру. Тому картина, яка виходить на бензинової плівці від сонячного світла – різнобарвна, райдужна.

Справа в тому, що різниця ходу променів, відбитих від плівки, залежить від її товщини. При певній товщині умова максимуму виконається для якоїсь довжини хвилі, і плівка в відбитому світлі придбає колір, відповідний цієї довжині хвилі. Якщо ж плівка має змінну товщину, а саме так воно є з бензинової плівкою на воді, то інтерференційні смуги набувають райдужну забарвлення, так як в різних ділянках плівки умова максимуму виконується для різних довжин хвиль.

Однак це не означає, що на плівці з рівномірною товщиною інтерференцію спостерігати неможливо: адже ефект інтерференції визначається не тільки товщиною плівки, а й іншими факторами, наприклад, кутом падіння світлового пучка, показником заломлення плівки.

Явище інтерференції світла можна спостерігати тільки в тонких плівках, товщина яких порівнянна з довжиною хвилі падаючого на них світла (але обов’язково більше неї). Адже світло – це сума випромінювань з різною довжиною хвилі. При проходженні через товсту плівку відмінності в проходженні променів будуть найрізноманітніші, і це позначається промені не будуть когерентними. Тобто, звичайно, якісь хвилі будуть у фазі, а якісь – в протифазі, але некогерентних хвиль буде набагато більше, і інтерференційна картина просто “розмаже”. Проте, в товстих плівках інтерференцію спостерігати можна – для цього джерело світла повинен бути монохроматичним.

Інтерференцію світла можна спостерігати не тільки на бензинових плівках на воді.

При розливах нафти в море водна поверхня покривається райдужними розводами – але тільки в тих випадках, коли нафтова плівка тонка, не більше мікрона товщиною, тобто масштаб катастрофи відносно невеликий.

Інтерференція обумовлює райдужні переливи на поверхні компакт-дисків.

Райдужність мильних бульбашок – теж результат інтерференції. Товщина стінки мильної бульбашки трохи більше довжини хвиль видимого спектру. У міру зменшення товщини стінки міхур поступово змінює колір. При товщині 230 нм він забарвлюється в помаранчевий колір, при 200 нм – зелений, при 170 нм – синій. Товщина плівки змінюється неоднорідне, тому вона має плямистий вигляд. Коли через випаровування води товщина стінки мильної бульбашки стає менше довжини хвилі видимого світла, міхур перестає переливатися кольорами веселки, стає майже невидимим, перед тим як лопнути – це відбувається при товщині стінки приблизно 20-30 нм.