Журнал «Вокруг Света» №06 за 2009 год

Мыльная пленка — эфемерная конструкция. Вода быстро испаряется или стекает вниз под действием силы тяжести. Толщина пленки меняется, а вместе с ней меняются видимые на поверхности пузыря цвета. При толщине 230 нм она окрашивается оранжевым цветом, при 200 нм — зеленым, при 170 нм — синим. Поскольку толщина пленки уменьшается неоднородно, она обретает пятнистый вид. Истончившись до 0,1 микрона (100 нм), пленка уже не может усиливать отраженный свет, а только избирательно гасит некоторые цвета. Наконец, пропадает и эта способность, поскольку разность хода отраженных лучей становится незначительной, пузырь обесцвечивается и лопается при толщине пленки 20—30 нм.

Радужные переливы нефтяной пленки на воде тоже вызваны интерференцией. Поэтому они возникают в случае относительно небольшого загрязнения, когда пленка имеет толщину около микрона или меньше.

Дифракция лазерного излучения на узкой щели. Слегка «заворачивая за угол», луч попадает в области, куда по законам геометрии он не должен попадать в принципе. Фото: SPL/EAST NEWS

Цвета побежалости

Явление интерференции с давних времен использовали при обработке стали. Чтобы стальной инструмент обладал высокой твердостью, его закаливают: разогревают до температуры 800—900 °C и резко охлаждают. Но вместе с твердостью закаленная сталь приобретает хрупкость, она почти не деформируется, а при высокой нагрузке или ударе трескается. Чтобы придать стали пластичность, ее подвергают отпуску: вновь нагревают, но теперь уже до 200—300 °C, и постепенно охлаждают. При этом часть кристаллических структур, образовавшихся в ходе закалки, преобразуется, и сталь, сохраняя прочность, обретает упругость.

При отпуске важно тщательно выдерживать температуру нагрева. Ошибка всего на 10 градусов делает сталь непригодной для выбранной цели. Сегодня соблюдение условий термообработки уже не составляет проблемы, но в прошлом для этого требовалось особое мастерство. При закалке температуру нагрева определяли по цвету каления стали, но при отпуске нагрев не такой сильный и металл не испускает видимого света. И тут на помощь металлургам приходит интерференция.

Если тщательно зачистить поверхность стали, то во время нагрева на ней начинает нарастать тонкая прозрачная оксидная пленка. Чем выше температура, тем она толще. Как и в случае с нефтью на воде, световые волны, отразившиеся от пленки и от поверхности металла под ней, интерферируют, и по череде сменяющихся оттенков — их называют «цветами побежалости» — можно весьма точно определить достигнутую температуру. При 200 °C на поверхности появляется едва заметная желтизна. К температуре 230 °C, при которой отпускают твердый металлорежущий инструмент, цвет становится довольно выраженным соломенным. При 255 °C поверхность становится буровато-желтой — как раз для более мягких деревообрабатывающих инструментов. Около 270 °C начинает появляться пурпурный оттенок — эта температура годится для грубого столярного инструмента вроде пил и топоров. Синий цвет появляется к 300 °C — как раз для пружинной стали. А до 340 °C, когда поверхность становится водянисто-зеленой, отпуск никогда не доводят, иначе металл потеряет твердость, приобретенную ранее в ходе закалки.

В прошлом чтение цветов побежалости было одним из основных профессиональных навыков мастеров-металлургов. Некоторые из них чувствовали различия в оттенках металла тоньше многих художников. Ведь это был фактически единственный способ контролировать процесс получения качественной стали.

Интерференция волн на воде. Фото: SPL/EAST NEWS

Достичь просветления

Еще одно применение тонких интерференционных пленок — просветление оптики. Современные фотообъективы нередко состоят из десятка стеклянных и пластиковых линз. Каждая из двух десятков их поверхностей отражает около 4% света. Выходит, что более половины всего собранного объективом излучения пропадает зря и, что еще хуже, часть этого рассеянного света, испытывая повторные отражения, доходит до светочувствительной матрицы, создавая на снимке вуаль.

Для уменьшения количества рассеянного света линзы покрывают тонкими прозрачными пленками. Казалось бы, из-за роста числа поверхностей потери на отражение только возрастут, но благодаря интерференции эффект оказывается противоположным. Если взять пленку толщиной в четверть длины волны, световые колебания, отразившиеся от нее и от скрытой за ней поверхности линзы, сдвинутся на половину длины волны, выйдут наружу в противофазе (горбы к впадинам) и полностью погасят друг друга. То есть от поверхности линзы ничего не отразится. Этот прием называют «просветлением оптики», поскольку свет, который не был в итоге отражен, проходит сквозь линзу и участвует в построении изображения. То есть просветление не только подавляет блики, но и снижает потери света в объективе.