Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Под небольшим аквариумом с водой (подойдет любой сосуд с прозрачными плоскими стенками) установим источник белого света и направим его узкий луч через аквариум. При выключенном верхнем свете начнем капать в воду цельное (не обезжиренное) молоко. Сначала луч света в воде практически не виден, но затем он становится хорошо различим. Продолжим капать молоко и будем следить за цветом луча в воде, глядя либо сбоку, либо почти прямо на источник света. Через какое-то время мы обнаружим, что луч имеет голубоватый оттенок, если смотреть на него сбоку, и красноватый, если сверху. Почему луч меняет цвет? Почему молоко, которое мы пьем, белое, а не красное или голубое?

ОТВЕТ •Молоко содержит частицы белка и жира размером от десятых долей микрона до нескольких микрон; на этих частицах рассеивается свет. Угол рассеяния цветов синей области видимого спектра больше, чем у цветов красной области спектра. Когда концентрация частиц увеличивается настолько, что цвета можно заметить, то, если смотреть в аквариум сбоку, основной цвет луча будет голубым, а если смотреть сверху, по направлению распространения луча, то красным.

Отдельные цвета заметны, только если концентрация частиц не слишком велика. Когда их становится слишком много, как обычно бывает в молоке, свет, прежде чем покинуть сосуд, рассеивается много раз. Тогда с какого направления ни смотри, глаз в равной мере воспринимает цвета из красной и синей областей спектра. Их комбинация определяет белый цвет молока.

Если вылить почти все молоко из стакана, оставив на дне совсем немного, вдоль края молочной лужицы можно увидеть чистую яркую полосу. Она видна там, где поверхность молока искривляется, так как благодаря смачиванию молоко чуть поднимается вдоль стенок стакана. При отражении от искривленной поверхности свет концентрируется, и поэтому здесь он ярче света, отраженного от остальной поверхности молока.

На темном фоне, например на фоне лесных зарослей, дым, поднимающийся от костра, кажется голубоватым, но на ярком фоне, например на фоне солнечного неба, в нем заметны оттенки желтого, красного или оранжевого. Почему цвет дыма разный при разных условиях наблюдения?

ОТВЕТ •Дым — дисперсная система, состоящая из мелких твердых частиц. Рассеяние света зависит от размера частиц, и на этих частицах сильнее рассеивается синий. Если мы наблюдаем дым на темном фоне, а свет попадает в дым сбоку или из-за нас, то мы видим рассеянное дымом излучение, и оно синеватое. Если же источник яркого света находится за дымом, то мы видим это яркое излучение, из которого при прохождении через дым изъята рассеиванием часть синего, и пришедшее к нам излучение немного красноватое.

Некоторые алкогольные напитки содержат анис. В Греции такой ликер называется узо , во Франции — пастис , в Турции — раки , а в Италии самбука . Все они ведут себя необычно: когда в изначально вполне прозрачный напиток постепенно добавляют воду, он вдруг становится молочно-белым. На что влияет вода и почему меняется цвет ликера? Добавляя в молочно-белый напиток алкоголь, можно добиться обратного эффекта.

ОТВЕТ •Каждый из этих напитков — однородный раствор анисового масла в этиловом спирте. Когда на этот раствор направляют луч света (например, солнечный луч), пройдя через раствор, он выходит с противоположной стороны сосуда, оставаясь лучом. Когда в раствор добавляют воду (третью жидкость), ситуация меняется, поскольку анисовое масло не растворяется в воде. Сначала напиток прозрачен (проходя через него, луч света остается лучом). Однако когда концентрация воды повышается и достигает некоторого критического значения, молекулы масла неожиданно начинают образовывать взвешенные в жидкости капли. Говорят, что в системе произошел фазовый переход: однородный раствор превращается в неоднородную дисперсную систему, состоящую из микроскопических капелек жидкости, распределенных в другой жидкости, то есть в эмульсию. Капли рассеивают видимый свет. Поэтому любой луч света, направленный на напиток, много раз рассеивается, что вызывает помутнение напитка и придает ему молочный оттенок. Если после этого в напиток добавить еще алкоголь, благодаря чему концентрация воды станет ниже критического значения, произойдет обратный фазовый переход, и ликер снова станет прозрачным.

Почему масляные пятна на мокрой улице окрашены во все цвета радуги? Почему этого нет, если улица сухая? Почему масляные пятна бывают цветными, даже если солнце спряталось за тучи?

Почему мыльные пленки и мыльные пузыри разноцветные? Почему, когда пленка становится слишком тонкой или слишком толстой, она перестает быть цветной? Ведь не окрашены подобным образом предметное стекло микроскопа или оконные стекла.

Пусть мыльная пленка, удерживаемая в вертикальном положении, освещена спереди лучом белого света. По мере того как под действием силы тяжести вода в этой пленке стекает вниз, горизонтальные цветные полосы на ней тоже смещаются вниз, а затем, если фон позади пленки темный, сверху она становится черной, перед тем как лопнуть. Как ярко освещенная спереди пленка может стать черной? Если осторожно осмотреть черный участок пленки, можно заметить особо темные пятна. Как они появляются? Почему сразу за черным участком идет белая, а не синяя полоса? Ведь среди всех цветов видимого спектра у синего цвета самая маленькая длина волны, поэтому именно в синий цвет должен был бы окраситься очень тонкий участок пленки под темной областью.

Иногда кажется, что на металлической кастрюле, даже если ее тщательно вымыли, есть цветные пятна. Почему они появляются? Похожие цветные пятна можно увидеть, когда масло стекает по полированной металлической поверхности. Почему мы их не видим, если поверхность неполированная?

ОТВЕТ •При освещении белым светом прозрачного слоя, или пленки, толщиной приблизительно совпадающей с длиной волны видимого света, может происходить разложение света на цвета видимого спектра. Предположим, что луч определенного цвета падает перпендикулярно на такую пленку (рис. 6.43). Часть света отражается от внешней поверхности пленки, а часть проникает внутрь пленки, проходит через нее, отражается от внутренней поверхности, проходит пленку в обратном направлении и выходит из нее. Глаз воспринимает две исходящие от пленки волны. Эти волны интерферируют. Если волны распространяются в фазе (синхронно), интерференция конструктивная (волны усиливают друг друга), и на пленке получается яркое пятно соответствующего цвета. Если окажется, что волны распространяются не в фазе (несинхронно), интерференция деструктивная (волны стремятся погасить друг друга), и мы видим на пленке темное пятно.