Бензин не смешивается с водой. Поэтому, попадая, например, в лужу на дороге, он растекается по её поверхности и образует тончайшую пленку. Эта пленка обладает замечательным физическим свойством – создавать вот такие радужные картины.
Почему это происходит?
Световые лучи, попадающие на бензиновую пленку, разделяются: часть луча отражается от поверхности бензиновой пленки (границы воздуха и бензина), а часть проходит через бензиновый слой, доходит до границы бензин-вода и отражается уже от этой границы (еще одна часть уходит в глубь воды, но для нашего вопроса эта составляющая значения не имеет).
В итоге получаются два отражённых луча, причем второй из них на пути к нашему глазу отстает от первого, потому что ему дважды пришлось преодолеть толщину плёнки. Эти два луча накладываются друг на друга, в результате чего в пространстве происходит перераспределение их энергии. Результирующие колебания при этом либо усиливаются, либо ослабляются. Усиление происходит, если преломленная волна 2 (см. рисунок) отстает от отраженной волны 1 на целое число длин волн. Если же вторая волна отстает от первой на половину длины волны или нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.
Это явление называется в физике интерференцией света.
Луч красного света, выходящий из точки Y, складывается из двух лучей:
части луча 1, прошедшей через плёнку, и части луча 2,
отражённой от внешней поверхности.
Длина пути XOY кратна длине волны падающего на плёнку света,
поэтому оба луча складываются в фазе и усиливаются.
В этом случае синие лучи при данной толщине плёнки
складываютсяв противофазе, потому что
расстояние XOY не пропорционально длине волны.
Результат – лучи складываются в противофазе
и гасятся: синий цвет не отражается от плёнки.
Для того чтобы могло происходить явление интерференции, два отражённых луча должны быть синхронными, согласованными, то есть их длины волн должны быть одинаковы, а сдвиг фазы – постоянным (физики называют такие волны когерентными). Обычные источники света не являются когерентными, потому что они состоят из большого числа атомных излучателей, работающих независимо друг от друга и несогласованно.Волны же, отраженные от наружной и внутренней поверхностей тонкой пленки, являются когерентными, потому что они являются частями одного и того же светового пучка.
Если бы лучи света имели одну длины волны, то есть были бы одноцветными (такой источник света называется монохроматическим), то интерференционная картинка выглядела бы как чередование светлых и черных полос (соответственно, интерференционных максимумов и минимумов). Но солнечные лучи – белые, в них присутствуют волны всего видимого спектра. Поэтому картина, которая получается на бензиновой пленке от солнечного света – разноцветная, радужная.
Дело в том, что разность хода лучей, отраженных от пленки, зависит от ее толщины. При определенной толщине условие максимума выполнится для какой-то длины волны, и пленка в отраженном свете приобретет цвет, соответствующий этой длине волны. Если же пленка имеет переменную толщину, а именно так обстоит дело с бензиновой плёнкой на воде, то интерференционные полосы приобретают радужную окраску, так как в разных участках плёнки условие максимума выполняется для разных длин волн.
Однако это не значит, что на плёнке с равномерной толщиной интерференцию наблюдать невозможно: ведь эффект интерференции определяется не только толщиной плёнки, но и другими факторами, например, углом падения светового пучка, показателем преломления плёнки.
Явление интерференции света можно наблюдать только в тонких пленках, толщина которых сравнима с длиной волны падающего на них света (но обязательно больше неё). Ведь свет – это сумма излучений с разной длиной волны. При прохождении через толстую пленку различия в прохождении лучей будут самые разные, и отражающиеся лучи не будут когерентными. То есть, конечно, какие-то волны будут в фазе, а какие-то – в противофазе, но некогерентных волн будет гораздо больше, и интерференционная картина просто "размажется". Тем не менее, в толстых пленках интерференцию наблюдать можно – для этого источник света должен быть монохроматическим.
Интерференцию света можно наблюдать не только на бензиновых плёнках на воде.
При разливах нефти в море водная поверхность покрывается радужными разводами – но только в тех случаях, когда нефтяная плёнка тонкая, не более микрона толщиной, то есть масштаб катастрофы относительно невелик.
Интерференция обусловливает радужные переливы на поверхности компакт-дисков.
Радужность мыльных пузырей – тоже результат интерференции. Толщина стенки мыльного пузыря немногим больше длины волн видимого спектра. По мере уменьшения толщины стенки пузырь постепенно меняет цвет. При толщине 230 нм он окрашивается в оранжевый цвет, при 200 нм — зеленый, при 170 нм — синий. Толщина пленки меняется неоднородно, поэтому она имеет пятнистый вид. Когда из-за испарения воды толщина стенки мыльного пузыря становится меньше длины волны видимого света, пузырь перестает переливаться цветами радуги, становится почти невидимым, перед тем как лопнуть – это происходит при толщине стенки примерно 20-30 нм.
К преломлению этот эффект никакого отношения не имеет. Даже если бы свет на границе раздела бензин-вода не преломлялся, то эти цвета всё равно бы возникали.
И уж подавно тут не пахнет никакой дисперсией (если тут чем и пахнет, то бензином). Дисперсия – это зависимость показателя преломления от длины волны света. Вот в призме – да, работает дисперсия. А тут работает интерференция (я уже объяснял это в другом вопросе, так что позволю себе процитировать себя самого – это чтоб модераторы не придирались на "неуникальность").
Цвета бензиновой плёнки на поверхности лужи – это интерференционные цвета. С точки зрения распространения света тут получается тонкая плёнка. Свет отражается от ОБЕИХ границ такой плёнки, а из-за того, что она тонкая (её толщина сопоставима с длиной волны видимого света), отражённый от обеих поверхностей свет оказывается когерентным, и мы наблюдаем интерференцию: взаимное наложение двух согласованных (когерентных) колебаний с некоторой разностью хода, зависящей от длины волны, толщины плёнки и угла, под которым мы на это на всё смотрим. И что получается: для некоторых длин волн эти колебания складываются в фазе, для некоторых – в противофазе. Там, где колебания складываются строго в противофазе, данный цвет вообще "исчезает" – мы его больше не видим.
Но "данный цвет" – это цвет с определённой длиной волны. То есть цвет с ВОТ ЭТОЙ длиной волны исчезнет (с близкими – станет значительно слабее), а цвет с какой-то ДРУГОЙ длиной волны, для которой наложение колебаний происходит в фазе, наоборот, усилится. Поэтому цвета плёнки – это не чистые цвета, как это получается для дисперсионного спектра призмы, а дополнительные. Они получаются не выделением какой-то определённой длины волны из всех, а полным или частичным подавлением определённого цвета. Поэтому там не "красный – зелёный – синий" (RGB, в простейшем варианте), а "пурпурный – голубой – жёлтый".
 |
Уже этой осенью бензин в России окрасится в яркие жизнерадостные цвета. Делается это не для красоты, а из соображений безопасности. Авторы идеи утверждают, что красители безвредны для двигателей, и в то же время нововведение позволит отслеживать подлинность марок и место происхождения топлива. Министерство промышленности и энергетики РФ уже внесло все необходимые изменения в технические регламенты. Осталось определиться с цветами.
Новатором в области цветной маркировки бензина стала компания "ЛУКОЙЛ": в 2001 г. она в порядке эксперимента стала окрашивать А-76 в красный, а Аи-92 – в голубой цвет. Чтобы защитить от подделок уже окрашенный бензин, компания добавляла в топливо бесцветные биологические маркеры, с помощью которых можно было определить качество продукта на всем протяжении технологической цепочки – от нефтеперерабатывающего завода до заправки. Однако эксперимент не получил продолжения, и в прошлом году компания закрыла последнюю линию по окраске бензина. Теперь, похоже, придется заводить механизм вновь.
Более логичным выглядит предложение красить не только лукойловский, но и вообще весь российский бензин. Если будет принят единый стандарт для всех заводов, то в окрашенный бензин, например, марки Аи-92 будет невозможно добавить присадки и сделать из него Аи-95. Правда, эксперты опасаются, что этот процесс не избавит от разбавления – автовладельцам придется внимательно смотреть на оттенок струи, льющейся в бензобак.
В Европе окраску бензина применяют давно, правда, в других целях. В Великобритании, Ирландии, Франции и Германии подкрашивают дешевое топливо для нужд сельского хозяйства: оно поступает на рынок на особых условиях с пониженным акцизом, чтобы поддержать отрасль. Весной премьер-министр Украины Юлия Тимошенко предлагала красить, естественно, в оранжевый цвет дизельное топливо для сельского хозяйства, чтобы предотвратить его перепродажу по завышенным ценам.
Уже с 10 сентября окрашенное топливо будет продаваться на заправках "ЛУКОЙЛа" в Свердловской области, а в Челябинске появится не раньше февраля – там ждут, когда инициативу поддержат другие производители бензина. Пока водителям обещают, что окраска бензина не ухудшит его качество и не повысит цену.