[科普中國]-游戲里的肥皂泡為什么是五顏六色的

吹肥皂泡可能是很多人童年時玩過的游戲。五彩繽紛的泡泡在空中飄蕩，泡泡上還會倒映出彩色的樹木房屋，就像童話里的場景一般。

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/, by Brocken Inaglory）

可是，肥皂泡為什么會出現(xiàn)彩虹一樣的絢麗色彩，還不斷地發(fā)生著變化呢？ 而你有沒有注意過，當肥皂泡的色彩漸漸褪去變成灰黑色的時候，就快要破裂了呢？

而這些，其實都源于一種叫“薄膜干涉”的光學(xué)現(xiàn)象。我們通常用洗滌劑（洗潔精、洗衣粉等等）以一定的比例兌水來吹肥皂泡，所以泡泡就是被洗滌劑分子包裹著的一層薄薄的水膜。那么，當光照射到這一層水的薄膜時，都發(fā)生些什么呢？

空氣和水都是可以透過光的介質(zhì)，它們的交界處叫作“界面”。當光遇到一個界面時，一部分會被反射回來，還有一部分會繼續(xù)前進，發(fā)生折射。例如，把一根筷子插進水里，如果我們從側(cè)面看，就會發(fā)現(xiàn)水里的筷子彎折了，這就是折射；而當我們俯視水面時，如果角度合適的話也能看到筷子的鏡像，這就是反射了。這組成肥皂泡的薄薄的水膜，就擁有兩個“空氣-水”的界面：光從空氣中遇上水膜，也就是第一個“空氣-水”界面時，一部分反射，一部分折射；而折射的部分穿過水膜，又遇到第二個“空氣-水”的界面，這時又有一部分光被反射了回去，而另一部分則穿過它，回到了空氣里。 這樣，有一部分光在離開水膜之前，就會被來來回回地反射很多次。

光有一種性質(zhì)——同處一處的多條光波會相互疊加自身的強度。這樣的現(xiàn)象叫做“干涉”，是一種“同相更強，反相相消”的效果：如果一束光的峰值和另一束光的峰值疊加在一起，結(jié)果就會變得更強； 而如果一束光的峰值和另一束光的谷值疊加在一起，結(jié)果就會相互抵消。這兩類現(xiàn)象分別叫做“相長干涉”和“相消干涉”。

在肥皂泡薄膜中被來來回回反射的光，就會發(fā)生干涉。 不過通常來講，完全的相長干涉和完全的相消干涉是兩個極端，實際干涉的情況會介于兩者之間。 而且實際干涉的情況和光的波長（也就是顏色）、以及薄膜的厚度都有關(guān)系，這就使有些顏色的反射光被削弱了，有些顏色的反射光被增強了。于是，薄膜上就產(chǎn)生了變化的色彩，而不再是“白色”的日光了。

當一個肥皂泡被吹出來之后，它并非是堅固不變的，泡泡的厚度其實一直在變化。在重力的作用下，泡泡頂部的水會往兩側(cè)流動，導(dǎo)致泡泡頂部比底部先變??；與此同時，泡泡中的水分也會不斷蒸發(fā)。 總的來說，泡泡從吹出來之后就會慢慢變薄，最后薄到承受不住外界的壓力沖擊，就破了。在肥皂泡不斷變薄的過程中，薄膜干涉的情形也會隨之變化，使得肥皂泡表面呈現(xiàn)出不斷變化的色彩。

七彩的肥皂泡不僅僅可以欣賞，我們其實還可以從泡泡的色彩上推斷它的厚度。計算機模擬的結(jié)果表明，泡泡表面反射光的顏色，和入射光的入射角、以及薄膜厚度的關(guān)系圖，也像一條絢麗的彩虹。

比較厚的薄膜，它們反射的顏色基本就在淺淺的紅色和綠色之間交替變化。 但當薄膜厚度降到500nm以下時，更多的色彩開始出現(xiàn)，并且顏色也會變得更加鮮艷。比如，鮮艷的金色和藍色，就出現(xiàn)在薄膜厚度在100nm到450nm之間的時候。這個厚度，差不多只有頭發(fā)絲直徑的200分之一。 如果再薄下去，薄膜就將逐漸黯淡，變成灰黑色了。 這是因為這時候薄膜已經(jīng)薄到無法對可見光形成有效的干涉，大部分光都穿過薄膜“流失”了，所以也就基本就沒有反射光了，顯示出灰黑色。這時候，肥皂泡就離破裂不遠了。

所以，當你看到泡泡上出現(xiàn)鮮艷的金色、藍色相間的條紋時，你就知道它快要撐不住了。 如果你想在泡泡里吹更多的泡泡，那最好選擇從淺紅、淺綠的地方戳進去，因為只有那里的泡泡薄膜才比較厚，經(jīng)得住戳。

薄膜干涉的現(xiàn)象，不僅僅只出現(xiàn)在肥皂泡上。任何厚度與可見光波長差不多的透明薄膜，在合適條件下都會產(chǎn)生這種薄膜干涉。例如，水塘上的油污膜也會呈現(xiàn)彩虹色；相機鏡頭、防藍光眼鏡鏡片、被火燒過的刀片表面，也都會顯示出特殊的色彩。這些色彩的背后，其實都是薄膜干涉的效果。

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