Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические явления. Внутреннее устройство мыльного пузыря

Благодаря поверхностной активности ПАВ понижают поверхностное натяжение воды. Прямыми измерениями было установлено, что адсорбция мыла на поверхности воды понижает ее поверхностное натяжение в два с половиной раза: от 7*10^-2 до 3*10^-2 Дж/м ²

Стенка мыльного пузыря трехслойна: два внешних слоя мыла с глицерином разделены подвижной водной перегородкой, по которой они плавают. Глицерин добавляют для увеличения полярности длинных молекул растворителя. В результате в двойной мыльной пленке все водолюбивые хвосты молекулы мыла ориентированы внутрь пленки, водоотталкивающие - наружу. Собственно, по этой причине мыло и удаляет грязь - остатки органического и неорганического происхождения. Молекулы мыла со всех сторон облепляют частицы грязи гидрофобными хвостами внутрь, образуя так называемую мицеллу - растворимую в воде оболочку вокруг нерастворимого кусочка грязи. Избыток соли в растворе нарушает образование мицелл. Вот почему невозможно качественно помыться в морской воде, и пузыри из соленой воды не получаются.

Рис. Так схематически выглядит строение мыльной пленки, укрепленной поверхностно-активными молекулами мыла

Итак, вследствие адсорбции мыла на поверхности воды образуется частокол удлиненных молекул. На поверхность они всплывают из объема. Что происходит с мыльной пленкой, ограничивающей пузырь, когда он раздувается? Ясно, что пленка растягивается. При этом частокол расположенных на его поверхности молекул мыла должен бы редеть, и могли бы появиться островки, свободные от адсорбированных молекул. Этого, однако, не происходит, так как скорость адсорбции велика и вслед за растяжением пленки на ее поверхность будут выходить молекулы мыла, достраивая частокол. Когда же все молекулы ПАВ выйдут из объема растягиваемой пленки на ее поверхность, дальнейшее растяжение пленки будет приводить к понижению заселенности ее поверхности молекулами мыла. мыльный пузырь оптическое кристаллизационный

Элементарная теория разрушения пузыря

Р_>= 2б/h

способствует расширению, а другое

Р_<= б /r

- сжатию пробоины.

Ее судьба зависит от соотношения величин Р_> и Р_< если Р_> > P_<,- пробоина будет залечиваться, схлопываться. Для пузыря будут смертельными те пробоины, у которых r > h/2. Если, например, h = 10^-7 м, то появление пробоины радиусом r > 5* 10^-8 м означает гибель пузыря.

Оптика мыльного пузыря

n = л₀/л_в.

Теперь направим под некоторым углом i на поверхность тонкой пленки толщиной h монохроматический свет, длина волны которого л₀. Произойдет вот что: луч света частично отразится от поверхности пленки, а частично, преломившись под углом r, войдет в ее объем. На нижней поверхности пленки произойдет то же самое: преломление и отражение. Отраженный луч вернется к верхней поверхности, отразится и преломится, и какая-то доля его выйдет из пленки, где встретится с одним из лучей падающего первичного пучка. Произойдет это в точке С. Точка эта, в основном, нас и интересует.

Рис. Схема к объяснению интерференции света в тонкой пленке

В точке С встречаются два луча, рожденные одним источником, но прошедшие разные пути. О таких лучах говорят "когерентные". Их отличительная особенность состоит в том, что разность фаз колебаний остается неизменной. Характер взаимодействия этих лучей в точке С определяется разностью путей, пройденных ими до прихода в эту точку. Эта разность путей называется оптической разностью хода. Из очень несложного расчета, выполненного с помощью приведенного рисунка и определения

n = sin i /sin r

следует, что:

Д = 2hn cos r.

Мы подошли к самому существенному достижению Томаса Юнга. Он обратил внимание на то, что при выполнении условия:

Д = 2kл_0,

(k - целое число) могут иметь место два существенно различных эффекта: если k - четное число, волны усилят друг друга, а если нечетное - ослабят, точнее говоря, погасят друг друга.

Основываясь на формуле, определяющей Д, мы можем очень многое понять в том, что называется "оптикой мыльного пузыря". В формуле при данном значении n воедино связаны длина волны света л₀, толщина пленки h и угол r, а следовательно, и угол падения пучка на пленку i. Предположим, что на поверхность пузыря, образованного пленкой постоянной толщины, падает пучок белого света и различные участки поверхности пузыря пучок встречает под различными углами. Это означает, что в условия, при которых отраженный луч усиливается, будут попадать лучи с различной длиной волны, и различные участки пузыря будут отсвечивать различными цветами радуги: "лиловый, красный, синий, зеленый, желтый цвет". Это может произойти и по другой причине: различные участки пленки пузыря со временем меняют свою толщину (теперь уже меняется h), и именно поэтому "то в нем синеет море, то в нем горит пожар". Если приглядеться к мыльному пузырю, можно отчетливо увидеть потоки жидкости, меняющие его окраску.

Рис. Схема, поясняющая появление "черных пятен" в расцветке тонкой пленки

Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о черных полосах и пятнах в окраске пузыря. Они особенно отчетливо видны, когда пузырю осталось жить всего несколько мгновений.

Попытаемся понять физическую причину появления черных пятен, вспомнив о том, что, обсуждая оптическую разность хода лучей в тонкой пленке Д, мы умолчали об одной детали во взаимодействии света с пленкой. Эта деталь не очень существенна, когда пленка толста (h > л₀), и не допускает пренебрежения собой, когда пленка тонка (h " л₀). Дело в том, что, как оказывается, отражение луча от границ воздух - пленка и пленка - воздух происходит так, что оптическая разность хода при этом скачком изменяется на половину длины волны. В соответствующем разделе теоретической оптики это обстоятельство доказывается математически строго. Известны, однако, совсем простые рассуждения английского физика Джорджа Стокса, отчетливо объясняющие это явление. Приведем его рассуждения. Если направление распространения луча, отраженного от границы воздух - пленка (ВО), и луча, преломленного в ней (ВС), обратить, они должны образовать луч (ВА), равный по интенсивности и направленный противоположно первичному лучу (АВ). Это утверждение справедливо, оно попросту отражает закон сохранения энергии. Обращенные лучи СВ и ОВ, вообще говоря, могли бы образовывать еще луч (ВЕ). Он, однако, отсутствует, это -экспериментальный факт. Следовательно, в его создание лучи СВ и ОВ вносят вклады в виде лучей, которые равны по интенсивности, но смещены по отношению друг к другу на половину длины волны и поэтому гасят друг друга. Если к сказанному добавить, что один из этих лучей испытывал отражение от границы воздух - пленка, а другой от границы пленка - воздух, то станет ясно, что дополнительный скачок:

Д = л₀ /2

при отражении от границ между воздухом и пленкой происходит.

Возвратимся к черным пятнам и полосам. Если толщина пленки настолько мала, что оптическая разность хода, вычисленная без учета потери полуволны при отражении от границы воздух - пленка, оказывается малой по сравнению с длиной волны, то интерференция будет определяться только тем, что лучи смещены на половину длины волны, т. е. они будут гасить друг друга. А это означает, что возникает черная окраска пленки. Всю логику рассказа о черных пятнах на мыльном пузыре можно бы обратить и утверждать следующее. Черная окраска очень тонких пленок - это факт. А, следовательно, при отражении двух лучей от границ воздух - пленка и пленка - воздух между ними должна возникать дополнительная оптическая разность хода, равная половине длины волны. Это путь не от логики к эксперименту, а от эксперимента к логике. Оба пути законны и дополняют друг друга.

Кристаллизация мыльного пузыря