肥皂泡加香皂泡颜色变彩色 洗洁精泡泡为什么是彩色

来源:中国科学博览会

吹肥皂泡可能是很多人小时候玩过的游戏。多彩的泡泡漂浮在空里，五彩缤纷的树屋映在泡泡上，就像童话里的场景。

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但是，为什么肥皂泡会有彩虹般绚烂的颜色，并且在不断变化？而你有没有注意到，当肥皂泡的颜色逐渐褪去，变成灰黑色的时候，就要破裂了？

事实上，所有这些都是由于一种叫做“薄膜干涉”的光学现象。我们通常用洗涤剂和水按一定比例吹肥皂泡，所以泡泡是洗涤剂分子包裹的一层薄薄的水膜。那么，当光线照射到这层薄薄的水时会发生什么呢？

空气和水是透光介质，它们的交界处称为“界面”。光遇到界面，一部分会被反射回来，一部分会继续向前移动，被折射。比如我们把一根筷子插入水中，从侧面看，会发现水中的筷子是弯曲的，这就是折射；当我们俯视水面时，如果角度合适，还可以看到筷子的镜像，这就是反射。这种肥皂泡的薄水膜有“空气-水”两个界面:当光从空气遇到水膜时，即“空气-水”的第一个界面，一部分反射，一部分折射；折射部分穿过水膜，遇到“空气水”第二界面。这时，一部分光被反射回来，而另一部分穿过它，回到空气体。这样，一些光线会在离开水膜之前被来回反射多次。

光有一个特性——在同一个地方的多个光波会叠加各自的强度。这种现象称为“干涉”，是一种“同相较强，反相抵消”的效应:如果一束光的峰值和另一束光的峰值叠加在一起，结果会变得更强；如果一束光的峰值和另一束光的谷值叠加在一起，结果就会互相抵消。这两种现象分别称为相长干涉和相消干涉。

肥皂泡膜里来回反射的光会干涉。但一般来说，完全相长干涉和完全相消干涉是两个极端，实际干涉会在两者之间。而且实际的干涉与光的波长和薄膜厚度有关，减弱了某些颜色的反射光，增强了某些颜色的反射光。结果，胶片改变了颜色，而不是“白色”阳光。

肥皂泡吹出来的时候并不牢固，不变，气泡的厚度其实一直在变化。在重力作用下，气泡顶部的水向两侧流动，导致气泡顶部变得比底部薄；同时气泡中的水分也会蒸发。一般来说，气泡吹出后会逐渐变薄，最后太薄承受不了外界压力的冲击就会破裂。在细化肥皂泡的过程中，薄膜的干涉也会发生变化，使肥皂泡表面呈现出变化的颜色。

彩色肥皂泡不仅可以欣赏，还可以从气泡的颜色推断出来。计算机模拟结果表明，气泡表面反射光的颜色、入射光的入射角和膜厚之间的关系也像一条绚丽的彩虹。

对于较厚的薄膜，它们的反射颜色基本上在浅红色和绿色之间交替变化。然而，当膜厚降至500纳米以下时，更多的颜色开始出现，变得更加生动。例如，当薄膜厚度在100纳米和450纳米之间时，会出现明亮的金色和蓝色。这个厚度几乎是头发直径的百分之一。如果再薄一点，膜会逐渐褪色，变成灰黑色。这是因为此时薄膜太薄，无法与可见光形成有效干涉，大部分光线通过薄膜“丢失”，所以基本没有反射光，呈现灰黑色。那时候肥皂泡离破灭不远了。

所以，当你看到泡泡上亮金蓝条纹的时候，就知道撑不住了。如果想在泡泡里吹更多的泡泡，最好从浅红色和绿色的地方戳进去，因为只有那里的泡泡膜比较厚，经得起戳。

膜干涉现象不仅出现在肥皂泡上。任何厚度与可见光波长相近的透明薄膜，在合适的条件下都会产生这种薄膜干涉。比如池塘上的油膜也会呈现彩虹色；相机镜头、防蓝光眼镜镜头和烧伤的刀片表面也显示出特殊的颜色。这些颜色背后其实是薄膜干涉的效果。