背後的物理
兩道反射光與半波損失
光照到薄膜時,一部分在上表面反射,一部分進入膜內在下表面反射。兩道反射光來自同一道入射光,彼此同調而互相干涉。光(接近)垂直入射時,界面的振幅反射係數為菲涅耳係數
\[ r = \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} \]
光由低折射率射向高折射率(\(n_1 < n_2\))時 \(r\) 為負值:反射波上下顛倒,相位改變 \(\pi\),相當於多走了半個波長,稱為半波損失;由高折射率射向低折射率的反射沒有相位改變。
在厚度 \(d\)、折射率 \(n\) 的膜內,第二道光多走的光程差為(\(\theta_t\) 為膜內的折射角,從空氣射入時 \(\sin\theta_1 = n\sin\theta_t\))
\[ \Delta = 2 n d \cos\theta_t \]
空氣中的肥皂膜、空氣劈與牛頓環的空氣間隙,兩道反射光之中恰好一道有半波損失,所以反射光的條件為
\[ \text{亮紋:}\ 2nd\cos\theta_t = \left(m + \tfrac{1}{2}\right)\lambda, \qquad \text{暗紋:}\ 2nd\cos\theta_t = m\lambda, \qquad m = 0, 1, 2, \ldots \]
為什麼肥皂膜最薄的地方是黑的:厚度 \(d \to 0\) 時光程差趨近 0,但兩道光一道有半波損失、一道沒有,對所有波長都互相抵消。只有幾十奈米厚的膜(黑膜)幾乎不反射光,在暗背景前看起來是黑色的,那也是肥皂膜快要破掉的時候。
如果兩道反射都有(或都沒有)半波損失,例如玻璃上的氟化鎂增透膜(\(1 < 1.38 < 1.52\)),亮暗條件就對調:四分之一波長厚的膜讓反射光互相抵消。
空氣劈
兩片平板玻璃一端接觸、在距離 \(L\) 處夾一根直徑 \(D\) 的細線。間隙隨位置線性增加,\(t = x\tan\theta \approx xD/L\),等厚的位置是直線,暗紋等間距:
\[ 2 n t_m = m\lambda \;\Rightarrow\; x_m = \frac{m\lambda L}{2nD}, \qquad \Delta x = \frac{\lambda}{2n\theta} = \frac{\lambda L}{2nD}, \qquad D = \frac{\lambda L}{2n\,\Delta x} \]
接觸線(\(t = 0\))是暗紋;從接觸線到細線共有 \(\lfloor 2nD/\lambda \rfloor + 1\) 條暗紋。楔中充水(\(n = 1.33\))時,條紋間距縮小為原來的 1/1.33。
牛頓環
曲率半徑 \(R\) 的平凸透鏡放在平板玻璃上,離接觸點 \(r\) 處的間隙 \(t = R - \sqrt{R^{2} - r^{2}} \approx r^{2}/2R\),等厚的位置是同心圓。反射光的中心是暗點,第 \(m\) 個暗環的半徑
\[ r_m = \sqrt{\frac{m\lambda R}{n}}, \qquad r_m^{2} = \frac{\lambda R}{n}\, m \]
所以 \(r^{2}\) 對 \(m\) 的圖是斜率 \(\lambda R/n\) 的直線:已知 \(\lambda\) 可求 \(R\),已知 \(R\) 可求 \(\lambda\)。如果透鏡下有灰塵把透鏡抬高 \(e\),則 \(r_m^{2} = (m\lambda/n - 2e)R\):中心不一定是暗點,直線整條往下移,但斜率不變,這就是實驗要用 \(r_m^{2} - r_k^{2} = (m - k)\lambda R/n\),而不只量一個環的原因。
透射光與反射光互補:沒有吸收時 \(T = 1 - R\),所以透射光的中心是亮點,反射的暗環變成亮環。由於每個界面只反射約 4% 的光,透射光的明暗對比很低。
多次反射與白光
光會在膜內來回反射很多次,把所有反射光加起來,得到艾里公式(\(\delta = 4\pi n d\cos\theta_t/\lambda\)):
\[ r = \frac{r_{12} + r_{23}\,e^{i\delta}}{1 + r_{12}r_{23}\,e^{i\delta}}, \qquad R = |r|^{2}, \qquad R + T = 1 \]
因為 \(|r| \approx 0.14\)–\(0.21\) 很小,第三道以後的光很弱,雙光束的結果幾乎一樣;若把兩道光當成振幅相等,可化簡成 \(R \approx 4r^{2}\sin^{2}(\delta/2)\)。
白光照射時,每種波長各自形成條紋。每個厚度強烈反射某些波長、抵消另一些波長,眼睛看到的是這個反射光譜的顏色:
\[ X = \frac{\sum_{\lambda} S(\lambda)R(\lambda)\bar{x}(\lambda)}{\sum_{\lambda} S(\lambda)\bar{y}(\lambda)},\quad Y = \frac{\sum_{\lambda} S(\lambda)R(\lambda)\bar{y}(\lambda)}{\sum_{\lambda} S(\lambda)\bar{y}(\lambda)},\quad Z = \frac{\sum_{\lambda} S(\lambda)R(\lambda)\bar{z}(\lambda)}{\sum_{\lambda} S(\lambda)\bar{y}(\lambda)} \]
薄的地方是鮮豔的低級數顏色(黑、銀白、黃、紅、紫、藍、綠……);膜很厚時,相鄰波長的亮暗互相錯開而平均掉,顏色就淡成白色。
觀察重點
- 頂端的黑膜:按「排液」,看彩色條紋隨著膜變薄往下移、變寬,頂端的黑色區域越來越大。
- 單色光與白光:鈉黃光下肥皂膜是一條條黃黑相間的條紋;換成白光,同一片膜變成一連串顏色。看下方的反射光譜,找出哪些波長被抵消了。
- 斜著看:觀看角度變大時 \(\cos\theta_t\) 變小,每種顏色都移到膜更厚的地方。
- 量細線:在空氣劈中記錄幾條暗紋的位置,\(x\) 對編號 \(k\) 的斜率就是 \(\Delta x\),再由 \(D = \lambda L/(2n\Delta x)\) 求出細線直徑。
- 充水:空氣劈或牛頓環的間隙充水後條紋變密,因為水中的波長變成 \(\lambda/n\)。
- 抬高透鏡:慢慢加大中心間隙 \(e\),圓環一圈一圈縮進中心消失;每抬高 \(\lambda/2n\) 就吞掉一個環。
模擬方法
- 反射率與透射率用 s、p 兩種偏振的菲涅耳係數在實際角度計算(空氣劈與牛頓環為正入射),自然光取兩者的平均;多光束用精確的艾里公式,測試檢查 \(R + T = 1\),並與逐道相加的反射光比對。
- 折射率:空氣取 1(實際 1.0003)、肥皂水 1.33(可調)、玻璃 1.52,忽略色散與吸收。空氣劈與牛頓環只計算兩片玻璃之間的薄間隙;厚玻璃外側表面的反射與它不同調,不列入計算。
- 顏色:CIE 1931 2° 配色函數與 CIE 標準光源 D65 都取自 CIE 官方資料表(CIE 015:2018),380–780 nm 每 5 nm 一點,線性內插到每 1 nm 積分;XYZ 轉成 sRGB(IEC 61966-2-1),超出 sRGB 色域的顏色往同亮度的灰色降低飽和度。為了速度,白光的顏色預先算好每 2 nm 厚度一格;光程差超過 16 μm 時顏色已淡成不同調相加的平均值,直接用該值。
- 曝光:肥皂膜最多只反射約 8% 的光,畫面亮度取 \(R/R_{\max}\)(\(R_{\max}\) 為這片膜最亮的反射),就像相機自動曝光,不改變顏色的色相與飽和度。
- 肥皂膜以楔形 \(h = h_{\text{底}}\cdot z/H\) 表示;排液依重力排液的 \(t^{-1/2}\) 規律 \(h_{\text{底}}(t) = h_0/\sqrt{1 + t/\tau}\),\(\tau = 0.6\ \text{s}\) 只為了方便觀看。真實的膜還有渦旋與框邊較厚的液膜,這裡沒有畫出。
- 側視圖是示意圖,間隙與角度都大幅放大。條紋比一個像素還細時,每個像素顯示其範圍內的平均,與不用放大鏡時眼睛或相機看到的一樣。
參考資料