Изучение световых треков в мыльных пленках.

Литвинов Юрий Викторович

Едчик Анастасия Алексеевна

Мыльные пленки привлекают внимание людей уже много веков и продолжают удивлять исследователей нескончаемым богатством своих свойств. Так, растворы на основе поверхностно – активных веществ (ПАВ), использовались учеными при изучении явления интерференции, поверхностного натяжения; на основе свойств мыльных пленок созданы математические модели идеальных конструкций, активно использующихся в архитектуре и строительстве. Казалось бы, о них уже все известно, однако, мыльные пленки не перестают удивлять ученых, новыми, необычными свойствами. Мыльная пленка представляет собой простейшую наноструктуру, и поэтому вызывает большой интерес со стороны исследователей в качестве модельного материала.

Некоторые явления на сегодняшний день недостаточно исследованы и не нашли практического применения. Однако, доступность модельного материала, малая изученность и простота экспериментального оборудования, могут быть с успехом использованы в исследовательской работе школьников и студентов. Одному из таких феноменов природы – световым трекам на поверхности мыльной пленки и посвящена наша работа.

Первые сведения о существовании нелинейных оптических эффектов в водных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) появились в декабре 2002 года [1]. На поверхности мыльной пленки, в плоскость которой входил луч лазера, наблюдались световые эффекты, очень похожие на молнии, распространяемые хаотично из точки контакта луча с пленкой. При этом, центральный луч не подсвечивает мыльную пленку и проходит сквозь посудину и пленку по обычной траектории. Пока не существует теоретического обоснования и математической теории, объясняющей данное явление. По данным источников [2, 3] выявлены такие условия возникновения световых треков:

1. Треки возникают в мыльных пленках, независимо от их состава и типа ПАВ.
2. Треки возникают при освещении лазерами любой длины волны, и мощности лазеров от 1 мВт до 10 кВт при непрерывном, модулированном и импульсном режимах излучения, а также при хорошо сфокусированном некогерентном освещении.
3. Магнитное и электрическое поле не влияют на образование и перемещение треков.
4. Диаметр треков находится в пределах 5 - 30 мкм. Длина треков в чистых растворах достигает десятков сантиметров.
5. Треки видимы благодаря рассеянию света на неоднородностях раствора.
6. Треки в мутных растворах более яркие, однако, их длина меньше.

Треки обладают необычными свойствами, описанными теми же авторами.

1.Луч, входящий в мыльную пленку из воздуха под малым углом, должен частично пройти сквозь нее, а частично рассеяться, отразившись от внутренней и внешней поверхностей. Образование же треков противоречит традиционным представлениям о свойствах световых лучей.
2. Распространение лучей света по криволинейной траектории возможно только в среде с изменяющимся коэффициентом преломления. Однако, треки распространяются внутри мыльной пленки по криволинейным траекториям.
3. Луч лазера фокусируют на входе в пленку. Треки, которые образуются, должны расходиться, однако они самофокусируются.
4. эффект самофокусування световой энергии возникает при больших плотностях световой энергии. Исследования треков свидетельствуют о том, что они самофокусируются, независимо от мощности лазерного луча.

Для исследований была использована установка, схема которой показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . Установка для изучения лазерных треков в мыльных пленках: 1 - мыльная пленка; 2 - прозрачный сосуд; 3 - лазер на регулируемой стойке; 4 - столик; 5 - шприц медицинский с трубкой; 6 - источник питания; 7 - штуцер; 8 - регулируемый шарнир с фиксатором; 9 – регулируемая стойка; 10 - стол.

Мыльная пленка формировалась на верхней кромке сосуда при помощи шпателя, смоченного в растворе ПАВ. Луч лазера направлялся в торец пленки или под малым углом к ее поверхности. Положение пленки по вертикали регулировалось путем изменения объема воздуха в сосуде при помощи медицинского шприца.

Луч лазера, проходя сквозь стенку сосуда и попадая в плоскость пленки, «прилипает» к ней, самофокусируется и распространяется в виде узких светящихся треков.

Нами была проведена серия опытов. Траектория движения треков и их количество каждый раз изменялись.

На рисунке 2 показаны возможные конфигурации треков. На всех фотографиях изображен стеклянный сосуд (вид сверху) с прозрачными стенками. Луч лазера входит в стенку стакана справа, а выходит слева. Точки входа и выхода лазерного луча видны на фотографиях в виде ярких светлых пятен. Проходя в плоскости мыльной пленки, луч не подсвечивает ее из – за малой плотности энергии. Однако, некоторое количество световой энергии проникает внутрь пленки и распадается на множество ярких лучей. На рисунке 2 а. показаны треки, на которые распался луч многомодового лазера. Снимок сделан в темноте, мыльная пленка расположена горизонтально. Плотность энергии, сфокусированная в виде трека,- невелика и он подвергается влиянию многих факторов. Так, траектория движения трека может быть и в виде ломаной линии (сходность по виду с молнией) и в виде дуги. Совокупность треков может иметь древовидную форму с началом в точке прохождения лазера через стенку сосуда. Такая картина характерна для горизонтального расположения пленки. Траектория «молния», ломанная, формируется для треков, которые на пути своего распространения столкнулись с «крупными» частицами, инородными включениями мыльной пленки. Небольшие частицы на пути трека рассеивают часть света и он становится видимым, не меняя направления распространения.

а б в

Рисунок 2.(а,б,в) Световые треки в мыльной пленке.

Если пленку расположить под углом к горизонтальной плоскости, то жидкость, расположенная между поверхностными слоями будет стекать. На пленке, в отраженном свете появятся параллельные цветные интерференционные полосы. При стекании жидкости, интерференционные полосы перемещаются в сторону наклона поверхности. По интерференционной картине можно судить об изменении толщины пленки. В случае расположения пленки под наклоном, треки имеют дугообразную форму. Сопоставление условий проведения экспериментов и визуальных наблюдений за треками позволило установить, что искривление треков, образованных лучами различных мод, имеет разную величину, но однозначно коррелирует с изменением толщины мыльной пленки. Луч всегда отклоняется в сторону утолщения пленки (рисунок 2.б.).

Если луч лазера входит под небольшим углом к плоскости пленки, треки возникают не всегда. Луч лазера, проходя в пленке, создает треки в определенных местах (рисунок 2.в.). На фото видно, что треки берут начало в определенных местах. Освещение мыльной пленки рассеянным светом лазера с длинной волны, равной длине волны светового трека, дает возможность соотнести условия возникновения трека с толщиной мыльной пленки. Треки возникают в зонах черного цвета (в отраженном свете). Известно, что эти зоны соответствуют разности хода интерферирующих лучей Δ, равной,

(k=0, 1, 2, 3…..).

Выводы.

В работе исследовано необычное поведение лазерных световых лучей в мыльных пленках. Изучалась зависимость формы световых треков от толщины мыльной пленки и от ее ориентации, относительно горизонтальной плоскости.

Были установлены ранее неизвестные закономерности:

1. Искривление траектории трека происходит в местах изменения толщины мыльной пленки. Отклонение луча направлено в сторону ее увеличения.

2. При входе светового луча в пленку под небольшим углом, треки образуются на участках пленки, где разность хода интерферирующих лучей соответствует условию:

(k=0, 1, 2, 3…..).

Список литературы

1. Старцев А. В., Стойлов Ю. Ю. «Способ получения поверхностных поляритонов», заявка на патент №20022132754 от 5 декабря 2002 года.

2. Старцев А. В.. Стойлов Ю. Ю. «Рецепт чуда: лазерный луч в мыльной пленке»//Москва. – 2003.

3. Старцев А. В., Стойлов Ю. Ю. «О двойном лучепреломлении в мыльных пленках»//Москва. – 2005.