作者：彭曉韜

日期：2020.04.28

[文章摘要]：薄膜干涉是一種日常生活中很常見的物理現(xiàn)象，對其干涉條件也有比較系統(tǒng)性的研究。但就自然光(太陽光)條件下，往往大于一定厚度的薄膜(也是為什么叫薄膜干涉而不叫膜干涉的原因所在)是不會出現(xiàn)干涉的，而厚度小到與可見光波長相近的肥皂泡，甚至接近分子直徑的油膜卻可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這就與光程差大于光的半波長即可產(chǎn)生干涉的條件相背。也與光是具有動能與動量的粒子假設(shè)相背：光子為什么不會穿透薄到與分子直徑接近的油膜，反而會在分子表面與底面形成反射？本文就此提出一些不成熟的看法與想法，供有興趣進一步研究者參考。

一、薄膜干涉現(xiàn)象及機理簡介

從上圖一和二可知：在太陽光照片下，空氣中分布較均勻的微小水滴可使太陽光產(chǎn)生散射并形成類似薄膜干涉一樣的彩虹。其機理是：水滴表面的散射光與入射進水滴并被水滴內(nèi)表面反射出來的透射光合并并照射到人眼時，其復(fù)合后的光的主頻會因入射進入水滴內(nèi)部再被反射而透射出來的光程差主要與視角度有關(guān)而出現(xiàn)不同顏色的光帶：波長與光程差相同或相近或成倍數(shù)關(guān)系的光將得到加強，其它波長的光將變?nèi)酢９獬滩钚〉膹?fù)合后得到加強的光的頻率偏高而呈現(xiàn)出藍色光帶，反之呈現(xiàn)出紅色光帶。視高度大于太陽視高度的水滴產(chǎn)生的光程差隨視高度減小，因此，紅光帶在下方，藍光帶在上方；而視高度小于太陽視高度的水滴產(chǎn)生的光程差隨視高度增大，因此紅光帶在上方，藍光帶在下方。這就是彩虹為什么會出現(xiàn)上下顏色顛倒的原因所在。

圖四：薄膜干涉動圖

吹泡泡是大家最熟悉不過的童年游戲了。沾上一些泡泡水，輕輕吹一口氣，一串串五彩斑斕的泡泡在陽光下隨風(fēng)飄散。泡泡水用光了后，爸媽又不愿意買一瓶新的，怎么辦？小腦袋靈光一閃，倒一點洗潔精或者洗衣粉又或者洗發(fā)露，兌水配成一瓶“泡泡水”?？墒沁@瓶“泡泡水”怎么吹都吹不出買的泡泡水那么多的泡泡了。這是為什么呢？

今天小編就來給大家解答這個童年迷思，順便給大家一份配制泡泡水的秘籍。

●神奇的表面張力●

提到泡泡就不得不說一下表面張力這個概念，兩種不同物態(tài)的物質(zhì)之間界面上的張力被稱為表面張力 [1]。從分子力的層面來理解，表面張力是由物質(zhì)內(nèi)部的吸引力導(dǎo)致的。拿液體來說，液體內(nèi)部分子之間的吸引力一般比氣體中分子之間或氣體與液體之間的分子之間的吸引力要大，使得液體收縮，表面好似緊繃的一層膜。從能量的角度來理解，表面的分子具有較高的分子勢能，為了達到低能量的穩(wěn)定狀態(tài)，就需要減少表面分子的暴露，減小液體的表面積。要注意的是，它雖然有個名字中帶個“力”，但實際上它的單位是N/m或J/m2。

純水的表面張力為72.75mN/m，乙醇的表面張力為22.55mN/m，所以酒精的表面張力是要比純水小的。減少純水的表面張力還可以往里面加入表面活性劑。所謂表面活性劑，就是能使溶液表面張力顯著下降的物質(zhì)，表面活性劑一般為具有親水基團（“頭”）與疏水基團（“尾”） 的有機兩性分子。而溶于水中的無機鹽則能增大表面張力。

十二烷基硫酸鈉（看起來像毛毛蟲），表面活性劑的一種，被廣泛用于洗衣粉中 | 來源：Wikipedia

生活中的許多現(xiàn)象都和表面張力有關(guān)，比如水黽的輕功水上漂，一分的硬幣浮在水面上，《三體》的曲率飛船的原理（誤入）。

水黽輕功水上漂，破了它的輕功很簡單，加點表面活性劑 | 來源：Wikipedia

在小船的尾部滴加洗滌劑，小船尾部的表面張力小，前方的表面張力大，從而將小船向前“拉”了過去

說了這么多，表面張力和泡泡到底有什么關(guān)系呢？純水的表面張力比較大，不能形成穩(wěn)定的泡泡，因為泡泡的產(chǎn)生會增大氣液間的表面積，使得表面自由能增大，這是熱力學(xué)不穩(wěn)定的。加入表面活性劑后，表面活性劑的親水基團插入水相，疏水基團豎在空氣中，這樣降低了表面張力，讓泡泡能穩(wěn)定存在一段時間。從下面這張圖中可以看出，泡泡膜是三明治結(jié)構(gòu)，兩側(cè)是表面活性劑，中間夾著一層水，這一三明治結(jié)構(gòu)對后面泡泡水的配方至關(guān)重要。

泡泡的結(jié)構(gòu)

●薄膜干涉●

吹泡泡的時候，小朋友們最迷戀的就是它彩虹般的顏色，五彩斑斕，像被施了魔法一樣。泡泡的顏色其實是一個很常見的光學(xué)現(xiàn)象——薄膜干涉。

所謂薄膜干涉，就是一束光照射于薄膜，由于折射率不同，光會被薄膜的上界面與下界面分別反射，因相互干涉而形成新的光，這現(xiàn)象稱為薄膜干涉 [2]。新的光是上下界面反射光的疊加，兩個界面的反射光可能干涉相長（強度增加）或干涉相消（強度減?。?，這取決于它們的相位關(guān)系。

干涉相消（圖中沒把半波損失畫出來） | 來源：Wikipedia

干涉相長（圖中沒把半波損失畫出來） | 來源：Wikipedia

從上面圖中以看出，兩個界面的反射光的相位關(guān)系不僅與入射光波的波長（顏色）有關(guān)，與薄膜的厚度也有關(guān)。光程差為半波長的偶數(shù)倍是干涉相消，光程差為半波長的奇數(shù)倍時干涉相長（有半波損失）。所以，我們也就可以通過看泡泡的顏色來估計它的膜厚。

泡泡膜顏色與厚度的關(guān)系 | 來源：physics.stackexchange

泡泡膜顏色與厚度的關(guān)系 | 來源：soapbubble.dk

相信大家都有經(jīng)驗，如果泡泡顏色變成了黃昏時天空的那種金色，就說明泡泡快要破了。那么泡泡變薄的原因是什么呢，一是在重力作用下泡泡水會向下流動，二是泡泡的比表面積巨大，蒸發(fā)劇烈，使得泡泡很快變薄。

●大泡泡配方●

有了上面那些知識，現(xiàn)在就來解答“為什么用洗潔精配成的泡泡水吹不出很多泡泡”這個童年迷思。

不知大家發(fā)現(xiàn)沒有，自制的泡泡水吹出來的泡泡顏色沒有那么鮮艷，甚至有點發(fā)灰，一下子就破了。根據(jù)上面泡泡顏色和膜厚的關(guān)系，就很好理解：自制泡泡水吹出來的泡泡的膜很薄，很容易破。那怎樣才能讓泡泡膜變厚，并且維持比較長的時間呢？

和大家一樣，有很多人也對這件事兒好奇，所以就有個在線的Wiki [3]，專門分享泡泡水的配方和將泡泡吹大、吹多的方法。

確實，泡泡水的配方可不是洗潔精加水那么簡單（那時的小腦袋想盡辦法也不過是加大洗潔精的濃度，或者是換一種洗滌劑）。一般來說，有以下成分：去離子水、表面活性劑、甘油、聚合物、pH調(diào)節(jié)劑。

下面小編來給大家一一解釋這些成分的作用。

水是作為溶劑的，這大家都知道，但為什么要強調(diào)用去離子水？生活在水質(zhì)比較硬的地方小可愛就知道，用肥皂洗澡的時候，會發(fā)現(xiàn)肥皂水上面有一層浮渣。這些浮渣大部分其實不是人體的污垢，而是硬水中的鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉生成了溶解度更小的硬脂酸鈣和硬脂酸鎂，浮在了水面上。所以，為了讓表面活性劑發(fā)揮最好的性能，最好用去離子水。

在配方中當(dāng)然少不了表面活性劑了，常見的有很多，洗潔精、洗手液、洗衣液等等都可以。至于甘油，其實沒有什么特別的作用，主要是因為下面要用到的粘結(jié)劑不太溶于水，需要甘油來幫助它們?nèi)芙狻?/p>

至于泡泡水中需要添加聚合物，很多人就可能就不知道了。它不僅能讓泡泡膜變厚，還能讓泡泡延展開來后更不容易破裂。還記得前面說到了泡泡膜的三明治結(jié)構(gòu)嗎？聚合物也有減緩泡泡膜水分蒸發(fā)的作用，讓泡泡維持更長的時間。常見的聚合物添加劑有聚環(huán)氧乙烷（PEO）、瓜爾豆膠、聚乙烯醇（PVA，膠水中的就是它）等。

聚環(huán)氧乙烷PEO | 來源：Wikipedia

瓜爾豆膠 | 來源：Wikipedia

說到泡泡水中的聚合物，就不得不說一下美國埃默里大學(xué)的賈斯汀·伯頓（Justin Burton）副教授。他在巴塞羅那開會的時候看見街頭藝人表演吹出了巨大的泡泡，不由得想知道巨大的泡泡為什么能維持那么大的表面積而不至于破裂 [4]。于是他回到家研究泡泡的配方，并發(fā)現(xiàn)了Soap Bubble Wiki這個網(wǎng)站（就是參考資料[3]的那個網(wǎng)站）。經(jīng)過實驗，他發(fā)現(xiàn)聚合物對大泡泡的產(chǎn)生起了至關(guān)重要的作用。于是他就指導(dǎo)自己的研究生在實驗室吹泡泡玩，研究聚合物究竟為何能讓大泡泡不易破裂。然后就在Physical Review Fluids上發(fā)了一篇論文（見參考資料[5]），并且他的研究生還憑這個工作碩士畢業(yè)了（這也可以？？？）。

言歸正傳，配方中的pH調(diào)節(jié)劑主要是泡打粉、檸檬酸等。其實不用這些pH調(diào)節(jié)劑就可以獲得很好的泡泡水了，但是一些人發(fā)現(xiàn)加了pH調(diào)節(jié)劑后可以讓泡泡更容易閉合，并且延長泡泡的壽命。

Soap Bubble Wiki給初學(xué)者提供了一個入門配方，請大家備好小馬扎：1kg去離子水，40~65g洗潔精、1.5g瓜爾豆膠，2g泡打粉，適量甘油或酒精[6]。除了配方，吹大泡泡的工具也很重要，下面這種自制的工具能吸取盡可能多的泡泡水，吹出大泡泡。還專門有個網(wǎng)站收集大泡泡的世界紀錄（見參考資料 [7]）。

吹大泡泡工具示意圖 | 來源：Soap Bubble Wiki

吹大泡泡工具成品 | 來源：Soap Bubble Wiki

有誰童年的時候不想吹個大泡泡呢？但是，當(dāng)知道怎么吹大泡泡的時候，小時候無憂無慮的日子也像那五彩斑斕的泡泡一樣隨風(fēng)飄散了，真讓人懷念。

來源：Soap Bubble Wiki

來源：Soap Bubble Wiki

參考資料

[1] 表面張力

[2] 薄膜干涉

[3] soapbubble.fandom /wiki/Soap_Bubble_Wiki

[4] phys.org/news/2020-01-physics-giant-secret-fluid-mechanics.html

[5] Frazier S, Jiang X, Burton J C. How to make a giant bubble[J]. Physical Review Fluids, 2020, 5(1): 013304.

[6] soapbubble.fandom /wiki/Recipes_Guar

[7] recordholders.org/en/list/soapbubbles.html

鍍膜是在表面鍍上非常薄的透明薄膜，目的是希望減少光的反射，增加透光率，抗紫外線并抑制耀光、鬼影。鍍膜膜厚單位一般使用微米(μm) 單位，其厚度非常小，傳統(tǒng)方法根本無法精準測量,而在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)中鍍膜的厚度又對產(chǎn)品質(zhì)量有著極其重要的影響。因此，請大家來通過這篇文章來了解一下精質(zhì)視覺的“光學(xué)干涉測厚儀”。

【產(chǎn)品簡介】

精質(zhì)視覺的光學(xué)干涉測厚儀是利用光學(xué)干涉法，發(fā)射一束白光至薄膜表面，通過檢測反射光的干涉條紋，即可測量出薄膜的厚度。其可應(yīng)用在以下場所：

測量光學(xué)鍍膜、手機觸摸屏ITO等鍍膜厚度、PET柔性涂布的膠厚等厚度、LED鍍膜厚度，建筑玻璃鍍膜厚度及其它需要測量的鍍膜涂層厚度的場合。

【產(chǎn)品類別】

精質(zhì)視覺的光學(xué)干涉測厚儀分為以下兩種：