Новый физический фейерверк - [300]

У голубой сойки перья сине-голубые благодаря преимущественному рассеянию света синей области видимого спектра маленькими клетками с ячеистой структурой в бородках перьев. Цвет оперения других птиц зависит одновременно и от рассеяния света, и от пигментации, или, возможно, еще от каких-то других вариантов интерференции световых волн.

Твердые кожистые надкрылья жука-геркулеса состоят из тонкой прозрачной пленки, покрывающей желтый губчатый слой. Ниже губчатого слоя лежит черная ткань. Когда губчатый слой заполнен воздухом, в рассеянном им свете остается практически только желтый свет, и, следовательно, надкрылья кажутся желтыми. В условиях повышенной влажности губчатый слой заполняется водой, и он становится более прозрачным: через этот слой проходит больше света, который поглощается нижним черным слоем. Тогда надкрылья выглядят черными.

6.116. Жемчуг

В чем причина блеска и игры света на жемчужинах и на внутренних поверхностях раковин, в которых они растут?

ОТВЕТ • Переливчатая окраска (изменение цвета при изменении угла зрения) — результат интерференции световых волн, а не просто поглощения света пигментами. Жемчужина состоит из перламутра, структура которого напоминает скрепленные цементом кирпичики из карбоната кальция (в форме кальцита или арагонита) в матрице из больших органических молекул. Плоские пластинки арагонита (кирпичики) разделены очень узкими щелями материала матрицы (слой цемента). Блеск и переливчатая окраска жемчужин появляются скорее благодаря рассеянию света на таких щелях, а не внутри кирпичиков. Эти щели представляют собой некое подобие дифракционной решетки. Более широкие щели приводят к яркой интерференционной картине (конструктивная интерференция) длинных световых волн (из красной области видимого спектра). Чтобы на поверхности жемчужины был ярко и отчетливо виден какой-нибудь чистый цвет, щели должны быть примерно одинаковой ширины, и расстояния между ними должны быть примерно одинаковыми. Тогда рассеянные на щелях волны усиливают друг друга. Если расстояния между щелями и их ширины варьируют, жемчужина становится блеклой и тусклой. Этим объясняется черный цвет некоторых жемчужин, но, возможно, в них имеется и пигмент, создающий темный фон.

6.117. Бугорки на глазах насекомых и самолеты-невидимки

Сложный глаз насекомых состоит из множества структурных единиц, или омматидиев, через которые проходит свет и в которых начинается обработка зрительной информации. Насекомое видит мозаику из изображений, создаваемых омматидиями. У многих насекомых внешняя поверхность омматидия гладкая. Но у некоторых из них она сплошь покрыта крохотными коническими бугорками. Какова же их функция? Физический эффект, объясняющий, зачем нужны эти бугорки, имеет отношение и к поглощающим поверхностям самолетов-невидимок, и к покрытиям окон с двойными и тройными стеклами.

ОТВЕТ • Одна из характеристик оптических свойств материала — коэффициент преломления, определяющий скорость света в данном материале. Когда свет проходит через поверхность, разделяющую среды с разными коэффициентами преломления, он частично отражается от этой пограничной поверхности, а оставшаяся часть проходит через нее. Например, если луч света направить на слой стекла, часть света отразится от поверхности раздела «воздух — стекло».

Поскольку коэффициент преломления омматидия больше, чем воздуха, на границе между ним и воздухом происходит частичное отражение света, и не весь падающий на глаз свет принимает участие в создании изображения. А отражательная способность омматидиев с бугорками гораздо меньше, и поэтому в глаз проникает гораздо больше света. Преимущество такой неровной поверхности связано с формой бугорков: на выступающем конце они уже, чем у основания (рис. 6.44). При наличии выступов световая волна падает не на гладкую поверхность, составленную из омматидиев, а переотражается с выступа на выступ — это уменьшает итоговое отражение, и внутрь глаза попадает больше света.

Рис. 6.44 / Задача 6.117. Бугорки на поверхности глаза насекомого уменьшают количество отраженного от глаза света.

Подобное решение применяется в строительстве. В регионах с холодным климатом любое отражение от стекла означает, что в помещение поступает меньше света, а значит, свет меньше обогревает его. В этих случаях, чтобы уменьшить отражение, поверхность одного или нескольких оконных стекол покрывают неровной пластиковой пленкой.

Затруднить обнаружение самолета-невидимки с помощью радара можно, если на его поверхности есть выступы, обеспечивающие поглощение радиоизлучения в области спектра обнаружения. Когда поверхность самолета ровная, поглощается только часть сигнала радара, а оставшаяся часть отражается. (Сходная ситуация возникает, когда видишь блики света на черном стекле: хотя существенная часть падающих лучей поглощается, отраженного света достаточно, чтобы увидеть стекло.) На поверхности самолета-невидимки имеются шероховатости, расстояние между которыми меньше длин волн радара, лежащих в микроволновом диапазоне. Излучение радара, падающее на неровную поверхность, постепенно поглощается, и отражение в направлении детектора радара уменьшается.