Вокруг Света 2009 № 06 (2825) - [2]

При отпуске важно тщательно выдерживать температуру нагрева. Ошибка всего на 10 градусов делает сталь непригодной для выбранной цели. Сегодня соблюдение условий термообработки уже не составляет проблемы, но в прошлом для этого требовалось особое мастерство. При закалке температуру нагрева определяли по цвету каления стали, но при отпуске нагрев не такой сильный и металл не испускает видимого света. И тут на помощь металлургам приходит интерференция.

Если тщательно зачистить поверхность стали, то во время нагрева на ней начинает нарастать тонкая прозрачная оксидная пленка. Чем выше температура, тем она толще. Как и в случае с нефтью на воде, световые волны, отразившиеся от пленки и от поверхности металла под ней, интерферируют, и по череде сменяющихся оттенков — их называют «цветами побежалости» — можно весьма точно определить достигнутую температуру. При 200 °C на поверхности появляется едва заметная желтизна. К температуре 230 °C, при которой отпускают твердый металлорежущий инструмент, цвет становится довольно выраженным соломенным. При 255 °C поверхность становится буровато-желтой — как раз для более мягких деревообрабатывающих инструментов. Около 270 °C начинает появляться пурпурный оттенок — эта температура годится для грубого столярного инструмента вроде пил и топоров. Синий цвет появляется к 300 °C — как раз для пружинной стали. А до 340 °C, когда поверхность становится водянисто-зеленой, отпуск никогда не доводят, иначе металл потеряет твердость, приобретенную ранее в ходе закалки.

В прошлом чтение цветов побежалости было одним из основных профессиональных навыков мастеров-металлургов. Некоторые из них чувствовали различия в оттенках металла тоньше многих художников. Ведь это был фактически единственный способ контролировать процесс получения качественной стали.

Интерференция волн на воде. Фото: SPL/EAST NEWS

Достичь просветления

Еще одно применение тонких интерференционных пленок — просветление оптики. Современные фотообъективы нередко состоят из десятка стеклянных и пластиковых линз. Каждая из двух десятков их поверхностей отражает около 4% света. Выходит, что более половины всего собранного объективом излучения пропадает зря и, что еще хуже, часть этого рассеянного света, испытывая повторные отражения, доходит до светочувствительной матрицы, создавая на снимке вуаль.

Для уменьшения количества рассеянного света линзы покрывают тонкими прозрачными пленками. Казалось бы, из-за роста числа поверхностей потери на отражение только возрастут, но благодаря интерференции эффект оказывается противоположным. Если взять пленку толщиной в четверть длины волны, световые колебания, отразившиеся от нее и от скрытой за ней поверхности линзы, сдвинутся на половину длины волны, выйдут наружу в противофазе (горбы к впадинам) и полностью погасят друг друга. То есть от поверхности линзы ничего не отразится. Этот прием называют «просветлением оптики», поскольку свет, который не был в итоге отражен, проходит сквозь линзу и участвует в построении изображения. То есть просветление не только подавляет блики, но и снижает потери света в объективе.

Конечно, полное гашение бликов — недостижимый на практике идеал. Свет состоит из волн разной длины, а толщина пленки фиксирована. Обычно ее выбирают так, чтобы наилучшее гашение достигалось в зеленой области спектра, на которую приходится максимальная чувствительность глаза или матрицы фотоаппарата. На краях же спектра подавление бликов работает хуже, и поэтому на просвет оптика с покрытиями выглядит желтовато-оранжевой или сине-фиолетовой. Для полного гашения бликов также нужно, чтобы отражения от поверхности пленки и от стекла под ней имели одинаковую интенсивность, а этого тоже пока добиться не удается. Простое «четвертьволновое» просветляющее покрытие способно снизить потери света на каждой оптической поверхности с 4 до 2%. Для достижения еще большего эффекта применяют многослойные покрытия, которые рассеивают всего полпроцента света.

В воде, где световые волны становятся на четверть короче, цвет таких бабочек меняется. Фото: SPL/EAST NEWS

В обход препятствий

Все приведенные примеры интерференции являются очень простыми. В них исходная волна разделяется на две за счет частичного отражения, а потом полученные волны складываются с небольшим сдвигом. Но есть и более сложные проявления интерференции множества числа волн.

Простейший пример такой сложной интерференции — сам процесс распространения световой волны. Если следовать Гюйгенсу, каждая точка в пространстве, которой достигли световые колебания, сама становится их источником. Но разве в таком случае свет не заполнит все пространство, подобно воде, затопляющей долину?

Объяснение парадокса кроется в тщательном учете влияния всех волн. На каждом гребне находится бесконечное число точек, и каждая из них действительно служит источником маленькой круговой волны. Но если посмотреть, какая картина сложится спустя небольшой промежуток времени, то окажется, что в большинстве точек пространства эти волны, сложившись, погасят друг друга и только немного впереди по ходу первоначальной волны они взаимно усилятся. Это и будет новое положение движущейся волны.