Bong bóng xà phòng không chứa chút chất màu nào, vậy mà lấp lánh đủ màu vì giao thoa ánh sáng. Ánh sáng chiếu vào bị phản xạ một phần ở mặt ngoài và một phần ở mặt trong của lớp màng mỏng. Hai phần gặp lại nhau, màu nào có sóng khớp nhịp thì được tăng cường, màu nào lệch nhịp thì bị triệt tiêu, và kết quả phụ thuộc độ dày màng ở từng chỗ. Mặt đĩa CD cũng tách được màu, nhưng bằng hàng nghìn rãnh nhỏ song song.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Thổi bong bóng là trò chơi của tuổi thơ, và nó cũng là một trong những thí nghiệm sóng ánh sáng đẹp nhất mà ai cũng làm được. Tập này mình chỉ cách pha nước để có bong bóng bền, rồi cùng nhìn kỹ những dải màu trôi trên đó để đọc ra độ dày của một lớp màng mỏng hơn sợi tóc rất nhiều lần.
Pha nước thổi bong bóng cho bền
Công thức cơ bản là nước rửa chén pha với nước sạch, khoảng một phần nước rửa chén với vài phần nước. Nước máy cứng nhiều khoáng thì bong bóng mau vỡ hơn, dùng nước đun sôi để nguội hay nước lọc sẽ tốt hơn.
Muốn bong bóng bền và to, nhiều người thêm một chút glixêrin mua ở hiệu thuốc, hoặc một ít đường. Chúng giúp lớp màng giữ nước lâu hơn, chậm bay hơi. Pha xong để hỗn hợp nghỉ vài giờ, bong bóng thường đẹp hơn.
Que thổi có thể uốn từ dây thép bọc nhựa, hoặc dùng ống hút. Muốn bong bóng thật to, buộc một vòng dây vải vào hai que, nhúng rồi kéo nhẹ qua không khí.
Ngày ẩm, lặng gió là ngày bong bóng bền nhất. Trời hanh khô và gió mạnh làm màng bay hơi và rách nhanh.
Màu sắc sinh ra từ hai lớp phản xạ
Màng xà phòng là một lớp nước cực mỏng kẹp giữa hai lớp phân tử xà phòng. Ánh sáng tới màng, một phần phản xạ ngay ở mặt ngoài, một phần đi vào trong màng rồi phản xạ ở mặt trong và quay ra. Hai chùm sáng ấy gặp lại nhau trên đường tới mắt bạn.
Chùm đi vào trong màng phải đi thêm một quãng ngắn bằng hai lần độ dày màng. Nếu quãng thêm ấy làm sóng của hai chùm khớp đỉnh với đỉnh, màu đó sáng lên. Nếu làm đỉnh của chùm này rơi vào đáy của chùm kia, màu đó bị xoá đi.
Ánh sáng trắng gồm nhiều màu với bước sóng khác nhau. Ở một độ dày nhất định, có màu được tăng cường, có màu bị xoá, và phần còn lại tạo ra một màu bạn thấy. Độ dày thay đổi thì màu thay đổi.
Đây chính là giao thoa, bằng chứng rõ ràng rằng ánh sáng là sóng. Nhà vật lý Thomas Young đã dùng giao thoa để thuyết phục giới khoa học về bản chất sóng của ánh sáng từ đầu thế kỷ mười chín.
Đọc độ dày màng qua dải màu trôi
Nhìn kỹ một bong bóng, bạn sẽ thấy các dải màu trôi chảy liên tục, cuộn xoáy như vân đá. Đó là vì nước trong màng luôn chảy và bay hơi, độ dày thay đổi từng chỗ, từng giây.
Trọng lực kéo nước chảy dần xuống đáy bong bóng, nên phần trên mỏng dần. Thử dựng đứng một khung dây có màng xà phòng: bạn sẽ thấy những dải màu nằm ngang xếp chồng, chuyển dần theo thời gian, như một chiếc thước đo độ dày tự vẽ.
Ngay trước khi vỡ, có những vùng màng mỏng tới mức ánh sáng từ hai mặt gần như triệt tiêu nhau, vùng đó trông đen hay trong suốt không màu. Thấy chấm tối xuất hiện ở đỉnh bong bóng là biết nó sắp vỡ.
Vệt dầu loang trên mặt đường ướt có màu cầu vồng cũng vì cùng nguyên lý: một lớp dầu cực mỏng nổi trên mặt nước.
Đĩa CD: hàng nghìn rãnh tách ánh sáng
Lấy một đĩa CD hay DVD cũ, nghiêng dưới ánh đèn hay ánh nắng, bạn thấy những dải màu cầu vồng xoè ra từ tâm. Ở đây không có màng mỏng nào. Thông tin trên đĩa được ghi dọc một rãnh xoắn ốc với các vòng sát nhau, khoảng cách giữa chúng cỡ bước sóng ánh sáng.
Ánh sáng phản xạ từ rất nhiều vòng rãnh song song đó giao thoa với nhau. Mỗi màu được tăng cường mạnh nhất theo một góc riêng, nên các màu tách ra theo góc nhìn. Hiện tượng này gọi là nhiễu xạ, và tấm có nhiều rãnh song song đều nhau gọi là cách tử.
Các nhà thiên văn và nhà hoá học dùng cách tử để tách ánh sáng của sao, của ngọn lửa ra thành quang phổ và đọc thành phần của chúng, như mình đã kể ở tập về các vạch màu của nguyên tử.
Màu óng ánh trên cánh một số loài bướm, lông công, vỏ trai cũng sinh ra từ những cấu trúc siêu nhỏ giao thoa với ánh sáng, chứ không phải từ chất màu. Người ta gọi đó là màu cấu trúc.
Vài lời dặn an toàn khi chơi với trẻ
Nước xà phòng vào mắt gây cay xót, hãy dặn trẻ thổi ra xa mặt, không hút ngược ống. Nếu bị vào mắt, rửa bằng nhiều nước sạch.
Bong bóng vỡ để lại những giọt xà phòng trên sàn gạch rất trơn. Chơi ngoài sân hay trên bãi cỏ là tốt nhất; chơi trong nhà thì lau sàn ngay.
Với đĩa CD cũ, nếu muốn bóc lớp phủ hay cắt đĩa để làm kính quang phổ, mép nhựa có thể rất sắc, việc cắt nên để người lớn làm.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: bong bóng giữ được hình tròn nhờ không khí bên trong ép ra và màng xà phòng co lại. Không khí quanh ta cũng đang ép lên mọi thứ với một lực rất lớn mà ta không cảm thấy. Có cách nào thấy được lực đó bằng một cái ly nước và một tấm bìa không?
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bong bóng xà phòng luôn tròn?
Màng xà phòng có sức căng bề mặt luôn muốn co lại cho diện tích nhỏ nhất. Với một thể tích không khí cho trước, hình cầu là hình có diện tích bề mặt nhỏ nhất, nên bong bóng tự tròn.
Giao thoa ánh sáng là gì?
Giao thoa là hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp nhau, chỗ khớp nhịp thì sáng hơn, chỗ lệch nhịp thì tối đi. Nó là bằng chứng ánh sáng có tính chất sóng.
Vì sao bong bóng vỡ khi chạm tay khô?
Tay khô có bụi và dầu, hút nước ra khỏi màng tại điểm chạm làm màng mỏng đi và rách. Nhúng tay vào nước xà phòng trước thì có thể chạm nhẹ mà bong bóng không vỡ.
Vệt dầu trên đường có màu là do dầu có màu không?
Không hẳn. Lớp dầu loang rất mỏng trên mặt nước tạo màu cầu vồng nhờ giao thoa, giống bong bóng xà phòng. Dầu dày thì chỉ thấy màu nâu sẫm vốn có của nó.
Dùng đĩa CD làm kính quang phổ được không?
Được, một kính quang phổ đơn giản có thể làm từ hộp bìa có khe hẹp và một mẩu đĩa CD hay DVD làm cách tử. Nhìn qua đó vào bóng đèn sẽ thấy dải màu; tuyệt đối không nhìn vào Mặt Trời.
