Iridiscencia, interferencia y reflexión

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¿Por qué vemos esos colores en la superficie? La superficie de las pompas es iridiscente, es decir, el tono de la luz varía de acuerdo al ángulo desde el que se observemos su superficie. El color iridiscente de las pompas de jabón es efecto de la interferencia entre las ondas de luz. Fuente: Wikipedia.

Cuando la luz incide en la película, parte de ella es reflejada por la parte exterior de la superficie mientras que otra parte entra dentro de la película y resurge tras ser reflejada varias veces por las dos superficies. La reflexión total que se observa está determinada por la interferencia de todas estas reflexiones.

Un rayo de luz incide sobre la superficie en el punto X. Parte de la luz es reflejada, pero alguna atraviesa la pared de la pompa y es reflejada en el otro lado de la pared.

Como cada vez que se atraviesa la película se produce un desfase proporcional al grosor de la película e inversamente proporcional a la longitud de onda, el resultado de la interferencia depende de estas dos cantidades. Por tanto, para un grosor dado, la interferencia será constructiva para algunas longitudes de onda y destructiva para otras, de manera que la luz blanca que incide en la película es reflejada con una tonalidad que cambia con el grosor.

En este diagrama vemos dos rayos de luz roja (rayos 1 y 2). Ambos rayos se dividen igual que antes y siguen dos caminos posibles, pero solo estamos interesados en los caminos representados con líneas continuas. Consideremos el rayo que emerge del punto Y. Consiste en dos rayos superpuestos: la parte del rayo 1 que atravesó la pared de la pompa y la parte del rayo 2 que se reflejó en la pared exterior. El rayo 1 ha viajado una distancia XOY mayor que la del rayo 2. Como XOY resulta tener la misma longitud que la longitud de onda de la luz roja, los dos rayos están en fase (las crestas y los valles están juntos).

Se puede observar un cambio de color cuando la pompa se hace más fina por evaporación. Las paredes más gruesas cancelan longitudes de onda rojas (más largas), causando una reflexión azul-verde. Luego, las paredes más finas cancelan el amarillo (dejando luz azul), luego el verde (dejando magenta) y luego el azul (dejando el amarillo).

En este caso, la longitud de onda es distinta. Esta vez XOY no es múltiplo de la longitud de onda, y por tanto los rayos 1 y 2 llegan a Y desfasados. Los valles del rayo 1 se alinean con las crestas del rayo 2, y los dos rayos se cancelan mutuamente. El efecto global es que, para este grosor de pompa, no se reflejará luz azul.

Finalmente, cuando la pared de la pompa se hace mucho más fina que la longitud de onda de la luz visible, todas las ondas de la región visible se cancelan unas a otras y no se percibe ninguna reflexión. Cuando se observa este estado, la pared es más fina que unos 25 nanómetros, y probablemente está a punto de estallar.

Esta imagen es una simulación por ordenador que muestra los colores reflejados por una película fina de agua iluminada por luz blanca sin polarizar. El radio es proporcional al grosor de la película, y el ángulo polar es el ángulo de incidencia.

Los efectos de interferencia también dependen del ángulo en el que la luz incide sobre la película, un efecto llamado iridiscencia. Por tanto, aunque la pared de la pompa tuviera un grosor uniforme, se seguirían viendo variaciones de color debido a la curvatura y/o al movimiento. Sin embargo, el grosor de la pared cambia continuamente porque la gravedad atrae al líquido hacia la parte baja, de manera que normalmente también se pueden observar bandas de color que se mueven hacia abajo.

Como pompas de jabón: ¿De qué depende la aparición de ciertos colores que vemos en la superficie de las pompas de jabón?

De la imagen:

Each point is coloured according to its polar coordinates. The radial coordinate is proportional to the thickness of the film, with the outer radius corresponding to 690 nm, and the angular coordinate is the angle of incidence, with the y-axis corresponding to normal incidence. The colours were calculated assuming unpolarized standard D₆₅ illumination and using the wavelength-dependent refractive index of water as specified by the International Association for the Properties of Water and Steam, at a temperature of 20 °C and a density of 1 kg/l. The reflectance of the film for linearly polarized light is given by

,

where  is the complex phase factor incurred by a double traversal of the film and  is the reflectance of a single interface as given by the Fresnel equations. The reflectance for unpolarized light is obtained by averaging over the two polarization modes.