Mengapakah Gelembung Sabun Berwarna-warni?

Apabila kita meniup gelembung sabun di bawah cahaya Matahari, permukaannya sering memperlihatkan jalur biru, hijau, merah dan ungu. Warna-warna ini bergerak dan berubah bentuk sehingga gelembung itu pecah. Menariknya, warna tersebut tidak semestinya berasal daripada pewarna dalam sabun. Sebaliknya, ia terhasil melalui interaksi cahaya dengan lapisan cecair yang sangat nipis. Fenomena ini dikenali sebagai interferens lapisan nipis.

Gelembung sabun mempunyai dua permukaan

Gelembung sabun terbentuk daripada lapisan cecair nipis yang memerangkap udara. Lapisan ini mengandungi air dan bahan aktif permukaan daripada sabun atau detergen. Walaupun kelihatan seperti satu permukaan, lapisan cecair tersebut sebenarnya mempunyai dua sempadan, iaitu permukaan luar yang bersentuhan dengan udara di luar gelembung dan permukaan dalam yang bersentuhan dengan udara di dalamnya.

Apabila cahaya mengenai gelembung, sebahagiannya dipantulkan oleh permukaan luar. Sebahagian cahaya yang lain memasuki lapisan cecair, bergerak melaluinya dan kemudian dipantulkan oleh permukaan dalam, lalu sebahagian daripada pantulan kedua ini keluar semula melalui permukaan luar. Kedua-dua pantulan tersebut boleh sampai ke mata pemerhati dan saling berinterferens, dan keadaan inilah yang membolehkan lapisan yang hampir tidak berwarna menghasilkan corak pantulan berwarna-warni.

Apakah maksud interferens cahaya?

Cahaya mempunyai sifat gelombang. Apabila dua gelombang cahaya yang mempunyai hubungan fasa yang sesuai bertindih, hasil gabungannya bergantung pada perbezaan fasa antara kedua-duanya. Jika gelombang bertindih dengan fasa yang sepadan, amplitud paduannya boleh menjadi lebih besar, dan keadaan ini dikenali sebagai interferens membina. Sebaliknya, jika gelombang bertindih dengan fasa yang bertentangan, amplitud paduannya boleh berkurang, dan keadaan ini dikenali sebagai interferens memusnah.

Bagi cahaya yang dipantulkan oleh lapisan sabun, interferens membina boleh meningkatkan keamatan pantulan pada panjang gelombang tertentu, manakala interferens memusnah boleh mengurangkannya. Oleh sebab warna cahaya tampak berkaitan dengan panjang gelombangnya, perubahan keamatan pantulan pada panjang gelombang yang berbeza menghasilkan warna yang kita lihat. Interferens ini bukan bermaksud dua warna bercampur seperti cat, kerana ia melibatkan pertindihan gelombang elektromagnet.

Mengapakah ketebalan lapisan menentukan warna?

Cahaya yang dipantulkan oleh permukaan dalam perlu melalui lapisan sabun sebelum keluar semula, jadi cahaya tersebut menempuh laluan optik yang berbeza daripada cahaya yang dipantulkan terus oleh permukaan luar. Perbezaan laluan ini mempengaruhi hubungan fasa antara kedua-dua gelombang. Selain itu, pantulan pada permukaan luar mengalami perubahan fasa kira-kira 180 darjah dalam model biasa, kerana cahaya dipantulkan ketika bergerak dari medium berindeks biasan lebih rendah ke medium berindeks biasan lebih tinggi. Sebaliknya, pantulan pada permukaan dalam, iaitu dari lapisan cecair ke udara, tidak mengalami pembalikan fasa yang sama.

Gabungan perbezaan laluan optik dan perubahan fasa menentukan panjang gelombang yang mengalami interferens membina atau memusnah. Apabila ketebalan lapisan berubah, panjang gelombang yang dipantulkan dengan kuat juga boleh berubah. Itulah sebabnya bahagian gelembung yang berbeza boleh memperlihatkan warna yang berbeza pada masa yang sama.

Mengapakah warna bergerak pada permukaan gelembung?

Lapisan cecair pada gelembung tidak mempunyai ketebalan yang seragam sepanjang masa. Graviti menyebabkan cecair cenderung mengalir ke bahagian bawah gelembung, dan penyejatan serta pergerakan cecair dalam lapisan turut mengubah ketebalannya. Apabila ketebalan berubah, keadaan interferens bagi cahaya yang dipantulkan juga berubah, lalu jalur warna boleh bergerak, mengecil, melebar atau bertukar warna. Corak warna juga bergantung pada sudut pandangan, maka perubahan kedudukan pemerhati boleh mengubah warna yang kelihatan walaupun ketebalan lapisan tidak berubah.

Pada bahagian yang menjadi amat nipis berbanding panjang gelombang cahaya tampak, cahaya yang dipantulkan oleh kedua-dua permukaan boleh mengalami interferens memusnah yang kuat, dengan mengambil kira pembalikan fasa pada salah satu pantulan. Bahagian tersebut mungkin kelihatan gelap apabila diperhatikan melalui cahaya pantulan dengan latar belakang gelap. Walau bagaimanapun, kawasan gelap tidak semestinya bermaksud lapisan sabun telah hilang, kerana cahaya masih boleh menembusi lapisan tersebut.

Adakah setiap warna menunjukkan ketebalan yang tetap?

Tidak semestinya. Bagi lapisan dengan indeks biasan tertentu, panjang gelombang yang dipantulkan dengan kuat bergantung pada ketebalan lapisan dan sudut cahaya. Tambahan pula, interferens membina boleh berlaku pada beberapa ketebalan berbeza bagi panjang gelombang yang sama. Oleh itu, kita tidak boleh menentukan ketebalan sebenar lapisan sabun hanya dengan melihat satu warna tanpa mengetahui keadaan optik yang berkaitan.