Оптические свойства двумерных макросистем

Подготовил ученик: Николаев Алексей Валерьевич, 9 «А» класс, МБОУ Гимназия №44.Учитель: Кистанов Александр Васильевич

Одним из приоритетных направлений современной экономики является развитие наноиндустрии. Отличительной особенностью наноматериалов является их геометрия. Вследствие пространственного ограничения и возникают уникальные свойства нанообъектов.Пространственное ограничение в одном направлении дает двумерную макросистему. Типичным пример которой могут быть различные тонкие плёнки: тонкие оксидные плёнки, тонкие углеводородные плёнки и самый простой пример – тонкие мыльные плёнки.

Актуальность

Направления развития наноиндустрии:

1. Синтез новых материалов

2. Исследование физических свойств этих материалов

Проблемы:1.Как стабилизировать двумерные макросистемы?2.Как контролировать их толщину?3.Какие условия возникновения интерференционных картин в двумерных макросистемах?

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Двумерные макросистемы

Цель: Изучить оптические свойства двумерных макросистем. Цель: Изучить оптические свойства двумерных макросистем.

Гипотеза: Если все бесцветные прозрачные материалы имеют толщину в пределах нескольких сотен нанометров, то они должны обладать оптическим эффектом, вызывающим появление окраски

Гипотеза: Если все бесцветные прозрачные материалы имеют толщину в пределах нескольких сотен нанометров, то они должны обладать оптическим эффектом, вызывающим появление окраски

Задачи:

С помощью доступных средств приготовить тонкие прозрачные плёнки и исследовать их оптические свойства. Познакомиться с принципами стабилизации тонких плёнок и контроля их толщины

Задачи:

С помощью доступных средств приготовить тонкие прозрачные плёнки и исследовать их оптические свойства. Познакомиться с принципами стабилизации тонких плёнок и контроля их толщины

Интерференция света

Интерференция — одно из наиболее убедительных доказательств волновых свойств.

Интерференция присуща волнам любой природы.

Интерференцией световых волн называется сложение двух или нескольких когерентных волн в однородной изотропной среде, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Как можно наблюдать интерференцию света?

Чтобы наблюдать интерференцию света, надо получить когерентные световые пучки.

Для этого, до появления лазеров, во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получались путем разделения и последующего сведения световых лучей, исходящих из одного источника света.

Для этого использовались щели, зеркала и призмы.

Условия максимума и минимума

Различные цвета тонких пленок зависят от:

1) толщины плёнки;2) вещества, соприкасающегося с плёнкой;3) угла падения;4) длины световой волны.

Интерференция в тонких пленках применяется

*Для контроля точности изготовления поверхности

*Для измерения небольших расстояний

*Для температурных режимов обработки

*Гравитация и турбулентность

Толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации , которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем

наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.

Экспериментальная часть

2.1. Изучение явления интерференции на примере мыльного пузыря

Для получения стабильной двумерной макросистемы, подвесим мыльный пузырь в пространстве с помощью углекислого газа, полученного из небольшого количества соляной кислоты и мрамора. Ввиду того что углекислый газ в 1.5 раза тяжелее воздуха, пузырь плавает на газе и радужные цвета получаются более однородные. Изучив теоретический материал я выяснил что образование радужных цветов в двумерных макросистемах связанно с явлением интерференции. Притом что там где плёнка толще (в нижней части пузыря) там усиливаются лучи с большей длиной волны (красные, оранжевые), там где тоньше (в верхней части пузыря) с малой длиной волны (синие, фиолетовые). Причем наблюдение интерференции происходит только строго при определенной толщине пленки. При большей (меньшей) толщине интерференция не наблюдается.

Наблюдая за пузырем, подвешенном на углекислом газе, можно заметить что интерференционная картина появляется не сразу а только через некоторое время, это говорит о том что она наблюдается только при определенной толщине в несколько сот нанометров. Так же можно заметить что в верхней части пузыря наблюдаются синие, фиолетовые цвета, это говорит о том что там пленка тоньше, а в нижней части желтые цвета, там пленка толще.

Так же наблюдать интерференцию можно если налить небольшое количество бесцветного лака для ногтей, разбавленного ацетоном, на поверхность воды в стеклянной чашке. Через некоторое время (при достижении, опять же, толщины пленки определенных размеров, сравнимых с длиной волны падающего света) по мере растекания и испарения вещества образуется тонкая радужная плёнка на поверхности воды. Толщина пленки примерно везде одинаковая. Здесь цвета меняются в зависимости от угла падения световых лучей.

2.2. Интерференция в тонких пленках (бесцветный лак +жидкость для снятия лака + чашка Петри + стеклянная палочка)

Через некоторое время плёнка застывает и её можно аккуратно снять стеклянной палочкой, которую можно использовать при наблюдении интерференции в школе, а также для нанесения на небольшие металлические предметы в качестве антикоррозионного покрытия.

2.3. Цветовые переходы в тонких пленках железной окалины Fe3O4 при нагревании стальных предметов

Цветовые переходы в тонких пленках железной окалины Fe3O4 можно наблюдать при нагревании стальных предметов. Для данного исследования мы использовали измерительную систему Vernier, датчик температуры (термопара), электроплитку, лезвие для бритья. Если взять лезвие для бритья и положить на поверхность электроплитки, то можно увидеть что тонкая плёнка, образовавшиеся на поверхности лезвия, меняет цвета с ростом температуры. Дело в том, что при нагревании железо взаимодействует с кислородом и образуется тонкая оксидная пленка, которая меняет свои цвета по мере нагревания. Это говорит о том, что тонкая плёнка меняет свою толщину.При достижении толщины несколько сот нанометров наблюдается явление интерференции, больше этой толщины и меньше этой толщины интерференция не наблюдаетсяВ процессе исследования наблюдаем сначала желтый(230 С), затем коричневый, красный(238 С), потом васильковый(298 С).

ВЫВОДЫ:

*1. Получены двумерные макросистемы

*2. Решена проблема стабилизации тонких мыльных пленок

*3. Исследованы условия возникновения интерференционных картин в двумерных макросистемах.

Используема литература: 1. Т. Тит. Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения. – М.:Издательский Дом Мищерякова, 2008 год2. я. Е. Гегузин «Пузыри» - М.:Наука,1985 год.3. Гроссе, Э., Ваисмантель Х., Химия для любознательных. – Л.:Химия 1985.4. Пузыри на морозе. «Наука и жизнь, №2, 982.5. Лущекина О. Б. «Газета физика» №22 2004 год «Шоу мыльных пузырей, или куда может завести работа над проектами».6. «Домашний монгольфьер», «наука и жизнь №6» 2001год

Координаты для связи: aleksei_inc@mail.ru