Nhuộm nhiễu xạ của côn trùng

Nhuộm nhiễu xạ của côn trùng

Màu sắc nhiễu xạ (cấu trúc) của chim, bướm và bọ cánh cứng rất phổ biến trong tự nhiên.
Nhiều sắc thái khác nhau của màu nhiễu xạ là đặc trưng của chim công, gà lôi, cò đen, chim ruồi, bướm vùng nhiệt đới và nhiều loài bọ cánh cứng (trong số đó có bọ cánh cứng, mọt, bọ cánh cứng, v.v.).
Màu sắc nhiễu xạ của động vật không chỉ được nghiên cứu bởi các nhà sinh vật học mà còn bởi các nhà vật lý, ví dụ như Rayleigh, Wood, Michelson.

Bề mặt bên ngoài bộ lông của nhiều loài chim và lớp phủ cơ thể phía trên của bướm và bọ cánh cứng được đặc trưng bởi sự lặp lại thường xuyên của các yếu tố cấu trúc với khoảng thời gian từ một đến vài micron.
Ở một số động vật, các cấu trúc tương tự có thể bao phủ cơ thể thành nhiều lớp, tạo thành cách tử nhiễu xạ nhiều tầng (thể tích).

Cùng với nhiễu xạ, động vật cũng có thể có màu giao thoa thuần túy, hình thành trên lớp vỏ ngoài mỏng và trong suốt (hình nêm có mặt cắt ngang dọc theo trục đối xứng chính) với độ dày của lớp hoạt động quang học từ một phần mười micron đến vài micron.

Trong Hình 1 và 2, bạn thấy các bức ảnh chụp cánh bướm và lưng của một con bọ lá châu Á (các vùng có màu nhiễu xạ được chọn).
Hình 1, 2, 3 được chụp bằng kính hiển vi có độ phóng đại gấp trăm lần.
Ánh sáng bên được sử dụng để xác định các yếu tố cấu trúc.
Các bức ảnh cho thấy rõ sự lặp lại của các yếu tố cấu trúc.

Cơm. 1

Cơm. 2

Cơm. 3. Cấu tạo của mắt trung tâm lông đuôi công.
Màu sắc của mắt thay đổi tùy thuộc vào cách ánh sáng chiếu vào chúng và chúng ta nhìn chúng ở góc độ nào.
(Trong bức ảnh ở bìa trước, đôi mắt này có màu xanh lam.)

Màu sắc của lớp phủ bề mặt có thể thay đổi tùy thuộc vào góc mà ánh sáng chiếu vào bề mặt cách tử, cách định hướng của các tia sáng so với các phần tử của cấu trúc và góc nhìn của bề mặt.

Cơm. 4

Rõ ràng, màu sắc của bề mặt có liên quan đến sự phản xạ của tia.
Chúng ta hãy xem xét nhiễu xạ định lượng trong ánh sáng phản xạ.
Để các tia sáng rơi vào cách tử một góc $\theta_0$ và phản xạ từ nó một góc $\theta$ (Hình 4).
Hiệu giữa đường đi của tia 1 và 2 bằng
$$\Delta=\Delta_2-\Delta_1=d\sin\theta_0-d\sin\theta,\tag1$$
hoặc $$\Delta=2d\cos\dfrac{\theta_0+\theta}2\sin\dfrac{\theta_0-\theta}2.\tag2$$

Vì đối với cực đại nhiễu xạ $\Delta=k\lambda$ ($k=1$, 2, $\ldots$), thì $$k\lambda=2d\cos\dfrac{\theta_0+\theta}2\sin\dfrac{\theta_0-\theta}2.\tag3$$

Năng lượng cao nhất được định vị ở cực đại nhiễu xạ thứ nhất ($k=1$).
Đối với mức tối đa này, giả sử rằng $\theta$ gần với $\theta_0$, từ biểu thức (3) chúng ta thu được
$$\lambda=(\theta_0-\theta)d\cos\theta_0.\tag4$$

Đặt $\theta_0=65^\circ$ (trong trường hợp đang xem xét, hiện tượng nhiễu xạ trong ánh sáng phản xạ được quan sát thấy với tia tới xiên) và $\theta_0-\theta=3^\circ$ (khoảng 0,05 rad).
Khi đó, ví dụ, với $d=2\cdot10^{-3}~\text{см}$ bước sóng của ánh sáng nhiễu xạ từ phương trình (4) bằng $\lambda\approx0{,}4\cdot10^{-4}~\text{см}$.

Giá trị kết quả $\lambda$ tương ứng với vùng màu xanh lam của quang phổ.
Thông thường, màu nhiễu xạ trong tự nhiên được quan sát thấy ở ánh sáng xanh lục, xanh lam hoặc lục lam.
Từ công thức (4), rõ ràng bước sóng $\lambda$ phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng $\theta_0$.
Thật vậy, nếu bề mặt được chiếu sáng từ các góc khác nhau, màu sắc có thể thay đổi.

Trong trường hợp cách tử nhiễu xạ nhiều lớp, điều kiện hình thành cực đại nhiễu xạ được mô tả bằng phương trình
$$k\lambda=2l\cos\theta_0,\tag5$$
trong đó $l$ là khoảng cách giữa các lớp mạng liền kề.
Phương trình này thu được bằng cách xác định độ chênh lệch đường đi $\Delta=\Delta_1+\Delta_2$, giữa các chùm 1 và 2 (Hình 5) và thay thế $\Delta$ cho cực đại nhiễu xạ qua $k\lambda$.

Cơm. 5

Giả sử $k=1$, từ biểu thức (5) ta thu được
$$\cos\theta_0=\dfrac{\lambda}{2l}.\tag6$$
Theo đó, nhiễu xạ bởi cấu trúc nhiều lớp có thể xảy ra ở $2l\gt\lambda$.