| 【 つくりかた 】 |
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1） コップに水を8分目ほど入れます。
2） これに洗剤を数滴落とし、泡立てないようにして、よくかき混ぜます。
3） ストローに、このコップの水を先端から数センチほどすくい上げます。
4） 吸い上げた水を約1cmほどの高さから落とします。
うまくいくと、水中に直径１cmほどのシャボン膜ができます。
※何度やってもうまくいかないときには、さらに洗剤を数滴落とし、同様にやってみます。でも、洗剤が濃くなりすぎるとかえってできにくくなってしまうので注意！
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| 水中にシャボン玉ができてからの変化を真横から撮影してみました。 |
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| できた直後には、膜が厚いので、たくさんの細かな干渉縞が見られます。膜の空気はシャボン玉の上部に移動していくので、時間が経つにつれて膜は薄くなっていきます。膜が薄くなるにつれて、色も変化し、干渉縞の幅も広くなっていきます。 |
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空気がシャボン玉の上部に集まり、やや出っ張っているのがわかると思います。
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| 【 参考 】 |
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下の写真から水の屈折率を求めることができます。求めた値は、1.3でした。
データ集の値が1.33なので、よく一致しているといえます。 |
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| 【 研究 】 |
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写真から水の屈折率を求めることができます。
水の屈折率をｎとすると、  が成り立ちます。
 が臨界角θ 0 なので、 となり、臨界角θ 0 を求めれば、屈折率ｎ 0 が求められます。
また、sinθ 0 は図のようにすると、sinθ 0 ＝a/rとなるので、全反射している部分の内側と外側の円の半径を求めれば、求められます。
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| 【 発展 】 |
水中のシャボン玉の膜厚をはかってみました。まず水中にシャボン玉をつくります。次にこのシャボン玉をストローでつついて割ります。このとき、膜を作っていた空気が、小さな気泡となって水中を上昇してきますので、集めて体積を量ります。
ひとつのシャボン玉では空気が少なすぎて、その体積を正確に量れないので、60個分の空気を集めて量りました。
シャボン玉の膜を作っている空気の体積Ｖ（ひとつあたりの平均値）は、V＝0.5mm 3 となりました。
一方、水中にできたシャボン玉の直径はその平均値が11mmだったので、シャボン玉の表面積SはS=380mm 2 となります。
したがって、膜の厚さDはＤ＝Ｖ／Ｓ＝0.5／380＝0.0013mm ということになります。
できたての水中のシャボン玉の膜厚は、およそ1〜2μm程度だということになります。
それから、膜は見る見る薄くなって、最終的にはD=0.0001mm程度になることが膜の干渉色から推定することができます。 |
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| 【 考察 】 |
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水中のシャボン玉がどうしてできるのか？ 私の考えを説明しておきます。
ストローから飛び出た水滴は、その表面に薄い空気の膜（境界層）を伴って落下していきます。したがって、水面に触れたとき、水面と水滴の間には空気の膜があります。
逆にこの段階で空気膜ができなかったときには、シャボン玉もできません。水滴が空気膜に包まれた状態で水中にもぐり、破れずにうまく空気膜が閉じると、シャボン玉になります。
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それではどうして薄い空気の膜が安定して存在できるのでしょうか。
それは膜に膜厚を一定に保とうとする復元力が働くからです。
復元力の原因は界面活性剤（洗剤の成分）です。界面活性剤分子は、膜の表面に集まって層を作ります。何らかの原因により、膜が引き伸ばされて薄くなると、膜の表面の界面活性剤分子の濃度が低下します。その結果、表面張力が増大し、伸びた膜を引き戻します。このメカニズムが、膜の厚さを一定に保つ復元力を生み出しているのだと考えられます。
洗剤が濃すぎると、水中にシャボン玉ができにくくなります。それは、薄くのびた膜の表面に、次々と海面活性剤分子が供給され、表面張力が増大しないためです。要するに復元力が働かなくなるわけです。 |
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