.jpeg/1280px-Newton's_rings_(650nm_red_laser_light).jpeg)
Кольца Ньютона — это явление, при котором интерференционная картина создается путем отражения света между двумя поверхностями, обычно сферической поверхностью и смежной соприкасающейся плоской поверхностью. Он назван в честь Исаака Ньютона , который исследовал этот эффект в 1666 году. При просмотре в монохроматическом свете кольца Ньютона выглядят как ряд концентрических, чередующихся ярких и темных колец с центром в точке контакта между двумя поверхностями. При просмотре в белом свете он образует концентрический кольцевой рисунок радужных цветов, поскольку различные длины волн света интерферируют при различной толщине воздушного слоя между поверхностями.
Впервые это явление было описано Робертом Гуком в его книге 1665 года «Микрография» . Его название происходит от имени математика и физика сэра Исаака Ньютона, который изучал это явление в 1666 году, находясь в изоляции дома в Линкольншире во время Великой чумы, которая закрыла Тринити-колледж в Кембридже. Он записал свои наблюдения в эссе под названием «О цветах». Это явление стало источником спора между Ньютоном, который выступал за корпускулярную природу света, и Гуком, который выступал за волновую природу света. [1] Ньютон опубликовал свой анализ только после смерти Гука в рамках своего трактата « Оптика », опубликованного в 1704 году.
Рисунок создается путем помещения очень слегка выпуклого изогнутого стекла на оптическое плоское стекло. Два куска стекла соприкасаются только в центре. В других точках между двумя поверхностями имеется небольшой воздушный зазор, увеличивающийся с радиальным расстоянием от центра, как показано на рис. 3.
Рассмотрим монохроматический (одноцветный) свет, падающий сверху, который отражается как от нижней поверхности верхней линзы, так и от верхней поверхности оптической плоскости под ней. [2] Свет проходит через стеклянную линзу, пока не достигнет границы стекло-воздух, где прошедший свет переходит от более высокого значения показателя преломления ( n ) к более низкому значению n . Прошедший свет проходит через эту границу без изменения фазы. Отраженный свет, подвергающийся внутреннему отражению (около 4% от общего числа), также не имеет изменения фазы. Свет, который передается в воздух, проходит расстояние t , прежде чем он отражается от плоской поверхности внизу. Отражение на этой границе воздух-стекло вызывает сдвиг фазы на полцикла (180°), поскольку воздух имеет более низкий показатель преломления, чем стекло. Отраженный свет на нижней поверхности возвращается на расстояние (снова) t и проходит обратно в линзу. Дополнительная длина пути равна удвоенному зазору между поверхностями. Два отраженных луча будут интерферировать в соответствии с общим изменением фазы, вызванным дополнительной длиной пути 2 t и изменением фазы полупериода, вызванным отражением от плоской поверхности. Когда расстояние 2 t равно нулю (линза касается оптической плоскости), волны интерферируют деструктивно, поэтому центральная область рисунка темная, как показано на рис. 2.
Аналогичный анализ для освещения устройства снизу, а не сверху, показывает, что в этом случае центральная часть узора яркая, а не темная, как показано на рис. 1. Когда свет немонохроматический, радиальное положение узора полос имеет «радужный» вид, как показано на рис. 5.
(Рис. 4а): В областях, где разность длин хода двух лучей равна нечетному кратному половины длины волны (λ/2) световых волн, отраженные волны будут находиться в фазе , поэтому «впадины» и «пики» волн совпадут. Поэтому волны будут усиливаться (суммироваться), и результирующая интенсивность отраженного света будет больше. В результате там будет наблюдаться яркая область.
(Рис. 4b): В других местах, где разность длин путей равна четному кратному полуволны, отраженные волны будут сдвинуты по фазе на 180° , так что «впадина» одной волны совпадет с «пиком» другой волны. Поэтому волны будут нейтрализовываться (вычитаться), и результирующая интенсивность света будет слабее или равна нулю. В результате там будет наблюдаться темная область. Из-за переворота фазы на 180° из-за отражения нижнего луча центр, где соприкасаются две части, темный.
Эта интерференция приводит к образованию на поверхности узора из ярких и темных линий или полос, называемых « интерференционными полосами ». Они похожи на контурные линии на картах, показывая разницу в толщине воздушного зазора. Зазор между поверхностями постоянен вдоль полосы. Разница в длине пути между двумя соседними яркими или темными полосами составляет одну длину волны λ света, поэтому разница в зазоре между поверхностями составляет половину длины волны. Поскольку длина волны света настолько мала, этот метод позволяет измерять очень малые отклонения от плоскостности. Например, длина волны красного света составляет около 700 нм, поэтому при использовании красного света разница в высоте между двумя полосами составляет половину этой длины, или 350 нм, что составляет около 1 ⁄ 100 диаметра человеческого волоса. Поскольку зазор между стеклами увеличивается радиально от центра, интерференционные полосы образуют концентрические кольца. Для стеклянных поверхностей, которые не являются аксиально симметричными, полосы не будут кольцами, а будут иметь другие формы.
При освещении сверху с темным центром радиус N- го яркого кольца определяется как где N — номер яркого кольца, R — радиус кривизны стеклянной линзы, через которую проходит свет, а λ — длина волны света. Вышеприведенная формула применима также для темных колец для кольцевого рисунка, полученного проходящим светом.
Учитывая радиальное расстояние яркого кольца r и радиус кривизны линзы R , воздушный зазор между стеклянными поверхностями t с хорошим приближением определяется как
где игнорируется эффект просмотра рисунка под углом, косым к падающим лучам.
Феномен колец Ньютона объясняется на той же основе, что и тонкопленочная интерференция , включая такие эффекты, как «радуги», наблюдаемые в тонких пленках масла на воде или в мыльных пузырях. Разница в том, что здесь «тонкая пленка» представляет собой тонкий слой воздуха.
![{\displaystyle r_{N}=\left[\lambda R\left(N-{1 \over 2}\right)\right]^{1/2},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/42e6b239fd5a47ddcdddcb24d6371338e82e2fc8)
