Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдение колец Ньютона на клинообразных структурах

Еще одно важное в оптике открытие, сделанное Исааком Ньютоном (1642–1727), заложило основы волновой оптики, поскольку касалось интерференции. Кольца, носящие ныне его имя, были впервые описаны Ньютоном в 1675 году. Эти кольца возникают там, где имеет место клинообразное соприкосновение двух прозрачных поверхностей. Самый простой пример клина образует стеклянная выпуклая линза малой кривизны, положенная своей выпуклой поверхностью на плоскую горизонтальную стеклянную подложку (см. рис. ниже, слева).

Если осветить область соприкосновения линзы и подложки белым светом, то можно обнаружить окрашивающие ее концентрические радужные кольца. Поскольку обычно свет падает не строго сверху, а тела вблизи точки соприкосновения имеют эллиптическую, а не сферическую форму, кольца Ньютона чаще всего имеют форму, близкую к эллипсам (рис. выше, справа). Тем не менее, для простоты рассмотрим падение на воздушный клин монохроматического и почти нормального к подложке пучка света, как изображено на рисунке слева. Два луча, отраженные от внутренней поверхности линзы и подложки (т.е. от верхней и нижней граней клина), интерферируют, при этом разность хода между ними примерно равна пути второго луча в воздухе. Считая, что поверхность линзы есть сегмент сферы радиуса  (именно он и называется радиусом кривизны), а  — расстояние от точки соприкосновения клина с подложкой до точки вхождения лучей в клин,  нетрудно получить приближенное равенство:

где последнее слагаемое не выводится из геометрии и связано с тем, что световая волна, испытывая отражение от внутренней поверхности линзы, теряет полпериода. Это свойство характерно для отражения поперечных волн от внутренних поверхностей прозрачных диэлектриков. Максимумы интерференции (светлые полосы) соответствуют , поэтому радиусы светлых колец Ньютона

Радиусы колец зависят от длины волны падающего света, что характерно для всех интерференционных эффектов, — при этом радиусы колец в красном свете больше, чем в фиолетовом. В случае белого света происходит наложение колец разных цветов и радиусов друг на друга — отсюда и специфические «пастельные» оттенки колец Ньютона. Сам Ньютон наблюдал как кольца в белом свете, так и в монохроматическом (см. рис. ниже).

Важно отметить, что изображение колец Ньютона локализовано на поверхности подложки, поэтому их можно наблюдать невооруженным глазом. Другими словами, если продолжить лучи 1 и 2 на схеме выше до их пересечения, то точка пересечения — действительный источник — будет лежать примерно на поверхности подложки. Этот источник при наблюдении невооруженным глазом воспринимается как светящаяся точка, принадлежащая одному из светлых колец.

Сам Ньютон придерживался корпускулярной теории света, поэтому не мог объяснить явление интерференции и, в частности, образование наблюдавшихся им колец. Его попытки объяснить интерференцию и дифракцию на основе специфического взаимодействия между корпускулами света было фрагментарным и носило, скорее, характер гипотезы. Объяснение, данное нами выше, было предложено Томасом Юнгом на основе волновой теории света Гюйгенса. Тем не менее, двадцатый век признанием корпускулярно-волнового дуализма помирил обе теории света.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>