什么是牛頓環(huán)?
牛頓環(huán)又稱(chēng)“牛頓圈”。在光學(xué)上,牛頓環(huán)是一個(gè)薄膜干涉現象,光的一種干涉圖樣,是一些明暗相間的同心圓環(huán)。例如用一個(gè)曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸,在日光下或用白光照射時(shí),可以看到接觸點(diǎn)為一暗點(diǎn),其周?chē)鸀橐恍┟靼迪嚅g的彩色圓環(huán);而用單色光照射時(shí),則表現為一些明暗相間的單色圓圈。這些圓圈的距離不等,隨離中心點(diǎn)的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線(xiàn)相互干涉而形成的干涉條紋。在加工光學(xué)元件時(shí),廣泛采用牛頓環(huán)的原理來(lái)檢查平面或曲面的面型準確度。在牛頓環(huán)的示意圖上,B為底下的平面玻璃,A為平凸透鏡,其與平面玻璃的接觸點(diǎn)為O,在O點(diǎn)的四周則是平面玻璃與凸透鏡所夾的空氣氣隙。當平行單色光垂直入射于凸透鏡的平表面時(shí)。在空氣氣隙的上下兩表面所引起的反射光線(xiàn)形成相干光。光線(xiàn)在氣隙上下表面反射(一是在光疏媒質(zhì)面上反射,一是在光密媒質(zhì)面上反射)。
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一種光的干涉圖樣.是牛頓在1675年首先觀(guān)察到的.將一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平板上,用單色光照射透鏡與玻璃板,就可以觀(guān)察到一些明暗相同的同心圓環(huán).圓環(huán)分布是中間疏、邊緣密,圓心在接觸點(diǎn)O.從反射光看到的牛頓環(huán)中心是暗的,從透射光看到的牛頓環(huán)中心是明的.若用白光入射.將觀(guān)察到彩色圓環(huán).牛頓環(huán)是典型的等厚薄膜干涉.平凸透鏡的凸球面和玻璃平板之間形成一個(gè)厚度均勻變化的圓尖劈形空氣簿膜,當平行光垂直射向平凸透鏡時(shí),從尖劈形空氣膜上、下表面反射的兩束光相互疊加而產(chǎn)生干涉.同一半徑的圓環(huán)處空氣膜厚度相同,上、下表面反射光程差相同,因此使干涉圖樣呈圓環(huán)狀.這種由同一厚度薄膜產(chǎn)生同一干涉條紋的干涉稱(chēng)作等厚干涉.
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牛頓在光學(xué)中的一項重要發(fā)現就是"牛頓環(huán)"。這是他在進(jìn)一步考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩問(wèn)題時(shí)提出來(lái)的。具體的, 牛頓環(huán)實(shí)驗是這樣的:取來(lái)兩塊玻璃體,一塊是14英尺望遠鏡用的平凸鏡,另一塊是50英尺左右望遠鏡用的大型雙凸透鏡。在雙凸透鏡上放上平凸鏡,使其平面向下,當把玻璃體互相壓緊時(shí),就會(huì )在圍繞著(zhù)接觸點(diǎn)的周?chē)霈F各種顏色,形成色環(huán)。于是這些顏色又在圓環(huán)中心相繼消失。在壓緊玻璃體時(shí),在別的顏色中心最后現出的顏色,初次出現時(shí)看起來(lái)像是一個(gè)從周邊到中心幾乎均勻的色環(huán),再壓緊玻璃體時(shí),這色環(huán)會(huì )逐漸變寬,直到新的顏色在其中心現出。如此繼續下去,第三、第四、第五種以及跟著(zhù)的別種顏色不斷在中心現出,并成為包在最內層顏色外面的一組色環(huán),最后一種顏色是黑點(diǎn)。反之,如果抬起上面的玻璃體,使其離開(kāi)下面的透鏡,色環(huán)的直徑就會(huì )偏小,其周邊寬度則增大,直到其顏色陸續到達中心,后來(lái)它們的寬度變得相當大,就比以前更容易認出和訓別它們的顏色了。
用牛頓環(huán)測平凸透鏡的曲率半徑,圖源網(wǎng)絡(luò ),侵刪
牛頓測量了六個(gè)環(huán)的半徑(在其最亮的部分測量),發(fā)現這樣一個(gè)規律:亮環(huán)半徑的平方值是一個(gè)由奇數所構成的算術(shù)級數,即1、3、5、7、9、11,而暗環(huán)半徑的平方值是由偶數構成的算術(shù)級數,即2、4、6、8、10、12。例凸透鏡與平板玻璃在接觸點(diǎn)附近的橫斷面,水平軸畫(huà)出了用整數平方根標的距離:√1=1√2=1.41,√3=1.73,√4=2,√5=2.24等等。在這些距離處,牛頓觀(guān)察到交替出現的光的極大值和極小值。從圖中看到,兩玻璃之間的垂直距離是按簡(jiǎn)單的算術(shù)級數,1、2、3、4、5、6……增大的。這樣,知道了凸透鏡的半徑后,就很容易算出暗環(huán)和亮環(huán)處的空氣層厚度,牛頓當時(shí)測量的情況是這樣的:用垂直入射的光線(xiàn)得到的第一個(gè)暗環(huán)的最暗部分的空氣層厚度為1/189000英寸,將這個(gè)厚度的一半乘以級數1、3、5、7、9、11,就可以給出所有亮環(huán)的最亮部分的空氣層厚度,即為1/178000,3/178000,5/178000,7/178000……它們的算術(shù)平均值2/178000,4/178000,6/178000……等則是暗環(huán)最暗部分的空氣層厚度。
牛頓還用水代替空氣,從而觀(guān)察到色環(huán)的半徑將減小。他不僅觀(guān)察了白光的干涉條紋,而且還觀(guān)察了單色光所呈現的明間相間的干涉條紋。
牛頓環(huán)裝置常用來(lái)檢驗光學(xué)元件表面的準確度.如果改變凸透鏡和平板玻璃間的壓力,能使其間空氣薄膜的厚度發(fā)生微小變化,條紋就會(huì )移動(dòng).用此原理可以精密地測定壓力或長(cháng)度的微小變化.
按理說(shuō),牛頓環(huán)乃是光的波動(dòng)性的最好證明之一,可牛頓卻不從實(shí)際出發(fā),而是從他所信奉的微粒說(shuō)出發(fā)來(lái)解釋牛頓環(huán)的形成。他認為光是一束通過(guò)窨高速運動(dòng)的粒子流,因此為了解釋牛頓環(huán)的出現,他提出了一個(gè)“一陣容易反射,一陣容易透射”的復雜理論。根據這一理論,他認為;“每條光線(xiàn)在通過(guò)任何折射面時(shí)都要進(jìn)入某種短暫的狀態(tài),這種狀態(tài)在光線(xiàn)得進(jìn)過(guò)程中每隔一定時(shí)間又復原,并在每次復原時(shí)傾向于使光線(xiàn)容易透過(guò)下一個(gè)折射面,在兩次復原之間,則容易被下一個(gè)折射面的反射?!彼€把每次返回和下一次返回之間所經(jīng)過(guò)的距離稱(chēng)為“陣發(fā)的間隔”。實(shí)際上,牛頓在這里所說(shuō)的“陣發(fā)的間隔”就是波動(dòng)中所說(shuō)的“波長(cháng)”。為什么會(huì )這樣呢?牛頓卻含糊地說(shuō):“至于這是什么作用或傾向,它就是光線(xiàn)的圓圈運動(dòng)或振動(dòng),還是介質(zhì)或別的什么東西的圓圈運動(dòng)或振動(dòng),我這里就不去探討了?!?/p>
因此,牛頓雖然發(fā)現了牛頓環(huán),并做了精確的定量測定,可以說(shuō)已經(jīng)走到了光的波動(dòng)說(shuō)的邊緣,但由于過(guò)分偏愛(ài)他的微粒說(shuō),始終無(wú)法正確解釋這個(gè)現象。事實(shí)一,這個(gè)實(shí)驗倒可以成為光的波動(dòng)說(shuō)的有力證據之一。直到19世紀初,英國科學(xué)家托馬斯·楊才用光的波動(dòng)說(shuō)完滿(mǎn)地解釋了牛頓環(huán)實(shí)驗。