Что такое Кольца Ньютона?

Предмет: Физика (Оптика)

Раздел: Интерференция света

Определение "Колец Ньютона":

Кольца Ньютона — это интерференционные полосы (в виде концентрических кругов), которые возникают при отражении света от двумерных поверхностей с различной кривизной (обычно между выпуклой линзой и плоской стеклянной пластинкой). Эти кольца названы в честь Исаака Ньютона, который открыл и описал это явление.

Кольца проявляются при интерференции света, благодаря тому, что отражённые лучи света из разных точек сталкиваются с различными фазами, образуя чередование тёмных и светлых зон (колец).

Механизм:

1. Форма системы. Используется плоско-выпуклая линза относительно большого радиуса кривизны, которая положена на плоскую стеклянную пластинку. Между линзой и стеклянной пластинкой образуется тонкий воздушный слой, который имеет переменную толщину.
2. Отражение и интерференция. Когда на комбинацию линза + пластинка падает монохроматический (однородный по частоте) свет, часть его отражается от верхней поверхности линзы, а другая часть от нижней поверхности стеклянной пластинки (через тонкий воздушный слой между ними).
3. Разность хода. В разных местах (то есть на разных расстояниях от центра) толщина слоя воздуха меняется. В зависимости от того, сколько длин волн укладывается в этом слое, световые волны либо усиливают друг друга, либо гасят (интерференция происходит из-за разности фаз волн).
4. Усиливающие и ослабляющие круги. В результате возникают чередующиеся светлые и тёмные полосы, формирующие концентрические кольца. В центре обычно наблюдается тёмное пятно, так как там толщина слоя воздуха минимальна, и интерференция даёт уменьшение интенсивности света.

Расчётное объяснение:

1. Для светлых колец — условие интерференции: разность хода между лучами должна быть кратна целому числу длин волн: $\text{[}2d=(m+\frac{1}{2})\lambda ,\text{]}$ где $\text{(}d\text{)}$ — толщина воздушного зазора, $\text{(}\lambda \text{)}$ — длина волны света, $\text{(}m\text{)}$ — любой целый номер кольца (0, 1, 2...).
2. Для тёмных колец — условие интерференции при половинном числе волн: $\text{[}2d=m\lambda .\text{]}$ Из этих выражений можно находить радиусы колец при известных параметрах системы.

Применение:

1. Измерение радиуса кривизны линз. По размеру колец Ньютона можно вычислить радиус кривизны линзы или линзовых поверхностей.
2. Исследование оптических поверхностей. Кольца Ньютона используются в оптике для контроля качества линз — если равномерность колец нарушена, это может указывать на дефекты на поверхности оптических элементов.

Подытожим:

Кольца Ньютона — это явление интерференции света, возникающее из-за различной толщины воздушного зазора между двумя оптически активными поверхностями. Образуются концентрические светлые и тёмные кольца, которые можно использовать в различных научных и прикладных целях, например, для измерений или контроля качества в оптической индустрии.