Newton'un halkaları - Newton's rings

Şekil 1: Bir mikroskopla gözlenen Newton halkaları . Üst üste bindirilmiş ölçekteki en küçük artışlar 100μm'dir. Aydınlatma, aşağıdan, parlak bir merkezi bölgeye yol açar.
Şekil 2: Düşük ışıklı bir mikroskop kullanılarak fotoğraflanan, 650 nm kırmızı lazer ışığıyla aydınlatılan bir plano-dışbükey mercek tarafından oluşturulan Newton halkaları girişim deseni . Aydınlatma yukarıdandır ve karanlık bir merkezi bölgeye yol açar.
Şekil 3: Newton Halkalarını görüntülemek için düzenleme: düz bir yüzeyin üzerine bir dışbükey mercek yerleştirilir.

Newton halkalar bir olan bir olaydır girişim deseni ile oluşturulmuş olan yansıma ve ışık iki yüzey arasında; Bir küresel yüzeyi ve bir bitişik dokunma düz bir yüzey. Adını 1666'da etkiyi araştıran Isaac Newton'dan almıştır. Tek renkli ışıkla bakıldığında , Newton'un halkaları, iki yüzey arasındaki temas noktasında merkezlenmiş, eş merkezli, değişen parlak ve koyu halkalar dizisi olarak görünür. Beyaz ışıkla bakıldığında gökkuşağı renklerinden eşmerkezli bir halka deseni oluşturur, çünkü ışığın farklı dalga boyları yüzeyler arasındaki hava tabakasının farklı kalınlıklarında girişim yapar.

Tarih

Bu fenomen ilk olarak Robert Hooke tarafından 1665 tarihli Micrographia kitabında tanımlanmıştır . Adı, Cambridge'deki Trinity College'ı kapatan Büyük Veba sırasında Lincolnshire'da evinde tecrit edilirken 1666'da fenomeni inceleyen matematikçi ve fizikçi Sir Isaac Newton'dan geliyor. Gözlemlerini "Renkler" başlıklı bir makaleye kaydetti. Bu fenomen, ışığın parçacıklı bir doğasını tercih eden Newton ile ışığın dalga benzeri bir doğasını tercih eden Hooke arasında bir tartışma kaynağı haline geldi. Newton, analizini 1704'te yayınlanan " Opticks " adlı incelemesinin bir parçası olarak Hooke'un ölümüne kadar yayınlamadı .

teori

Şekil 4: Optik düzlükteki üst camın girişim saçaklarının nasıl oluştuğunu gösteren bir bölümünün yakından görünümü. Yol uzunluğu farkının bir yarım dalga boyunun (a) tek katına (2n+1) eşit olduğu konumlarda , yansıyan dalgalar güçlenerek parlak bir nokta oluşturur. Yol uzunluğu farkının bir yarım dalga boyunun (b) çift ​​katına (2n) eşit olduğu konumlarda , ( Lambda ile 2) yansıyan dalgalar iptal olur ve karanlık bir nokta ile sonuçlanır. Bu, eşmerkezli parlak ve koyu halkalar, girişim saçaklarından oluşan bir desenle sonuçlanır.

Desen, optik düz cam üzerine çok hafif dışbükey kavisli bir cam yerleştirilerek oluşturulur . İki cam parçası sadece merkezde temas eder. Diğer noktalarda, Şekil 3'te gösterildiği gibi, merkezden radyal mesafe ile artan, iki yüzey arasında hafif bir hava boşluğu vardır.

Hem üst merceğin alt yüzeyinden hem de altındaki optik düzlüğün üst yüzeyinden yansıyan üstten gelen monokromatik (tek renkli) ışığı düşünün . Işık, iletilen ışığın daha yüksek bir kırılma indeksi ( n ) değerinden daha düşük bir n değerine gittiği cam-hava sınırına gelene kadar cam mercekten geçer . İletilen ışık, faz değişikliği olmadan bu sınırdan geçer. İç yansımaya uğrayan yansıyan ışığın (toplamın yaklaşık %4'ü) faz değişimi de yoktur. Havaya iletilen ışık, aşağıdaki düz yüzeye yansımadan önce t kadar yol alır. Hava-cam sınırındaki yansıma, havanın camdan daha düşük bir kırılma indisine sahip olması nedeniyle yarım döngü (180°) faz kaymasına neden olur. Alt yüzeyden yansıyan ışık (tekrar) t kadar geri döner ve merceğe geri döner. Ek yol uzunluğu, yüzeyler arasındaki boşluğun iki katına eşittir. Yansıyan iki ışın, ekstra yol uzunluğu 2t'nin neden olduğu toplam faz değişikliğine ve düz yüzeyde yansımada indüklenen yarım döngü faz değişikliğine göre girişim yapacaktır . 2t mesafesi tam olarak yarım dalga boyunda olduğunda, dalgalar yıkıcı bir şekilde müdahale eder, dolayısıyla Şekil 2'de gösterildiği gibi modelin merkezi bölgesi karanlıktır.

Cihazın yukarıdan değil de aşağıdan aydınlatılmasına yönelik benzer bir analiz, bu durumda, desenin orta kısmının, Şekil 1'de gösterildiği gibi parlak değil, parlak olduğunu göstermektedir. Işık monokromatik olmadığında, radyal konumun radyal konumu. saçak deseni, Şekil 5'te gösterildiği gibi "gökkuşağı" görünümüne sahiptir.

Yapıcı girişim

(Şekil 4a): İki ışın arasındaki yol uzunluğu farkının ışık dalgalarının yarım dalga boyunun (λ/2) tek katına eşit olduğu alanlarda , yansıyan dalgalar fazda olacaktır , bu nedenle "oluklar" ve dalgaların "dorukları" çakışır. Bu nedenle, dalgalar güçlendirilecek (eklenecek) ve ortaya çıkan yansıyan ışık yoğunluğu daha büyük olacaktır. Sonuç olarak, orada parlak bir alan gözlemlenecektir.

Yokedici girişim

(Şekil 4b): Yol uzunluğu farkının yarım dalga boyunun çift katına eşit olduğu diğer konumlarda, yansıyan dalgalar 180° faz dışı olacaktır , bu nedenle bir dalganın "oluğu" bir " ile çakışır. diğer dalganın zirvesi". Bu nedenle, dalgalar iptal olacak (çıkartılacak) ve ortaya çıkan ışık yoğunluğu daha zayıf veya sıfır olacaktır. Sonuç olarak, orada karanlık bir alan gözlemlenecektir. Alt ışının yansımasından kaynaklanan 180° fazın ters çevrilmesi nedeniyle, iki parçanın temas ettiği merkez karanlıktır. Bu girişim , yüzeyde gözlemlenen " girişim saçakları " olarak adlandırılan parlak ve koyu çizgiler veya bantlardan oluşan bir desenle sonuçlanır . Bunlar , hava boşluğunun kalınlığındaki farklılıkları ortaya çıkaran haritalardaki kontur çizgilerine benzer . Yüzeyler arasındaki boşluk bir saçak boyunca sabittir. İki bitişik parlak veya karanlık saçak arasındaki yol uzunluğu farkı , ışığın bir dalga boyu λ'dır , bu nedenle yüzeyler arasındaki boşluktaki fark yarım dalga boyudur. Işığın dalga boyu çok küçük olduğu için, bu teknik düzlükten çok küçük sapmaları ölçebilir. Örneğin, kırmızı ışığın dalga boyu yaklaşık 700 nm'dir, bu nedenle kırmızı ışık kullanıldığında, iki saçak arasındaki yükseklik farkı, bunun yarısı kadar veya 350 nm, insan saçının çapının yaklaşık 1/100'üdür. Camlar arasındaki boşluk merkezden radyal olarak arttığı için girişim saçakları eşmerkezli halkalar oluşturur. Küresel olmayan cam yüzeyler için saçaklar halka olmayacak, başka şekillerde olacaktır.

Nicel İlişkiler

Şekil 5: Düz yüzeyleri temas halinde olan iki düz dışbükey mercekte görülen Newton halkaları . Bir yüzey, halkaları oluşturan hafif dışbükeydir. Beyaz ışıkta halkalar gökkuşağı rengindedir, çünkü her rengin farklı dalga boyları farklı konumlarda girişim yapar.

Koyu merkezi ile üstten aydınlatma için, yarıçapı N inci parlak bir halka ile verilir

burada , N , aydınlık-halkalı bir sayıdır, R ' olan bir eğrilik yarıçapı ışığı içinden geçerken merceklerinin ve λ ışığın dalga boyu. Yukarıdaki formül, iletilen ışıkla elde edilen halka deseni için koyu halkalar için de geçerlidir.

Parlak bir halkanın radyal mesafesi ( r) ve merceğin eğrilik yarıçapı ( R) göz önüne alındığında, cam yüzeyler arasındaki hava boşluğu ( t) , şu şekilde iyi bir yaklaşıma verilir:

burada desene gelen ışınlara eğik bir açıyla bakmanın etkisi göz ardı edilir.

İnce film paraziti

Newton halkaları olgusu, su veya sabun köpüğü üzerindeki ince yağ filmlerinde görülen "gökkuşağı" gibi etkiler de dahil olmak üzere, ince film girişimi ile aynı temelde açıklanır . Aradaki fark, burada "ince film" in ince bir hava tabakası olmasıdır.

Referanslar

  1. ^ Westfall, Richard S. (1980). Asla Dinlenme , Isaac Newton'un Biyografisi . Cambridge Üniversitesi Yayınları. s. 171. ISBN 0-521-23143-4.
  2. ^ Genç, Hugh D.; Freedman, Roger A. (2012). Üniversite Fiziği, 13. Baskı . Addison Wesley. s. 1178. ISBN 978-0-321-69686-1.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar