牛頓環:光學現象-中文百科頻道

定義

在加工光學元件時，廣泛采用牛頓環的原理來檢查平面或曲面的面型準确度。

在牛頓環上，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為O，在O點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。在空氣氣隙的上下兩表面所引起的反射光線形成相幹光。光線在氣隙上下表面反射（一是在光疏媒質面上反射，一是在光密媒質面上反射）。

具體原理

一種光的幹涉圖樣．是牛頓在1675年首先觀察到的。将一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平闆上，用單色光照射透鏡與玻璃闆，就可以觀察到一些明暗相間的同心圓環．圓環分布是中間疏、邊緣密，圓心在接觸點O。從反射光看到的牛頓環中心是暗的，從透射光看到的牛頓環中心是明的。若用白光入射．将觀察到彩色圓環。牛頓環是典型的等厚薄膜幹涉．凸透鏡的凸球面和玻璃平闆之間形成一個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，從尖劈形空氣膜上、下表面反射的兩束光相互疊加而産生幹涉。同一半徑的圓環處空氣膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使幹涉圖樣呈圓環狀．這種由同一厚度薄膜産生同一幹涉條紋的幹涉稱作等厚幹涉。

牛頓在光學中的一項重要發現就是"牛頓環"。這是他在進一步考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩問題時提出來的。

牛頓環實驗

牛頓環實驗是這樣的：取來兩塊玻璃體，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，就會在圍繞着接觸點的周圍出現各種顔色，形成色環。于是這些顔色又在圓環中心相繼消失。在壓緊玻璃體時，在别的顔色中心最後現出的顔色，初次出現時看起來像是一個從周邊到中心幾乎均勻的色環，再壓緊玻璃體時，這色環會逐漸變寬，直到新的顔色在其中心現出。如此繼續下去，第三、第四、第五種以及跟着的别種顔色不斷在中心現出，并成為包在最内層顔色外面的一組色環，最後一種顔色是黑點。反之，如果擡起上面的玻璃體，使其離開下面的透鏡，色環的直徑就會偏小，其周邊寬度則增大，直到其顔色陸續到達中心，後來它們的寬度變得相當大，就比以前更容易認出和訓别它們的顔色了。

牛頓測量了六個環的半徑（在其最亮的部分測量），發現這樣一個規律：亮環半徑的平方值是一個由奇數所構成的算術級數，即1、3、5、7、9、11，而暗環半徑的平方值是由偶數構成的算術級數，即2、4、6、8、10、12。例凸透鏡與平闆玻璃在接觸點附近的橫斷面，水平軸畫出了用整數平方根标的距離：√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單的算術級數，1、2、3、4、5、6……增大的。這樣，知道了凸透鏡的半徑後，就很容易算出暗環和亮環處的空氣層厚度，牛頓當時測量的情況是這樣的：用垂直入射的光線得到的第一個暗環的最暗部分的空氣層厚度為1/189000英寸，将這個厚度的一半乘以級數1、3、5、7、9、11，就可以給出所有亮環的最亮部分的空氣層厚度，即為1/178000,3/178000,5/178000,7/178000……它們的算術平均值2/178000,4/178000,6/178000……等則是暗環最暗部分的空氣層厚度。

牛頓環裝置産生的幹涉暗環半徑為√(kRλ)，其中k=0,1,2……

牛頓還用水代替空氣，從而觀察到色環的半徑将減小。他不僅觀察了白光的幹涉條紋，而且還觀察了單色光所呈現的明間相間的幹涉條紋。

牛頓環裝置常用來檢驗光學元件表面的準确度．如果改變凸透鏡和平闆玻璃間的壓力，能使其間空氣薄膜的厚度發生微小變化，條紋就會移動。用此原理可以精密地測定壓力或長度的微小變化。

按理說，牛頓環乃是光的波動性的最好證明之一，可牛頓卻不從實際出發，而是從他所信奉的微粒說出發來解釋牛頓環的形成。他認為光是一束通過窨高速運動的粒子流，因此為了解釋牛頓環的出現，他提出了一個“一陣容易反射，一陣容易透射”的複雜理論。根據這一理論，他認為;“每條光線在通過任何折射面時都要進入某種短暫的狀态，這種狀态在光線得進過程中每隔一定時間又複原，并在每次複原時傾向于使光線容易透過下一個折射面，在兩次複原之間，則容易被下一個折射面的反射。”他還把每次返回和下一次返回之間所經過的距離稱為“陣發的間隔”。實際上，牛頓在這裡所說的“陣發的間隔”就是波動中所說的“波長”。為什麼會這樣呢？牛頓卻含糊地說：“至于這是什麼作用或傾向，它就是光線的圓圈運動或振動，還是介質或别的什麼東西的圓圈運動或振動，我這裡就不去探讨了。”

牛頓環儀是由曲率半徑為R的待測平凸透鏡L和玻璃平闆P疊裝在金屬框架F中構成，如下右圖所示。框架邊上有三個螺釘H，用來調節L和P之間的接觸，以改變幹涉條紋的形狀和位置。調節H時，螺釘不可旋得過緊，以免接觸壓力過大引起玻璃透鏡迸裂、破損。右圖為牛頓環實物圖。