牛頓環(huán)
開(kāi)放分類： 自然科學(xué)
又稱“牛頓圈”.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),其周圍為一些明暗相間的彩色圓環(huán)；而用單色光照射時(shí),則表現(xiàn)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(zhǔn)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(dāng)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形成相干光.光線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）.
一種光的干涉圖樣．是牛頓在1675年首先觀察到的．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(dāng)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作等厚干涉．
牛頓在光學(xué)中的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)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(yàn)是這樣的：取來(lái)兩塊玻璃體,一塊是14英尺望遠(yuǎn)鏡用的平凸鏡,另一塊是50英尺左右望遠(yuǎn)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(dāng)把玻璃體互相壓緊時(shí),就會(huì)在圍繞著接觸點(diǎn)的周圍出現(xiàn)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(xiàn)出的顏色,初次出現(xiàn)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(xiàn)出.如此繼續(xù)下去,第三、第四、第五種以及跟著的別種顏色不斷在中心現(xiàn)出,并成為包在最內(nèi)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(xù)到達(dá)中心,后來(lái)它們的寬度變得相當(dāng)大,就比以前更容易認(rèn)出和訓(xùn)別它們的顏色了.
牛頓測(cè)量了六個(gè)環(huán)的半徑（在其最亮的部分測(cè)量）,發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律：亮環(huán)半徑的平方值是一個(gè)由奇數(shù)所構(gòu)成的算術(shù)級(jí)數(shù),即1、3、5、7、9、11,而暗環(huán)半徑的平方值是由偶數(shù)構(gòu)成的算術(shù)級(jí)數(shù),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,水平軸畫出了用整數(shù)平方根標(biāo)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(xiàn)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(jí)數(shù),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(dāng)時(shí)測(cè)量的情況是這樣的：用垂直入射的光線得到的第一個(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(jí)數(shù)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,從而觀察到色環(huán)的半徑將減小.他不僅觀察了白光的干涉條紋,而且還觀察了單色光所呈現(xiàn)的明間相間的干涉條紋.
牛頓環(huán)裝置常用來(lái)檢驗(yàn)光學(xué)元件表面的準(zhǔn)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(cè)定壓力或長(zhǎng)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(rèn)為光是一束通過(guò)窨高速運(yùn)動(dòng)的粒子流,因此為了解釋牛頓環(huán)的出現(xiàn),他提出了一個(gè)“一陣容易反射,一陣容易透射”的復(fù)雜理論.根據(jù)這一理論,他認(rèn)為;“每條光線在通過(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)在光線得進(jìn)過(guò)程中每隔一定時(shí)間又復(fù)原,并在每次復(fù)原時(shí)傾向于使光線容易透過(guò)下一個(gè)折射面,在兩次復(fù)原之間,則容易被下一個(gè)折射面的反射.”他還把每次返回和下一次返回之間所經(jīng)過(guò)的距離稱為“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(zhǎng)”.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,它就是光線的圓圈運(yùn)動(dòng)或振動(dòng),還是介質(zhì)或別的什么東西的圓圈運(yùn)動(dòng)或振動(dòng),我這里就不去探討了.”
因此,牛頓雖然發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán),并做了精確的定量測(cè)定,可以說(shuō)已經(jīng)走到了光的波支說(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(xiàn)象.事實(shí)一,這個(gè)實(shí)驗(yàn)倒可以成為光的波動(dòng)說(shuō)的有力證據(jù)之一.直到19世紀(jì)初,英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊才用光的波動(dòng)說(shuō)完滿地解釋了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn).