什么是牛頓環(huán)？

牛頓環(huán)又稱“牛頓圈”。在光學(xué)上，牛頓環(huán)是一個(gè)薄膜干涉現(xiàn)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(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)。

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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.

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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?chē)霈F(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。

 用牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑，圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪

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(huà)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?！彼€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?！?/p>

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(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)。