3. Кольца ньютона

Изучение колец Ньютона сыграло выдающуюся роль в истории физики. То, что свет, отраженный от тонких пленок, окрашен в разные цвета, знали и до Ньютона. Еще Р. Гук в свой «Микрографии» (1667) подробно описал цветные концентрические кольца, которые получаются, если положить друг на друга две линзы от телескопа.

Ньютон представил Королевскому обществу свой труд о цветах тонких пленок в 1675 году, а опубликовал эти результаты в 1704 году. В отличие от Гука, Ньютон сконцентрировал свое внимание на измерении толщины пленки, на которой получается та или иная окраска кольца. Наиболее подходящим для этого оказался метод колец, ибо в этом случае толщина воздушного промежутка может быть определена через диаметр наблюдаемого кольца и радиус линзы¹.

На кафедре экспериментальной физики СПбГПУ демонстрационный опыт с кольцами Ньютона проводится на старинной установке 1902 года (рис. 8.15). Источником света служит лампа накаливания 500 Вт, помещенная в кожух проекционного фонаря фирмы Лейбольда, о котором стоит сказать несколько слов. [2].

Этот фонарь был очень распространен в демонстрационных установках по физике в начале ХХ века как источник очень яркого света от вольтовой дуги, горящей между двумя угольными стержнями. Фонарь Лейбольда имеет деревянный, высокого качества работы, корпус размером 350 х 220 х 310 мм, открытый сверху и сзади. На передней стенке корпуса имеется откидная вверх деревянная доска на петлях, на которой укреплена медная пластинка с круговой выемкой для съемной передней конденсорной линзы диаметром 110 мм и гнездом для держателя объектива. Боковые стенки корпуса снабжены деревянными дверцами с врезанными в них оправами для дымчатого светофильтра, служащего для наблюдения дуги во время работы. Эти оправы имеют откидные заслонки, нормально закрывающие отверстие окошечек. На боковой стенке внизу корпус снабжен рядом круглых отверстий для вентиляции внутренней полости.

Рис. 8.15. Установка для демонстрации колец Ньютона.

Деревянный корпус фонаря имеет то преимущество перед металлическим, что он совершенно не нагревается даже при длительном горении дуги, что позволяет переставлять его во время опытов.

Задняя открытая сторона корпуса прикрывается черной бархатной занавеской, висящей на проволочной съемной дуге. Другие детали конструкции фонаря Лейбольда, а также описание работы с ним можно прочитать в [2].

Рис. 8.16. Изображение колец Ньютона на экране.

Кольца Ньютона наблюдаются в отраженном свете, так как в проходящем свете контраст колец значительно слабее из-за сильного проходящего пучка. Линзы, формирующие интерференционные кольца, находятся в специальной оправе, допускающей давление в трех точках. Вращая соответствующие винты можно перемещать кольца на изображении. Длиннофокусная линза (тоже 1902 года) строит изображение колец (полосы равной толщины) на экране (аудиторной стене) (рис. 8.16). Демонстрация проводится в затемненной аудитории.

4. Интерферометр майкельсона

Демонстрация интерферометра Майкельсона является, наверное, дидактически самым важным способом показать, как в большинстве оптических интерферометров происходит разделение светового пучка на два и последующее сложение этих пучков с образованием интерференционной картины.

Перед демонстрацией полезно изобразить схему интерферометра, состоящего из двух глухих (1,2) и одного полупрозрачного (3) зеркала (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Интерферометр Майкельсона (схема)

Рис. 8.18. Поле двух источников (схема)

Пучок света от лазера¹ расширяется линзой и разделяется полупрозрачным зеркалом на два пучка, каждый из которых отражается от соответствующего глухого зеркала и снова пройдя или отразившись от полупрозрачного зеркала, попадает на экран (4). Легко показать построением, что система зеркал интерферометра Майкельсона фактически строит два изображения S₁ и S₂ источника S. Поэтому интерферометр Майкельсона (как и любой другой, в том числе и рассмотренная в предыдущем параграфе пленка) сводится к классической схеме опыта Юнга. А интерференционное поле двух когерентных источников представляет собой систему гиперболоидов вращения около оси S₁S₂ (рис. 8.18)

Форма интерференционных полос определяется тем местом, где находится экран. Например, в положении 1 на экране будут концентрические кольца, в положении 2 – почти параллельные прямые.

Все это можно показать на установке, внешний вид которой приведен на рис. 8.19. Оба глухих зеркала находятся на ситалловом основании: одно в фиксированной оправке, другое – в оправке, допускающей параллельное смещение и повороты зеркала. Интерференционная картина с помощью телекамеры передается на экран монитора или на большие аудиторные экраны с помощью мультимедийных проекторов¹.

Рис. 8.19. Установка для демонстрации интерферометра Майкельсона.

Сначала получают картину в виде концентрических колец. Прикосновением к любому элементу установки можно показать, что интерференционная картина очень чувствительна к возмущениям. Это обстоятельство широко используется в нанометрологии.

Наклоняя зеркало, видим, что кольца «уходят» куда-то в сторону и появляются кривые линии. Если еще больше наклонить зеркало, то интерференционные полосы будут столь частыми, что глазом не различаются. Тем не менее, если бы можно было увидеть их под микроскопом, то они почти не отличались бы от параллельных прямых.