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ニュートンリング【にゅーとんりんぐ】

ニュートンリング(Newton's rings)は接触させた2つの凸レンズ、もしくは接触させた凸レンズと透明な板に光を当てたときに凸レン表面で観察される、同心円状の明暗のリングのことである。このリングは二つの物質の間に作られた隙間の両面で反射される光波の干渉によって起こる干渉縞であり、類似の現象はシャボン玉を平面に接触させ、石鹸泡の半球を作ったときに石鹸泡表面に見ることができる。

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ニュートンリングの発見

この同心円状のリングを初めて報告したのはイギリスの自然学者であるロバート・フックであり、著書「ミクログラフィア」でリングの顕微鏡による詳細な観察結果を記している。この現象はアイザックニュートンが詳細な研究を行なったことによりニュートンリングと名付けられた。ニュートンは接触した凸レンズと平面ガラスに様々な単色光をあてることにより、その明暗がガラス間の間隔によって周期的に決まることを見出したが、光を粒子であると考えたニュートンはこの現象の説明に非常に苦慮し、長い間光の波動説により光の干渉として説明されてきた。しかし20世紀前半になり、光が光子という単位でしか相互作用しないことが明らかになってくるとニュートンの疑問は再び問題となり、ニュートンリングは状況によって波と粒子の性質をあわせもつ量子の奇妙な性質を示す現象であるということがわかってきた。

ニュートンリングと干渉縞

ニュートンリングは接触点を中心とした同心円状の多数のリングとして表れ、その幅は、内側は広く外側ほど狭くなる。凸レンズの湾曲が少ないものの方がリングが大きくなるため、より観察がしやすいといえる。ニュートンリングの中心は必ず暗い領域となり、太陽光のような白色光の下ではリングは虹のように色づいて見え、中心に近いところでは明るいリングの内側が青、外側が赤っぽくなる。単色光の下でははっきりした明暗のリングが見え、波長の長い赤い光では大きく、短い青い光では小さくなる様子が観察できる。ニュートンリングに類似した干渉縞は単に2つの透明な物質の間に光の波長に比較しうる程度の細い隙間があれば日常的に観察でき、床に接したシャボン玉表面のほか、はりあわせたプラスチックの隙間や、水面に薄く広がった油膜、薄いラップフィルムなどでも観察することができる。

ニュートンリングと光の干渉

平板ガラスの上に凸レンズを置いて上方から光を照射させた場合、反射光の干渉はわずかな隙間を作る凸レンズの下面とガラスの上面とで反射した光によって発生する。屈折の効果を無視すれば観察される干渉光の振幅は差し込む光の波長の長さと、レンズとガラスとの垂直方向の間隔の長さから決まることになる。両者の材質が同じであれば下側のガラス上面からの反射では光の波の位相が反転することから、両者が接触しているときには両者の波が打ち消しあい、反射光は現れず、中心に常に暗い領域ができる。光は隙間を往復することから、中心から遠ざかって光が強めあい強い反射光となったときに明るいリングが現れる。この繰り返しにより暗いリングと明るいリングが交互に現れるニュートンリングの縞模様が形成される。

問題

ニュートンリングが同心円状で現れる理由について説明しなさい

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