با فشردن دو تکه شیشه بر روی هم، چه پدیده‌ای رخ میدهد؟

تجربه حلقه‌های نیوتن

 مقدمه:

تداخل نشانه بارز موجی بودن نور است که در آن نوری که به نحوی دو قسمت شده است با طی مسیرهای مختلف دوباره به هم می­رسند و بر اساس اختلاف راهشان تداخل سازنده یا مخرب صورت می­گیرد.

حلقه­‌های نیوتن یک نمایش کلاسیک از مفهوم تداخل است.  حلقه‌های روشن در واقع مکان هندسی نقاطی است که اختلاف راه بین نور بازتابی از سطح محدب و شیشه تخت زیر آن، برابر مضرب صحیحی از طول موج است. برای تشکیل حلقه روشن اول نور بازتابی از سطح شیشه تخت زیرین، به اندازه یک طول موج بیشتر از نور بازتابی از سطح محدب طی کرده است. یعنی فاصله سطح محدب و شیشه تخت زیر آن، در آن مکان نصف طول موج است و تداخل سازنده می‌کنند. نقاط مشابه چنین نقطه‌ای، روی دایره‌ای به مرکز وسط عدسی، خواهد بود که یک حلقه را روشن می‌کند. به همین ترتیب حلقه دوم، اختلاف راه دو طول موج است که فاصله معادل یک طول موج می‌شود.

این حلقه‌­ها با دور شدن از مرکز سریعا فشرده می­‌شوند که البته هر چه انحنای عدسی کمتر باشد، حلقه‌ها کمتر فشرده خواهند شد. به عبارت دیگر فشردگی یا توزیع حلقه‌ها نشان‌دهنده انحنا یا به عبارتی فاصله کانونی عدسی است. با نور معمولی تا یکی دو حلقه و با نور لیزر تا چندین حلقه قابل مشاهده است. مشاهده تعداد بیشتر حلقه‌ها نیازمند همدوسی زمانی لیزر است. به عبارت دیگر، اگر منبع نوری، تمام سطح عدسی را پر از حلقه نشان داد، یعنی طول همدوسی بیشتر از فاصله لبه عدسی تا سطح زیر آن دارد.

تداخل از نوع حلقه‌های نیوتن را در پدیده‌هایی مثل فشردن یک شیشه روی یک سطح شیشه‌ای تخت دیگر یا با قرار دادن یک شیشه با زاویه کم به صورت گوه‌ای روی شیشه دیگر، می‌توانیم ببینیم. همچنین حلقه‌های نیوتن، در واقع، نوعی تداخل یک جبهه موج تخت و یک جبهه موج کروی را نیز تداعی می‌کنند. نور بازتابی از سطح تخت زیرین، همان جبهه موج تخت و نور بازتابی از سطح محدب، همان جبهه موج کروی است که تداخل این دو، حلقه‌ها را ایجاد می‌کند. حلقه‌های ایجاد شده در این حالت را مناطق فرنل می‌نامند. یکی از ویژگی‌های این حلقه‌ها، کاهش تدریجی قطر حلقه‌ها با افزایش شعاع است. این کاهش به حدی است که حلقه‌های کناری به شدت به هم فشرده می‌شوند و قابل تفکیک نیستند. جالب است که بدانید اساس کار عدسی‌های فرنل نیز با این مباحث کاملا مرتبط است که برای دید بیشتر از این ارتباط باید با هولوگرافی آشنا شوید.

 

هدف:

در این آزمایش قصد داریم با استفاده از یک عدسی کوژ و یک شیشه تخت حلقه‌های نیوتون تشکیل شده را که بیانگر تداخل نور هستند، مشاهده و بررسی نماییم. همچنین با فشردن دو شیشه که یکی از آن‌ها باید نازک و دیگری ضخیم باشد می‌توانیم نوارهای تداخلی که شکل آن‌ها به فشار وارده بستگی دارد را ایجاد کنیم.  همچنین پس از مشاهده نوارها یا حلقه‌ها منابع نوری مختلف بررسی می‌شوند.

 

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

برای ایجاد حلقه‌های نیوتن به اقلام زیر نیاز داریم:

 

آزمایش:

  • یک لام شیشه‌ای تمیز را روی سطح یک شیشه تخت قرار دهید.
  • لیزر را از فاصله نزدیک به سطح لام بتابانید و آن را به قدری جابجا کنید که بتوانید حلقه‌های نامنظم را مشاهده کنید.

  • چرا در تابش نور اتاق این تصویر دیده نمی‌شود؟
  • حال در همین حالت، با استفاده از یک خودکار، کمی لام را به سطح شیشه فشار دهید. به دلیل کاهش فاصله این دو سطح، شاهد تغییر نقش تداخلی خواهید بود.

  • در حالیکه خودکار را روی سطح فشار می‌دهید، لیزر را خاموش کنید و زیر نور لامپ کم‌مصرف یا مهتابی با دقت به سطح لام دقت کنید. چند حلقه کوچک رنگی مشاهده خواهید کرد. چون در این حالت، فاصله دو سطح کمتر شده، نقشتداخلی نور اتاق نیز دیده می‌شود. به علت همدوسی نور لیزر، تعداد این حلقه‌ها نسبت به تابش لیزر بسیار کمتر است. رنگی بودن این حلقه‌ها نیز به دلیل وجود طول‌موج‌های مختلف در طیف نور سفید است که به علت بستگی تداخل به طول موج، در اینجا از هم تفکیک گردیده‌اند.
  • می‌توانید آزمایش را زیر نور خورشید، نور لامپ فیلامنتی، لامپ مهتابی یا کم مصرف، لامپ ال‌ای‌دی و لیزر تکرار کنید و نتایج را تحلیل کنید.

 

کاربرد:

  • بررسی تخت بودن یک سطح با نمونه مرجع
  • تخمین میزان همدوسی منابع نوری

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • چرا نوارهای تداخلی در حلقه‌های نیوتون با یک هاله رنگی همراه هستند.
  • حلقه ها یا نوارهای تداخلی را وقتی که قطعه با نور لامپ فیلامنتی، مهتابی، کم مصرف، ال‌ای‌دی یا لیزر روشن شده است، مقایسه کنید.
  • چه نتیجه‌ای از مقایسه منابع نوری مختلف می‌گیرید.

 

ایده‌پردازی:

  • یک گوه را با قرار دادن یک ورق نازک کاغذ در انتهای دو شیشه تمیز و نصب دو گیره، در دو طرف بسازید. نور لیزر یا منابع دیگر به آن بتابانید. چه کاربردی برای آن متصورید.

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با