Los anillos de Newton son un fenómeno en el que se crea un patrón de interferencia por el reflejo de la luz entre dos superficies; una superficie esférica y una superficie plana adyacente que se toca. Lleva el nombre de Isaac Newton , quien investigó el efecto en 1666. Cuando se ven con luz monocromática , los anillos de Newton aparecen como una serie de anillos brillantes y oscuros concéntricos, alternados, centrados en el punto de contacto entre las dos superficies. Cuando se ve con luz blanca, forma un patrón de anillo concéntrico de colores del arco iris, porque las diferentes longitudes de onda de la luz interfieren en diferentes espesores de la capa de aire entre las superficies.
Historia
El fenómeno fue descrito por primera vez por Robert Hooke en su libro Micrographia de 1664 , aunque su nombre deriva del matemático y físico Sir Isaac Newton, quien fue el primero en analizarlo, durante su tiempo en [su] casa en Lincolnshire en 1666 cuando el Gran Estalló la peste. Newton lo estableció más tarde en su tratado " Opticks " publicado en 1704. Hubo una disputa entre Newton y Hooke sobre quién analizó el fenómeno primero; Hooke acusó a Newton de plagiar su trabajo, y Newton no lo publicó hasta después de la muerte de Hooke.
"Fenómeno"
En este fenómeno óptico, se observan una serie de franjas de luz concéntricas cuando dos tipos de lentes, convexas y plano-convexas, se mantienen presionadas una junto a la otra. La disposición es tal que la superficie plana de la lente plano-convexa está en contacto con la superficie convexa de la otra lente. Esto crea un espacio de ancho variable entre las dos lentes, lo que provoca el reflejo de la luz que entra entre ellas. Debido a esta reflexión, observamos el patrón de luz conocido como Anillos de Newton. Si se utiliza luz blanca en lugar de luz monocromática, se observan bandas de colores debido a las diferentes longitudes de onda contenidas en la luz blanca.
Teoría
El patrón se crea colocando un vidrio curvado muy ligeramente convexo sobre un vidrio óptico plano . Las dos piezas de vidrio hacen contacto solo en el centro, en otros puntos hay un ligero espacio de aire entre las dos superficies, que aumenta con la distancia radial desde el centro al microscopio. El diagrama de la derecha muestra una pequeña sección de las dos piezas, con el espacio aumentando de derecha a izquierda. La luz de una fuente monocromática (de un solo color) brilla a través de la pieza superior y se refleja tanto desde la superficie inferior de la pieza superior como desde la superficie superior del plano óptico, y los dos rayos reflejados se combinan y se superponen . Sin embargo, el rayo que se refleja en la superficie inferior recorre un camino más largo. La longitud de la ruta adicional es igual al doble del espacio entre las superficies. Además, el rayo que se refleja en la pieza inferior de vidrio sufre una inversión de fase de 180 °, mientras que la reflexión interna del otro rayo desde la parte inferior del vidrio superior no provoca ninguna inversión de fase. El brillo de la luz reflejada depende de la diferencia en la longitud del camino de los dos rayos.
Interferencia constructiva
(a): En áreas donde la diferencia de longitud de trayectoria entre los dos rayos es igual a un múltiplo impar de la mitad de una longitud de onda (λ / 2) de las ondas de luz, las ondas reflejadas estarán en fase , por lo que los "valles" y " los picos "de las olas coinciden. Por lo tanto, las ondas se reforzarán (sumarán) y la intensidad de la luz reflejada resultante será mayor. Como resultado, se observará un área brillante allí.
Interferencia destructiva
(b): En otras ubicaciones, donde la diferencia de longitud de trayectoria es igual a un múltiplo par de media longitud de onda, las ondas reflejadas estarán desfasadas 180 ° , por lo que un "valle" de una onda coincide con un "pico" de la otra ola. Por lo tanto, las ondas se cancelarán (restarán) y la intensidad de luz resultante será más débil o nula. Como resultado, se observará un área oscura allí. Debido a la inversión de fase de 180 ° debido a la reflexión del rayo inferior, el centro donde las dos piezas se tocan es oscuro. Esta interferencia da como resultado un patrón de líneas o bandas brillantes y oscuras llamadas " franjas de interferencia " que se observan en la superficie. Son similares a las curvas de nivel de los mapas, lo que revela diferencias en el grosor del espacio de aire. El espacio entre las superficies es constante a lo largo de una franja. La diferencia de longitud de la trayectoria entre dos franjas adyacentes brillantes u oscuras es una longitud de onda λ de la luz, por lo que la diferencia en la brecha entre las superficies es la mitad de la longitud de onda. Dado que la longitud de onda de la luz es tan pequeña, esta técnica puede medir desviaciones muy pequeñas de la planitud. Por ejemplo, la longitud de onda de la luz roja es de aproximadamente 700 nm, por lo que al usar luz roja, la diferencia de altura entre dos franjas es la mitad, o 350 nm, aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano. Dado que el espacio entre los vidrios aumenta radialmente desde el centro, las franjas de interferencia forman anillos concéntricos. Para superficies de vidrio que no son esféricas, los flecos no serán anillos sino que tendrán otras formas.
Para la iluminación desde arriba, con un centro oscuro, el radio de la N º anillo brillante está dada por
La fórmula anterior también es aplicable para anillos oscuros para el patrón de anillo obtenido por luz transmitida.
Considere la luz incidente en el plano plano de la lente convexa que está situada en la superficie de vidrio ópticamente plana debajo. La luz pasa a través de la lente de vidrio hasta que llega al límite entre el vidrio y el aire, donde la luz transmitida pasa de un valor de índice de refracción ( n ) más alto a un valor de n más bajo. La luz transmitida atraviesa este límite sin cambio de fase. La luz reflejada (alrededor del 4% del total) tampoco tiene cambio de fase. La luz que se transmite al aire viaja una distancia, t , antes de reflejarse en la superficie plana que se encuentra debajo; la reflexión en el límite aire-vidrio provoca un cambio de fase de medio ciclo porque el aire tiene un índice de refracción más bajo que el vidrio. La luz reflejada en la superficie inferior devuelve una distancia de (de nuevo) ty pasa de nuevo a la lente. Los dos rayos reflejados interferirán de acuerdo con el cambio de fase total causado por la longitud de trayectoria adicional 2t y por el cambio de fase de semiciclo inducido en la reflexión en la superficie inferior. Cuando la distancia 2t es menor que una longitud de onda, las ondas interfieren de manera destructiva, por lo que la región central del patrón es oscura.
Un análisis similar para la iluminación del dispositivo desde abajo en lugar de desde arriba muestra que en ese caso la parte central del patrón es brillante, no oscura. (Compare las imágenes de ejemplo dadas para ver esta diferencia).
Dada la distancia radial de un anillo brillante, r , y un radio de curvatura de la lente, R , el espacio de aire entre las superficies de vidrio, t , se da con una buena aproximación por
donde se ignora el efecto de ver el patrón en un ángulo oblicuo a los rayos incidentes.
Interferencia de película delgada
El fenómeno de los anillos de Newton se explica sobre la misma base que la interferencia de película delgada , incluidos efectos como los "arco iris" que se ven en películas delgadas de aceite sobre agua o en pompas de jabón. La diferencia es que aquí la "película fina" es una fina capa de aire.
Otras lecturas
- Airy, GB (1833). "VI. Sobre los fenómenos de los anillos de Newton cuando se forman entre dos sustancias transparentes de diferente poder refractivo" . Revista Filosófica . Serie 3. 2 (7): 20-30. doi : 10.1080 / 14786443308647959 . ISSN 1941-5966 .
- Illueca, C .; Vázquez, C .; Hernández, C .; Viqueira, V. (1998). "El uso de anillos de Newton para caracterizar lentes oftálmicas". Óptica oftálmica y fisiológica . 18 (4): 360–371. doi : 10.1046 / j.1475-1313.1998.00366.x . ISSN 0275-5408 . PMID 9829108 . S2CID 222086863 .
- Dobroiu, Adrian; Alexandrescu, Adrian; Apostol, Dan; Nascov, Victor; Damián, Víctor S. (2000). "Método mejorado para procesar patrones de franjas de anillos de Newton". En Necsoiu, Teodor; Robu, Maria; Dumitras, Dan C (eds.). SIOEL '99: Sexto Simposio de Optoelectrónica . Actas . 4068 . págs. 342–347. doi : 10.1117 / 12.378693 . ISSN 0277-786X .
- Tolansky, S. (2009). "XIV. Nuevas contribuciones a la interferometría. Parte II — Nuevos fenómenos de interferencia con los anillos de Newton". The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . 35 (241): 120-136. doi : 10.1080 / 14786444408521466 . ISSN 1941-5982 .
enlaces externos
- Anillo de Newton del mundo de la física de Eric Weisstein
- Fotos
- Explicación y expresión de los anillos de Newton
- Anillos de Newton Vídeo de un experimento sencillo con dos lentes, y se observan los anillos de Newton en mica. (En el sitio web FizKapu .) (En húngaro)