Кіріспе

Ньютон сақиналары – екі беттің, әдетте дөңгелек беттің және оған жанасқан жазық беттің арасындағы жарық шағылысуынан пайда болатын интерференциялық құбылыс. Бұл әсерді 1666 жылы зерттеген Исаак Ньютонның есімімен аталған. Монохроматикалық жарықпен қарағанда Ньютон сақиналары екі беттің жанасқан нүктесінде орналасқан, бірін бірі кезегімен ауысатын жарқыраған және қараңғы сақиналардың концентрлі қатары ретінде көрінеді. Ақ жарықпен қарағанда, беттер арасындағы ауа қабатының әртүрлі қалыңдығындағы жарық толқындарының араласуынан оның орнына, радуга түстерінен тұратын концентрлі сақиналы өрнек пайда болады.

Тарих

Бұл құбылысты алғаш рет Роберт Гук 1665 жылы жарық көрген "Микрография" кітабында сипаттаған. Оның аты математик және физик сэр Исаак Ньютоннан шыққан, ол 1666 жылы Линкольнширдегі үйінде, Кембридждегі Тринити колледжін жапқан Ұлы оба кезінде осы құбылысты зерттеді. Ол өз байқауларын "Түстер туралы" деген эссесінде жазды. Бұл құбылыс Ньютон мен Гук арасындағы пікір таласына себеп болды, Ньютон жарықтың бөлшектік табиғатын, ал Гук толқындық табиғатын қолдады. Ньютон Гук қайтыс болғаннан кейін ғана, 1704 жылы жарық көрген "Оптика" трактатының бір бөлігі ретінде талдауын жариялады.

Теория

Үлгі, өте аз иілген қисық шыныны оптикалық тегіс шыныға орналастыру арқылы жасалады. Екі шыны тек ортасында ғана жанасады. Басқа жерлерде екі бет арасында аздап ауа саңылауы болады, ол радиалды қашықтыққа қарай ұлғаяды, сурет 3-те көрсетілгендей. Жоғарыдан келетін монохроматикалық (бір түсті) жарықты қарастырайық, ол жоғарғы линзаның төменгі бетінен және оның астындағы оптикалық тегіс шынының үстіңгі бетінен шағылысады. Жарық шыны линза арқылы өтіп, шыныдан ауа шекарасына жетеді, онда берілген жарық жоғары сыну көрсеткішінен (n) төменгі n мәніне өтеді. Берілген жарық осы шекарадан фазалық өзгеріссіз өтеді. Ішкі шағылысқа ұшыраған жарық (жалпы көлемнің шамамен 4%) де фазалық өзгеріссіз болады. Ауаға өтіп кеткен жарық төмендегі тегіс бетке шағылысу алдында t қашықтығын жүзеді. Осы ауадан шыныға шағылыс жарты циклдық (180°) фазалық ығысуды тудырады, себебі ауаның сыну көрсеткіші шыныдан төмен. Төменгі беттен шағылған жарық (қайтадан) t қашықтығын кері өтеді және линзаға қайта кіреді. Қосымша жол ұзындығы екі бет арасындағы саңылаудың екі еселенгеніне тең. Екі шағылған сәуле 2t қосымша жол ұзындығынан және тегіс бетке шағылыс кезінде туындаған жарты циклдық фазалық ығысудан туындаған жалпы фазалық өзгеріске сәйкес кедергі жасайды. Егер 2t қашықтығы нөлге тең болса (линза оптикалық тегіс шыныға жанасқанда), толқындар бір-бірін жояды, сондықтан үлгінің орталық аймағы қараңғы болады, сурет 2-де көрсетілгендей. Егер құрылғы жоғарыдан емес, төменнен жарықтандырылса, орталық бөлігі қараңғы емес, ақ болады, сурет 1-де көрсетілгендей. Егер жарық монохроматикалық болмаса, шеттік үлгінің радиалдық орны «жаңбыр» сияқты көрінеді, сурет 5-те көрсетілгендей.

Конструктивті араласу

(С. 4а): Екі сәуле арасындағы жол ұзындығы айырмашылығы жарық толқындарының жарты толқын ұзындығының (λ/2) тақ саны есесіне тең болатын аймақтарда, шағылған толқындар бір фазада болады, сондықтан толқындардың "төмендіктері" мен "жоғарлықтары" үйлеседі. Осылайша, толқындар бір-бірін күшейтеді (қосады) және нәтижеде шағылған жарықтың қарқындылығы артады. Соның салдарынан, сол жерде жарқын аймақ байқалады.

Деструктивті кедергілер

(С. 4б): Басқа жерлерде, жол ұзындығының айырмашылығы жарты толқын ұзындығының жұп есесіне тең болғанда, шағылған толқындар 180° фазадан қалыс болады, сондықтан бір толқынның "төңкерілісі" екінші толқынның "жоғары нүктесімен" сәйкес келеді. Осылайша толқындар бір-бірін жояды (азайтады) және нәтижедегі жарық интенсивтілігі әлсірейді немесе нөлге жуықтайды. Соның салдарынан, сол жерде қараңғы аймақ байқалады. Төменгі сәуленің шағылысуынан туындаған 180° фазалық өзгеріс кесірінен, екі бөлік жанасқан орталық қараңғы болады. Бұл интерференция бетте "интерференциялық жолақтар" деп аталатын жарық және қара сызықтар немесе жолақтардың белгілі бір үлгісін құрайды. Бұл картадағы тең биіктік сызықтарына ұқсас, ауа қабатының қалыңдығындағы айырмашылықтарды көрсетеді. Жолақтың бойында беттер арасындағы арақашықтық тұрақты болады. Екі жақын жарық немесе қара жолақ арасындағы жол ұзындығының айырмашылығы жарықтың бір толқын ұзындығы λ-ға тең, сондықтан беттер арасындағы арақашықтықтың айырмашылығы жарты толқын ұзындығын құрайды. Жарықтың толқын ұзындығы өте кішкентай болғандықтан, бұл әдіс беттің тегіс емеуінен туындаған өте шағын ауытқуларды өлшеуге мүмкіндік береді. Мысалы, қызыл жарықтың толқын ұзындығы шамамен 700 нм, сондықтан қызыл жарықты қолдану арқылы екі жолақ арасындағы биіктік айырмашылығы оның жартысы, яғни 350 нм-ге тең, бұл адам шашының диаметрінің 1/100 бөлігіне жуық. Шыны беттер арасындағы арақашықтық орталықтан радиалды бағытта ұлғайғандықтан, интерференциялық жолақтар концентрлі шеңберлер түзеді. Аксиалды симметриясы жоқ шыны беттерде жолақтар шеңбер түрінде емес, басқа пішінде болады.

Ұсақ қабатты кедергі

Ньютон сақиналарының құбылысы жұқа қабатты интерференцияның негізінде түсіндіріледі, оның ішінде судағы майдың жұқа қабаттарында немесе көпіршіктерде көрінетін "радуга" сияқты әсерлер де бар. Ерекшелігі – мұндағы "жұқа қабат" ауаның жұқа қабаты болып табылады.