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English

薄膜干渉とニュートンリング:位相の反転と暗環の半径

シャボン玉が虹色に見えるのは、膜の表と裏で反射した光が干渉するからです。膜の厚さが場所ごとに違うので、強め合う色も場所ごとに変わる。

ここで効いてくるのは、反射のときに起きる位相の反転です。これを見落とすと、明暗の条件が入れ替わってしまう。

以下では位相の反転から始めて、薄膜の干渉条件、くさび形空気層とニュートンリングまでを扱います。計算例には、シャボン玉が色づく波長を出す手順と、ニュートンリングからレンズの曲率半径を求める手順を置いた。

反射のときに起きる位相の反転

光が境界で反射するとき、位相がそのままの場合と、 ずれる場合がある。どちらになるかは、両側の屈折率で決まる。

屈折率の小さい側から大きい側へ向かって反射すると、位相が ずれる。弦の固定端反射と同じ状況。

逆に、大きい側から小さい側へ向かう反射では、位相は変わりません。こちらは自由端反射にあたる。

反射する向き位相たとえ
小さい屈折率から大きい屈折率へ ずれる固定端反射
大きい屈折率から小さい屈折率へ変わらない自由端反射

英語版 Wikipedia の薄膜干渉の項目も、進んできた媒質より屈折率の大きい面で反射するときに 度の位相のずれが起きるとしている。

透過する光には、この反転がありません。膜を通り抜ける光は、位相をそのまま保って進む。

位相の反転が条件を入れ替える

位相が ずれることは、光路差が半波長だけ増えたことと同じ意味を持つ。 のずれは、半波長ぶん遅れて届いた波と見分けがつかない。

そこで計算では、 の反転が 回あるたびに を足すものとして扱います。この読み替えで、覚える条件が 組で済む。

反転が両方の面で起きる場合は、 回加わって になる。 波長ぶんはずれていないのと同じなので、条件はもとに戻る。

反転が片方だけ

が余分に加わる。光路差が波長の整数倍のところが暗くなる

反転が両方、または両方なし

差し引きが になる。光路差が波長の整数倍のところが明るくなる

数える対象は反転の回数です。何回起きたかを先に確かめてから、条件式を立てる。

薄膜干渉の仕組み

厚さ 、屈折率 の膜に、真上から光を当てます。膜の上面で反射する光と、膜の中を往復してから出てくる光の 本を考える。

本目は膜の中を だけ余分に進む。膜の中では波長が に縮んでいるので、真空中の波長で数えると 進んだことになる。

上面での反射は、空気から膜へ向かう反射です。膜のほうが屈折率が大きいので、位相が ずれる。

下面での反射は膜から空気へ向かうので、位相は変わりません。反転が片方だけ起きる形になる。

薄膜の干渉条件

反転が片方だけなので、光路差に を足したものが実質の差になる。それが波長の整数倍のとき、強め合う。

整理すると、教科書でよく見る形が出ます。

弱め合う条件は、光路差そのものが波長の整数倍のとき。

条件が逆転して見えるところが、この単元のつまずきどころです。位相の反転を数え忘れると、明暗をそっくりとり違える。

斜めに入るとき

真上からではなく斜めに当てる場合、膜の中を進む距離が変わる。膜の中の屈折角を とすると、光路差は次の形。

のとき となり、垂直入射の式に戻る。見る角度を変えるとシャボン玉の色が変わるのは、この が動くから。

シャボン玉と油膜が色づく理由

白色光を当てると、膜の厚さに応じて強め合う波長が決まる。その波長の色だけが強く反射され、色づいて見える。

膜の厚さは場所によって少しずつ違う。だから場所ごとに強め合う色が変わり、虹のような模様になります。

シャボン玉が割れる直前に黒く見えることがある。膜が極端に薄くなり がほぼ になると、位相の反転だけが残ってどの波長も弱め合うからです。

水たまりの油膜も同じ仕組み。油の膜が薄く広がり、厚さの違いが色の帯になって現れる。

シャボン玉の膜が非常に薄くなり、厚さがほとんど になりました。反射光はどう見えますか。

  • 白く見える
  • 暗く見える
  • 赤く見える
  • 明るさは変わらない
__RESULT__

がほぼ になっても、上面の反射による のずれが残ります。どの波長でも弱め合うので、暗く見えます。

反射防止膜

レンズの表面には、反射を減らす膜が塗られています。ここでは反転が 回起きるので、条件がひっくり返る。

膜の屈折率をガラスより小さく、空気より大きく選ぶ。すると上面でも下面でも「小さいほうから大きいほうへ」の反射になり、どちらも位相が ずれる。

反転が 回なので差し引き 。弱め合う条件は、光路差が半波長の奇数倍のときです。

いちばん薄い膜は のときで、 になる。膜の厚さを波長の 分の に合わせる、という設計の由来がここにある。

シャボン玉の膜

空気にはさまれた膜。反転は上面の 1 回だけ。 が強め合いの条件

反射防止膜

空気とガラスにはさまれた膜。反転は 2 回。同じ式が弱め合いの条件に変わる

式の形は同じで、意味だけが入れ替わっています。反転の回数を数えるところが、そのまま答えを分ける。

くさび形空気層

枚の平らなガラス板を重ね、片方の端に薄い紙をはさむ。板のあいだにくさび形の空気層ができる。

上の板の下面での反射は、ガラスから空気へ向かうので位相が変わりません。下の板の上面での反射は空気からガラスへ向かうので、 ずれる。

反転は片方だけ。空気層なので で、光路差は になる。

接触している端では なので、そこは暗くなる。光路差が でも、位相の反転だけが残るためです。

くさび形の縞の間隔

板の長さを 、はさんだ紙の厚さを とします。接触端から の位置での空気層の厚さは、比例配分で出る。

暗線の条件 に入れると、暗線の位置が求まる。

隣り合う暗線の間隔は、 つ増やしたときの差。

縞が等間隔に並ぶのは、厚さが に比例しているからです。傾きが一定なら、同じ厚さの増分ごとに縞が現れる。

紙を厚くすると が増え、縞は詰まる。ガラスの平面性を調べる検査に使われるのは、少しの凹凸で縞が曲がるため。

ニュートンリング

平凸レンズを平面ガラスの上に置くと、接触点を中心とした同心円の縞が現れる。ニュートンリングと呼ばれる模様。

くさび形との違いは、空気層の厚さが位置の 乗で増えるところ。だから縞の間隔は外側ほど詰まる。

反射の事情はくさび形と同じです。上のレンズの下面では位相が変わらず、下の平面ガラスの上面で ずれる。

中心からの距離 r での空気層の厚さを求める

反転が片方だけなので、暗環の条件は

d を r で書き直して代入する

暗環の半径 が出る

空気層の厚さと半径の関係

レンズの曲率半径を 、中心からの距離を とします。空気層の厚さは幾何学から出る。

に比べてずっと小さいので、近似が使える。

中国語版 Wikipedia のニュートンリングの項目も、厚さを と書いている。

暗環の半径

暗環の条件 に、近似した厚さを入れます。

ドイツ語版 Wikipedia のニュートンリングの項目も、 という同じ式を挙げている。

半径が の平方根に比例するので、外側ほど間隔が詰まる。 番目と 番目の差より、 番目と 番目の差のほうが小さい。

中心では 、つまり です。光路差が でも位相の反転が残るので、中心は暗い点になる。

ニュートンリングを反射光で見たとき、中心はどう見えますか。

  • 明るい点になる
  • 暗い点になる
  • 虹色に見える
  • 何も見えない
__RESULT__

中心では空気層の厚さが で、光路差も です。それでも下の面での反射による のずれが残るので、弱め合って暗くなります。

厚さが なのに暗い、というところがこの模様の要点。位相の反転を数えていなければ、説明がつかない。

反射光と透過光で明暗が逆になる

ここまでは反射して戻ってくる光を見ていました。下から透かして見ると、明暗がそっくり入れ替わる。

透過する光には位相の反転がないためです。反射で ずれた分が効かなくなり、条件が反対になる。

エネルギーの保存から考えても筋が通る。反射で弱め合った光は、どこかへ消えるのではなく透過側へ回っている。

反射光で見る

位相の反転が効く。ニュートンリングの中心は暗く、くさび形の接触端も暗い

透過光で見る

反転がないので条件が逆転する。中心は明るく、明暗がすべて入れ替わる

計算例:シャボン玉が強く反射する波長

厚さ nm、屈折率 のシャボン玉の膜に、白色光が垂直に当たります。もっとも強く反射される波長を求めます。

強め合いの条件に を入れる。

緑にあたる波長です。この膜は緑を強く返し、その色に見える。

厚さが変われば強め合う色も変わる。シャボン玉の表面で色が移り変わるのは、膜の厚さがゆっくり変化しているからです。

計算例:反射防止膜の厚さ

屈折率 の膜をガラスの表面に塗り、波長 nm の光の反射をもっとも小さくしたい。膜の最小の厚さを求めます。

反転が 回なので、弱め合いの条件は半波長の奇数倍。 をとる。

膜の中の波長の 分の という厚さになりました。カメラのレンズが薄く色づいて見えるのは、この膜が付いているから。

計算例:くさび形の縞の間隔

長さ cm のガラス板の端に、厚さ mm の紙をはさみます。波長 nm の光を当てたときの縞の間隔を求めます。

式に代入する。単位はメートルにそろえます。

mm 間隔の縞が並ぶ。紙を厚くすれば が増え、縞はさらに詰まります。

計算例:ニュートンリングの半径

曲率半径 m の平凸レンズを使い、波長 nm の光を当てる。 番目の暗環の半径を求めます。

式にそのまま入れる。

番目なら mm。番号の平方根で増えるので、外へ行くほど間隔が狭まっていきます。

計算例:半径からレンズの曲率半径を出す

波長 nm の光で、 番目の暗環の半径が mm だった。レンズの曲率半径を求めます。

式を について解く。

m という値が出ました。定規では測りにくい大きな曲率半径が、mm 単位の縞から求まる。

レンズの検査でこの方法が使われるのは、この感度のためです。表面がわずかにゆがんでいれば、環の形が崩れて見える。

よくある誤り

位相の反転を数えずに条件を立てる。反転が何回起きたかで、明暗の条件が入れ替わる。
薄膜の光路差を だと考える。膜の中では波長が縮むので、 になる。
どんな反射でも位相が ずれると考える。ずれるのは屈折率の大きい側へ向かう反射だけ。
透過する光にも位相の反転があると考える。反転が起きるのは反射のときだけ。
ニュートンリングの中心が明るいと考える。反射光で見るかぎり、中心は暗い点になる。
ニュートンリングの縞が等間隔だと考える。半径は に比例するので、外側ほど詰まる。
くさび形の縞も外側ほど詰まると考える。厚さが位置に比例するので、こちらは等間隔。
反射防止膜でも条件が薄膜と同じだと考える。反転が 2 回なので、明暗の条件が逆になる。
シャボン玉が薄いほど明るく光ると考える。極端に薄いと が消え、位相の反転だけが残って暗くなる。

手順はいつも同じです。反転の回数を数え、光路差を書き、 を足すかどうかを決める。この 段で条件が立ちます。

参考文献

Thin-film interference - Wikipedia
Newton's rings - Wikipedia
OpenStax University Physics: Interference in Thin Films
Newtonsche Ringe - Wikipedia(ドイツ語)
Anneaux de Newton - Wikipédia(フランス語)
牛顿环 - 维基百科(中国語)
反射の位相の反転を数えるだけで、薄膜もくさび形もニュートンリングも同じ手順で解けます。膜の中で波長が縮むために光路差が $2nd$ になること、シャボン玉が薄すぎると暗くなる理由、反射防止膜の厚さが波長の 4 分の 1 になる理由、外側ほど環が詰まる理由を、計算例とよくある誤りつきで扱います。