ニュートンリング

質問

ニュートンリングの原理の説明において、凸レンズの下面での光の反射が斜め方向ではなく垂直に反射するという説明をよく見受けますが、真上から入射した光が、なぜ斜め方向に反射しないのでしょうか。下の平面ガラスでの反射が垂直に反射するのは理解できますが、凸レンズの下面は入射光に対して垂直ではなく傾いているので、真上から入射した光は真上に反射するのではなく斜め方向に反射するように思われます。これは、ニュートンリングに限らずくさび形空気層における光の干渉においても同様ですが、なんとも納得できません。どなたか教えていただけませんでしょうか。

回答No.1

yokkun831 · ベストアンサー

なかなかするどい質問ですね。よいところに疑問をもたれたと思います。

同じ種類の疑問が、回折格子（特に反射型）の干渉においても出てくると思います。回折格子（またはダブルスリット）の場合、光が狭いところを通り抜けるので回折によって広がると解釈され、必ずしも反射の法則や屈折の法則にのっとった方向に限定されないというのはわかりますね？

実は、ニュートンリングやくさび形空気層の干渉の場合も同じなのです。まず、無条件に反射の法則または屈折の法則を受け入れてしまうと、奇妙なことになります。そうでなくて、反射の法則や屈折の法則自体がホイヘンスの原理で説明されるように、並行する光線の波面がそろって強め合う方向を導いた結果なのです。

光の干渉において、いったん反射の法則や屈折の法則はご破算にすべきなのです。つまり、光は可能なあらゆる方向を「試行」して、結果的にともにする隣人（別経路を通ってすぐとなりを進むことになった光線）と強め合う方向を選択しているということです。反射の法則が成り立つのは入射角と異なる反射角の方向への光は互いに弱め合って打ち消し合うためと考えるべきなのです。ニュートンリングやくさび形空気層の干渉においても、反射の法則に拘束されることなく光はすべての方向を「試行」して、結果的に強め合う方向を選択しているわけです。

たとえばヤングの干渉実験で、弱め合う点には現実に光がこないのに、きたものと仮定して弱め合いを判定しますよね？　これもつきつめて考えるとおかしなことです。現実には光はその弱め合う経路を選ばなかったわけですから。

光は可能なすべての経路を「試行」して、結果的に隣人と強め合う方向を選択する。これだけで、屈折・反射・回折・干渉といった光の波動性に関わるすべての現象が説明がつくのです。屈折の法則や反射の法則は、ニュートンリングやくさび形空気層の場合のように、あらたな隣人が参入するという条件にないときに成り立つ二次的な法則であることを理解しましょう。

お礼

迅速かつわかりやすいご回答ありがとうございます。
「光は可能なすべての経路を「試行」して、結果的に隣人と強め合う方向を選択する」という説明は、感覚的に非常に納得がいきます。（きちんと勉強して確かめたわけではありませんが。）おっしゃるとおり、これだけで光の屈折・反射・回折・干渉が説明できそうですね。
ありがとうございました。

回答No.2

naniwacchi

#1さんが丁寧に書かれているので、もう少し単純なレベルで。

ニュートンリングの説明をみると、「曲率半径の大きなレンズで」といった記述がみられると思います。
これは、水平に非常に近く、わずかなすきましかないということを意味しています。
よって、懸念されている「反射光」もほぼ垂直になることとなります。

曲率半径が小さくなれば、懸念されていることからリングは見えなくなる（と思います）。
水晶玉みたいなものでリングが見えるかというと見えないですよね。

スリット（ヤングの干渉実験）やくさび形の実験も、
同じように「非常に狭い」（＝波長に非常に近い）という条件下でおこなわれるものになります。
それゆえ、「近似」を用いた評価をおこない結論（干渉縞）を導くことができるということになります。

お礼

迅速なご回答ありがとうございます。
たしかに「反射光もほぼ垂直」ということで近似的に説明できるかもしれませんね。