5 光の干渉と空気の屈折率の測定

5 光の干渉と空気の屈折率の測定
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
5 光の干渉と空気の屈折率の測定
ーマイケルソン干渉計の原理と実験ー
マイケルソン干渉計を用いて,レーザー光の干渉縞をつくり観察する。
また,反射ミラーの一方を移動させて,その間に変化した縞の本数から
レーザー光の波長を求める。さらに,真空チャンバーを組み合わせて,
空気の屈折率を測定する。
【使用実験機器】マイケルソン干渉計
§1 はじめに
19世紀には,ほとんどの科学者が宇宙は「光を放つエーテル」という物質で満たされてい
ると信じていた。1887年,アルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーの2人は,地
球がエーテルの中をどれだけの速さで進んでいるかを,干渉を利用してつきとめようとした。
この目的のためには,光の伝
わる速さを,地球の動いている
方向と,その逆方向とで測れば
よいわけだが,光速が地球の動
きに比べ極端に大きいので,直
接測ることはむずかしい。そこ
で,光源からの光線を半透過型
の鏡で2つに分割し,互いに直
角に進ませる。往復する時間が
違えば,これに相当する光路差
による光の干渉が見られるはず
である。しかし,往復距離を完
全に一致させることは実現が困
難であるので,この装置を90゜
回転させて干渉縞の移動を見る
ことにした。ところが,実験結
図 1 マイケルソンとモーリーの実験装置 [5]
果は,装置その他いろいろな誤
差を考えに入れても,有為な干渉縞の移動は観測できなかった。もともと,エーテルに対す
る地球の速度の方向が,あらかじめ知られているわけではないから,いろいろな季節に方向
を変えて繰り返し実験しても,予期された干渉縞の移動は観測されなかった。
この結果を説明するために,いろいろな試みがなされたが,決定的な結論を与えたのは,
1905年のアルバート・アインシュタインの特殊相対性理論である。アインシュタインの考え
は,「すべての運動は相対的であり絶対の運動はあり得ない。なぜなら運動の規準になる絶
対的に静止したものはどこにもないのだから。」と,エーテル説に終止符を打った。
ここでは,この実験の原理に基づくマイケルソン干渉計を使って,光の干渉現象を観測し,
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
レーザー光の波長測定(実験Ⅰ)と空気の屈折率の測定(実験Ⅱ)を行う。
§2 実験Ⅰ:レーザー光の波長測定
1 解説
(1)光の干渉と波長測定の原理
レーザー光を顕微鏡用対物レンズで広げ,
ビームスピリッターに入射する。ビーム1
は,ビームスピリッターを透過した後,表
面鏡S1で反射されて元きた道を戻り,再
びビームスピリッターに入射し,そこで反
射してスクリーンに到達する。一方,ビー
ム2はビームスピリッターで反射し,表面
鏡S2で反射された後,ビームスピリッタ
ーを透過してスクリーンに到達する。同じ
位置に到達したビームは,リング状の干渉
図2
原理図
縞を生じる。
この干渉リングは,2つのビームの光路長の差に相当する厚さの空気層によって生じるも
のと考えられる。よって,光源の波長λに対し,光路差がλ/2変化するごとに明暗が反転
する。
ここで,表面鏡S1を光軸にそって⊿S変位させたとき,明暗の反転回数(明→暗→明
または 暗→明→暗 を1回と数える)がn回であったとすると,光路長の変化は2⊿Sであ
るので,光源の波長λと⊿S,nの間には次式の関係が成り立つ。
nλ=2⊿S
…(1)
従って,光源の波長λは
λ=
2⊿S
…(2)
n
と求められる。
(2)マイケルソン干渉計
【マイケルソン干渉計の主要部の名称】
①干渉計ベース
②固定ミラーステージ
③ハーフミラーステージ
④微動ミラーステージ
⑤固定ミラー
⑥微動ミラー
⑦X調整ネジ
⑧Y調整ネジ
⑨ハーフミラー
⑩微動装置
⑪マイクロメーター
図3 マイケルソン干渉計 外観図
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
※マイクロメーター⑪は,時計方向に回転することにより,微動メーターが前進する。
1回転で50μm移動し,バーニアによって0.1μmのオーダーまでの読み取りができる。
2 実験
(1)実験装置及び器具
・マイケルソン干渉計
・レーザー装置
MJ-15
GLG-5014
・顕微鏡用対物レンズ×10または×20
・スクリーン(適当な白い平面)
・干渉計用光検出器
LX-10
・センサ保持のための適当なクランプと支持台
・電子計数装置
NX-10
(2)実験装置の組立と調整
① 図4のように装置を配置し,
配線する。
※調整では,はじめ,干渉
計用光検出器に接続され
た光センサ部分にスクリ
ーンを置く。
図4
装置の配置
② レーザー装置から顕微鏡用対物レンズを取り外した状態で,固定ミラーを紙などで隠し,
微動ミラー側のビームだけが見えるようにする。
③ 微動ミラー中心部にビームを当て,反射してきたビームがレーザー装置の出力窓に戻る
ように,レーザー装置の位置を高さとともに決める。このビームの半分はハーフミラー
で反射されてスクリーンにあたるので,ビームのスポットが中心部にくるようにスクリ
ーンの位置を調整する。このスポットの位置は何かで目印を付けておくとよい。
④ 固定ミラーを隠していた紙などをはずして,スクリーンに固定ミラー側のビームによる
スポットが現れるようにする。固定ミラーのX調整ネジ・Y調整ネジを回転し微動ミラ
ー側のスポットと一致させる。
⑤ 顕微鏡用対物レンズをレーザー装置に取り付け,拡散光でスクリーン上に干渉リングを
作る。このとき,拡散光の方向が少し傾くことがあるので,拡散光の光軸が微動ミラー
の中心部になるようにレーザー装置の位置を調節する。スクリーン上の干渉リングの中
心を前述の目印の位置になるように,固定ミラーのX調整ネジ・Y調整ネジを回転する。
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
⑥ マイクロメーターをゆっくり回転させ,リングの中心が動かなければ光軸の調整は完了
する。
⑦ スクリーンの干渉リングの所に,スクリーンを除きクランプと支持台で干渉計用光検出
器のセンサをセットする。干渉リング中心部の明暗変化の面積が大きい部分に,センサ
の受光素子がくるようにする。必要な光源以外の照明を消す。
【注意】室内の蛍光灯は使用できない。
⑧ マイクロメーターを操作して干渉リングの中心に最も暗い部分がくるようにする。ゲイ
ン調整つまみを右寄りの位置にし,レベル調整つまみを左端からゆっくり右方向へ回転
させLEDレベルメーター(
マーク)が消えた直後で止める。
【注意】GREENが点灯しない位置にすること。
⑨ つぎに,干渉リングの中心に最も明るい部分がくるようにし,ゲイン調整つまみを右端
からゆっくり左方向へ回転させ右のLED(
マーク)が消えた直後で止める。
【注意】1から5のGREENが点灯している状態にする。
(3)実験の方法
① まず,マイクロメーターを反時計方向に回転させ,微動ミラーを測定出来るだけ後退さ
せる。機構部分の遊びなどの影響をなくすため,マイクロメーターを時計方向に,約1
回転まわして,初めの位置S0の目盛りを読み取る。
② 電子計数装置を0にし,マイクロメーターを時計方向へ回転させ,微動ミラーを前進さ
せながら 6000回 の位置S1の目盛りを読み取る。
③ 2点S0,S1の読み取り値から, S0−S1=⊿S として波長λを(2)式より求める。
3 実験結果と分析
測定例:光源He−Neレーザー (波長 632.8 nm)
①
S0= 2.0010[mm]
S1= 0.1023[mm]
⊿S=S0−S1= 1.8987[mm]
n=6000
これより
②
λ=
2⊿S
n
= 632.9[nm]
S0= 2.0742[mm]
S1= 0.1747[mm]
⊿S=S0−S1= 1.8995[mm]
n=6000
これより
λ=
2⊿S
n
= 633.2[nm]
※①②の平均値は,633.1 nm となり,誤差は
(633.1−632.8)/632.8×100 = 0.05[%]
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
【備考】《干渉縞の反転回数nと波長の測定》
① データの取り方を 300回 とし,繰り返し実験する。
表1
n=300
n= 300 の測定例
データ1
データ2
データ3
データ4
データ5
S0[mm]
1.8758
1.7758
1.6757
1.5760
1.4750
S1[mm]
1.7818
1.6815
1.5805
1.4814
1.3799
λ [nm]
626.7
628.7
634.7
630.7
634.0
平
均
631.0
※平均値は 631.0 nm で,誤差は
(631.0−632.8)/632.8×100=−0.28[%]
と,少し大きくなる。
② データの取り方を50回ごとに500回まで合計11ポイントとり,最小2乗法で一次式に近
似し,その傾きから求める。
表2
n:位置
0 [mm]
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
近似値nm
データ1
1.9747
1.9574
1.9426
1.9279
1.9114
1.8953
1.8805
1.8641
1.8476
1.8333
1.8173
628
n= 50∼500 の測定例
データ2
1.7757
1.7600
1.7436
1.7285
1.7127
1.6966
1.6816
1.6652
1.6493
1.6347
1.6185
628
データ3
1.6017
1.5867
1.5718
1.5549
1.5396
1.5242
1.5073
1.4915
1.4766
1.4599
1.4444
632
データ4
1.4255
1.4085
1.3928
1.3776
1.3607
1.3448
1.3294
1.3132
1.2976
1.2822
1.2663
636
データ5
1.2510
1.2358
1.2209
1.2045
1.1894
1.1736
1.1579
1.1423
1.1272
1.1109
1.0950
624
平
微動ミラーの位置[mm]
反転回数[回]
y=−0.000316x+1.6025
0.000316×2→632 nm
図5
一次近似のグラフ(データ3の結果)
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均
629.6
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
※誤差は,(629.6−632.8)/632.8×100=−0.51[%]
と最も大きくなった。
③ 干渉縞が安定して変化しない時間帯を利用しないと,セットしたままで触らなくても
明暗が変化する。その結果,すばやく 6000回 ぐらいを実験した方が精度は良いと考
えられる。
§3 実験Ⅱ:空気の屈折率の測定
1 解説
(1)空気の屈折率の測定原理
マイケルソン干渉計の一方の光路に真空チャンバーを取り付けることにより,ハーフミラ
ーで分離された一方のビームが2度真空チャンバーを通り,真空状態と空気中とでは光の速
度が異なることから干渉縞の反転が生じる。
チャンバーの長さをL,屈折率をnとすると,光路長dは,
d=2nL
…(3)
と表せる。また,チャンバーを真空状態にし,ゆっくり空気を満たしていけば干渉縞の反転
回数から光路差が測定できる。
真空の屈折率nは1であり,空気の屈折率をn1 とすると,光路差⊿dは,
⊿d=d1−d=2n1L−2L
…(4)
となる。一方,干渉縞の反転回数をm回とすると,光路差⊿dは,
⊿d=m・λ
…(5)
となるので,(4)(5)式より,空気の屈折率n1は,
n1 =1+m・
λ
…(6)
2L
と求められる。
(2)真空チャンバー装置
①チャンバー
(内径 40mm,真空部長さ 40mm)
②取り付け台
③ガラス板
④ノズル
⑤補助ノズル
⑥中間バルブ
⑦コック
⑧エア調節ねじ
⑨排気ノズル
図6
⑩真空グリース
装置の構成
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
2 実験
(1)実験装置および器具
・マイケルソン干渉計
・レーザー装置
MJ-15
GLG-5014
・顕微鏡用対物レンズ×10または×20
・スクリーン(適当な白い平面)
・干渉計用光検出器
LX-10
・センサ保持のための適当なクランプと支持台
・電子計数装置
NX-10
・MJ-15用真空チャンバー
・真空ポンプ
(2)実験装置の組立と調整
・図7のように,マイケルソン干渉計に真空チャンバーを取り付け配置する。取り付けは,
取り付け台(図7の②)をねじで止める。
・スクリーンの干渉縞の変化の数は,実験Ⅰと同様,光検出器と計数装置で計数する。
図7
装置の配置
図8
中間バルブ
(3) 実験の方法
① チャンバー①の両側に,ガラス板③を真空グリ−スでしっかりと密着させる。中間バル
ブ⑥のコック⑦を"open"にし,エア調節ねじ⑧を締め込んだ状態にして,真空ポンプは
止めておく。
② マイケルソン干渉計の干渉縞を光検出器も受光素子部分に作り,計数装置も含めて電源
を入れる。
③ 真空ポンプを作動させ,縞模様が変化しなくなるまでチャンバー内の空気を排気する。
縞が変化しなくなり,真空ポンプから煙が出るようになったら,コックを閉め真空ポン
プを止める。
④ 電子計数装置を0にし,エア調節ねじをゆるめてチャンバー内に空気を入れる。
⑤ 干渉縞が安定したら,電子計数装置の数を読む。
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光 の干渉と空気の屈折率の測定
3 実験結果と分析
実験例
光源He−Neレーザー(波長 632.8 nm)
チャンバーの長さL= 4.000[cm]
1007 hpa 27℃
明暗回数 (回)
頻 度
35
34.5
4回
(*)
4回
34
7回
(*)反転回数は,明→暗→明または暗→明→暗を1回とするので,最後に
暗→明で,カウントしないが明らかに変化した時を ,0.5回とした。
平均 34.4回
※ (35×4+34.5×4+34×7)/15=34.4
(6)式より
n1 =1+34.4×
・1013.25hPa
6.328×10−7
2×4.000×10−2
15℃ nair =1.000276508
=1.0002721
(理科年表・平成9年による)
と比較して,誤差は (2765−2721)/2765×100=1.6%となった。
【備考】
この実験の場合,エア調節ねじをゆっくりゆるめれば,計数装置を用いなくても明
暗回数は十分読み取れる。
【参考文献】
[1]「マイケルソン干渉計」取扱説明書(島津理化器械(株))
[2]「干渉計用光検出器」取扱説明書(島津理化器械(株))
[3]「マイケルソン干渉計用真空チャンバー」取扱説明書(島津理化器械(株))
[4] 国立天文台編「理科年表」(丸善(株)
1997年版)
[5] デイヴィット・バーニー著「ザ・サイエンス・ヴィジュアル2光」(1993,東京書籍)
p60∼p63
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