Young tapasztalata

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. augusztus 14-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 4 szerkesztést igényelnek .

Young kísérlete ( kétréses kísérlet , más néven Young duplarés interferométere ) a Thomas Young által végzett kettős réses kísérlet első változata , amely a fény interferenciáját és diffrakcióját mutatja be , ami a fényszóródás érvényességének bizonyítéka. a fény hullámelmélete . A kísérlet eredményeit 1803 -ban tették közzé .

Az élmény leírása

A kísérletben monokromatikus fénysugarat irányítanak egy átlátszatlan vászonra két párhuzamos résszel (rés), amely mögé egy vetítővászont helyeztek el. A rések szélességét igyekeznek a lehető legközelebb elérni a kibocsátott fény hullámhosszához (a rések szélességének interferenciára gyakorolt hatását az alábbiakban tárgyaljuk). A vetítővászon váltakozó interferencia -peremek sorozatát állítja elő, amit Thomas Young mutatott be.

Feltételezve, hogy a fény részecskékből áll ( a fény korpuszkuláris elmélete ), akkor a vetítővásznon csak két párhuzamos, a réseken áthaladó fénysáv látható. Közöttük a vetítővászon gyakorlatilag nem világítana.

Másrészt, ha feltételezzük, hogy a fény terjedő hullámok ( a fény hullámelmélete ), akkor Huygens elve szerint minden rés másodlagos hullámok forrása .

A másodlagos hullámok ugyanabban a fázisban érik el a résektől egyenlő távolságra lévő pontokat , ezért a képernyő középső vonalán amplitúdójuk összeadódik, ami maximális fényerőt hoz létre . Vagyis a fő, legfényesebb maximum az lesz, ahol a korpuszkuláris elmélet szerint a fényerőnek nullának kell lennie. Az oldalmaximumok mindkét oldalon szimmetrikusan helyezkednek el azokon a pontokon, amelyeknél a fénysugarak útjában a különbség egyenlő egész számú hullámmal.

Másrészt a középvonaltól távolabb eső pontokon, ahol az útkülönbség egyenlő páratlan számú félhullámmal, a hullámok ellenfázisúak lesznek - amplitúdójuk kompenzálva van, ami fényességi minimumokat (sötét sávokat) hoz létre. .

Így a középvonaltól való távolság növekedésével a fényerő periodikusan változik, maximumra nő, majd ismét csökken.

Az interferencia feltételei

Fényforrás koherenciája

Interferencia csak koherens fényforrásoknál figyelhető meg, de két különböző koherens forrás létrehozása szinte lehetetlen. Ezért minden interferencia-kísérlet azon alapul, hogy különféle optikai rendszerekkel két vagy több másodlagos forrást hoznak létre egy primer forrásból, amelyek koherensek lesznek. Young kísérletében a képernyőn lévő két rés koherens forrás.

A rés szélességének hatása

Interferenciaminta jelenik meg a képernyőn, amikor a rések szélessége megközelíti a kibocsátott monokromatikus fény hullámhosszát . Ha a rések szélességét növeljük, akkor a képernyő megvilágítása növekszik, de az interferenciaminta minimumának és maximumának súlyossága csökken, amíg teljesen el nem tűnik.

A réstávolság hatása

Az interferenciaperemek ismétlési frekvenciája egyenes arányban növekszik a rések közötti távolsággal, miközben a diffrakciós mintázat szélessége változatlan marad, és csak a rések szélességétől függ.

Kísérlet pontszerű fényforrással

Legyen S egy pontszerű fényforrás , amely két párhuzamos réssel rendelkező vászon előtt helyezkedik el, és , a a rések közötti távolság, D pedig a rések és a vetítővászon távolsága. $S_{1}$ $S_{2}$

A képernyőn lévő M pontot egy x koordináta jellemzi - az M és a képernyőn lévő merőleges S vetület távolsága.

Legyen két gerenda az M -ből és egyszerre essen bele. Feltételezve, hogy a kísérletet homogén közegben végezzük, az optikai útkülönbséget geometrikusra cseréljük: $S_{1}$ $S_{2}$

\delta =(S_{2}M)-(S_{1}M)

hol van a geometriai útkülönbség. $\delta$

Derékszögű háromszögekből:

$S_{1}M^{2}=D^{2}+(xa/2)^{2}$

${\displaystyle S_{2}M^{2}=D^{2}+(x+a/2)^{2))$

Akkor:

$S_{1}M^{2}-S_{2}M^{2}=(S_{1}M-S_{2}M)(S_{1}M+S_{2}M)= \delta (S_{1}M+S_{2}M)$

és

$\delta ={S_{1}M^{2}-S_{2}M^{2} \over S_{1}M+S_{2}M}={[D^{2}+( xa/2)^{2}]-[D^{2}+(x+a/2)^{2}] \over S_{1}M+S_{2}M}={(xa/2) ^{2}-(x+a/2)^{2} \over S_{1}M+S_{2}M}$

További

$\delta ={x^{2}-ax+a^{2}/4-x^{2}-ax-a^{2}/4 \over S_{1}M+S_{2} M}={-2ax \over S_{1}M+S_{2}M}$

Az interferenciamintázat leírásához csak az útkülönbség abszolút értéke a fontos, így a mínusz előjel elhagyható.

Ha egy << D és x << D , akkor és $S_{1}M+S_{2}M\approx 2D$

\delta =x{a \over D}=x\tan \phi

hol az a szög, amelynél az adott pont „látható” a résekből. $\phi$

Fényes peremek - interferencia maximumok - akkor jelennek meg, ha az útkülönbség egyenlő egy egész számú hullámhosszal , ahol egy egész szám. $\delta =p\lambda$ $p$

Sötét csíkok - minimumok - páratlan számú félhullámmal egyenlő útkülönbséggel: $\delta ={\frac {2p+1}{2}}\lambda .$

A megvilágítás - E az M pontban az utak optikai hosszának különbségéhez kapcsolódik a következő összefüggéssel:

E=2E_{0}\left[1+\cos \left({\frac {2\pi \delta (M)}{\lambda }}\right)\right]

ahol:

$E_{0}$ az első vagy második rés által létrehozott megvilágítás;
$\lambda$ a források által kibocsátott fény hullámhossza és . $S_{1}$ $S_{2}$

A megvilágítás tehát periodikusan nulláról -ra változik , ami a fény interferenciáját jelzi . Az interferencia minta szimmetrikus a maximumhoz képest, amelyet "fő" vagy "központi"-nak neveznek. $4E_{0}$ $x=0(p=0;\phi =0)$

Nem monokromatikus fény alkalmazásakor a különböző hullámhosszokhoz tartozó maximumok és minimumok egymáshoz képest eltolódnak, és spektrális sávokat figyelünk meg.

Interferencia és kvantumelmélet

Minden esemény , mint például a fény áthaladása egy S forrásból a képernyő M pontjába egy lyukon keresztül , vektorként ábrázolható. $S_{1}$ ${\vec {V}}_{1}.$

Annak meghatározásához, hogy a fény mekkora valószínűséggel ér el S forrásból M pontba, figyelembe kell venni az összes lehetséges fényutat S pontból M pontba. A kvantummechanikában ez az elv alapvető. Annak meghatározásához, hogy a fény mekkora P valószínűséggel fog S pontból M pontba utazni, a kvantummechanika következő axiómáját használjuk:

P=|\phi _{1}+\phi _{2}|^{2}

ahol:

$\phi _{1}$ - egy fázisban érjük el az M pontot, majd a és a vektorok azonosak. Ennek a két vektornak az összege nem nulla. Ezért annak a valószínűsége, hogy az M pont meg lesz világítva, nem egyenlő nullával. Ebben az esetben ez a valószínűség a maximális. ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

P=|2\phi _{1}|^{2}=4|\phi _{1}|^{2}

Ha két hullám az M pontból és eléri azt az ellenfázisban , akkor a és a vektorok különböző irányúak. Ennek a két vektornak az összege nulla. Ezért annak a valószínűsége, hogy az M pont meg lesz világítva, nulla. $S_{1}$ $S_{2}$ ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

P=|\phi _{1}-\phi _{1}|^{2}=0

A fázis megváltoztatása olyan, mint a forgó vektorok. A két vektor összege nullától a maximumig változik . $2V_{1}$

Bemutató

Young terve nem tartozik a gyorsak közé, ezért nehéz bemutatni.

Fénnyel

Young kísérletét két réssel nem könnyű megismételni a laboratóriumon kívül, mivel nem könnyű megfelelő résszélességet készíteni. A két kis lyukból származó interferencia élménye azonban a legegyszerűbb eszközökkel is sikeresen reprodukálható, az ilyenkor fellépő fizikai jelenségek lényege nem változik.

A kísérlet összeállítása a következő: a csokoládéból készült fóliába a lehető legvékonyabb varrótűvel (lehetőleg gyöngyös) két rendkívül vékony lyukat kell készíteni egymáshoz. A tűt nem szabad átengedni, csak a hegyével kell lyukakat szúrni. Ezután egy jól elsötétített helyiségben világítsa meg a szúrás helyét egy erős fényforrással. Kényelmes lézermutatót használni, mivel a fénye monokromatikus. A 0,5-1 méteres képernyőn megfigyelhető a diffrakciós mintázat és az interferencia peremek.

Mechanikus hullámokkal

Jung tapasztalatait jól bemutatja a nagyszámú közönségnek a fizikai helyiségek berendezésének részét képező hullámfürdőből a vásznon történő vetítés. Rendkívül hasznos a kád megvilágítása villogó fénnyel .

Lásd még

Linkek

Jung tapasztalatai (Java kisalkalmazás)
Interferencia – Jung tapasztalatai archiválva : 2016. november 13. a Wayback Machine -nél (Java kisalkalmazás)