Wikipedia - Doświadczenie

Wikipedia - kopia Wikipedii, wolnej encyklopedii

ilustracja doświadczenia Younga

schemat doświadczenia Younga

Obraz interferencyjny widoczny na ekranie

Doświadczenie Younga - eksperyment polegający na przepuszczeniu spójnego światła poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzutowaniu na ekran. Na ekranie wskutek interferencji tworzą się charakterystyczne prążki, tzn. obszary w których światło jest wygaszone i wzmocnione.

Warunek powstania maksimum:

$d\cdot \sin \alpha_{k} =k\lambda \quad \quad k \in \mathbb{Z} ,\ k \in (- {d \over \lambda} , {d \over \lambda} )$

Warunek powstania minimum:

$d\cdot \sin \alpha_{k} =\left( \frac{2k+1}{2} \right)\lambda \quad \quad k \in \mathbb{Z} ,\ k \in (- {2 d - \lambda \over 2 \lambda} , {2 d - \lambda \over 2 \lambda} )$

gdzie:

d - odległość między szczelinami,
$λ$ - długość fali
$α k$ - kąt pod jakim tworzy się k-te maksimum lub minimum i może być widoczne na ekranie (względem prostej przechodzącej przez środek odległości między szczelinami w kierunku padającego na nie promienia światła).

Eksperyment potwierdził falową naturę światła i stanowił poważny argument przeciwko korpuskularnej koncepcji światła, której zwolennikiem był Isaac Newton. Po raz pierwszy eksperyment ten wykonał około roku 1805 Thomas Young, fizyk angielski.

Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy pełniące rolę przesłon pomiędzy szczelinami. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch szczelin.

Thomasa Younga zainspirowały obserwacje fal na wodzie pochodzących z dwóch różnych źródeł - ich wzajemne wzmacnianie się i osłabianie. Chcąc wykonać podobny eksperyment z użyciem światła, użył nieprzezroczystego materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki. Do uzyskania spójnego światła Young przepuścił światło świecy najpierw przez pojedynczy mały otwór. Światło to, zgodnie z Zasadą Huygensa rozchodziło się w postaci fali kulistej a następnie docierało do dwóch szczelin na kolejnej przesłonie. Różnica faz promieni dochodzących do obu szczelin była cały czas jednakowa dla danej częstotliwości, a zatem były to fale spójne. Po przejściu przez obie szczeliny, promienie rozprzestrzeniały się (znów zgodnie z zasadą Huygensa) i oświetlały ekran tworząc na nim kolorowe prążki interferencyjne.

Doświadczenie w swojej pierwotnej formie nie budziło wielkich kontrowersji w świecie fizyki, jednak późniejsze jego modyfikacje postawiły przed fizykami znaki zapytania. Okazało się bowiem, że nawet pojedyncze fotony wysyłane przez szczeliny w znacznych odstępach czasu, które nie miały prawa wzajemnie ze sobą interferować, tworzyły za szczelinami na światłoczułym materiale wzór interferencyjny. Efekt ten będąc jedną z manifestacji kwantowej natury światła jest często używany do objaśniania podstaw mechaniki kwantowej.

W kwantowo-mechanicznym podejściu efekt interferencji spowodowany jest nakładaniem się funkcji falowej opisującej stan fotonu.

[edytuj] Wyprowadzenie wzoru

Drugi promień pokonuje dodatkowo drogę BC

Od punktów A i C oba promienie mają do pokonania taką samą drogę. Zatem różnica dróg dla obu promieni jest równa BC = $Δ$ . Z prostokątnego trójkąta ABC można wyznaczyć $Δ$

$\frac{\Delta }{d}=\sin \alpha \quad \quad \Delta =d\sin \alpha$

Wzmocnienie nastąpi, gdy $Δ$ będzie równa całkowitej wielokrotności długości fali $λ$

$k\lambda =d\sin \alpha _ \operatorname{k}$

Wzór ten oznacza, że promienie biegnące pod kątem $\alpha _ \operatorname{k}$ utworzą na ekranie jasny prążek. Liczba k jest rzędem widma.

[edytuj] Zobacz też

Zobacz zbiór multimediów na Wikimedia Commons:
Doświadczenie Younga