Youngs oplevelse

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 14. august 2021; checks kræver 4 redigeringer .

Youngs eksperiment ( dobbeltspalteeksperiment , også kendt som Youngs dobbeltspalteinterferometer ) er den første version af dobbeltspalteeksperimentet , udført af Thomas Young , som demonstrerer interferens og diffraktion af lys, hvilket er bevis på gyldigheden af bølgeteori om lys . Resultaterne af eksperimentet blev offentliggjort i 1803 .

Beskrivelse af erfaring

I eksperimentet rettes en stråle af monokromatisk lys ind på en uigennemsigtig skærm med to parallelle slidser (slots), bag hvilken en projektionsskærm er installeret. Bredden af spalterne forsøges at være så tæt som muligt på bølgelængden af det udsendte lys (virkningen af spalternes bredde på interferens er diskuteret nedenfor). Projektionslærredet producerer en række vekslende interferenskanter , som blev demonstreret af Thomas Young.

Hvis man antager, at lys er sammensat af partikler ( den korpuskulære teori om lys ), så kunne kun to parallelle bånd af lys, der passerer gennem spalterne, ses på en projektionsskærm. Mellem dem ville projektionsskærmen forblive praktisk talt uoplyst.

På den anden side, hvis lys antages at være udbredte bølger ( bølgeteori om lys ), så er hver spalte ifølge Huygens' princip en kilde til sekundære bølger .

De sekundære bølger vil nå punkter i lige stor afstand fra spalterne i samme fase , derfor vil deres amplituder på skærmens midterlinje tilføjes, hvilket vil skabe en maksimal lysstyrke . Det vil sige, at det vigtigste, lyseste maksimum vil være, hvor lysstyrken ifølge den korpuskulære teori skal være nul. Sidemaksima vil være placeret symmetrisk på begge sider på punkter, hvor forskellen i lysstrålernes vej er lig med et helt antal bølger.

På den anden side, på de punkter væk fra midterlinjen, hvor vejforskellen er lig med et ulige antal halvbølger, vil bølgerne være i modfase - deres amplituder kompenseres, hvilket vil skabe lysstyrkeminima (mørke bånd) .

Efterhånden som afstanden fra centerlinjen øges, ændres lysstyrken med jævne mellemrum, stigende til et maksimum og faldende igen.

Betingelser for interferens

Sammenhæng af en lyskilde

Interferens kan kun observeres for kohærente lyskilder, men det er næsten umuligt at skabe to forskellige sammenhængende kilder. Derfor er alle interferenseksperimenter baseret på skabelsen, ved hjælp af forskellige optiske systemer, af to eller flere sekundære kilder fra én primær, som vil være sammenhængende. I Youngs eksperiment er to spalter i skærmen sammenhængende kilder.

Indflydelse af spaltebredde

Et interferensmønster vises på skærmen, når bredden af spalterne nærmer sig bølgelængden af det udsendte monokromatiske lys. Hvis bredden af spalterne øges, vil belysningen af skærmen stige, men sværhedsgraden af interferensmønsterets minima og maksima vil falde, indtil den forsvinder helt.

Effekt af spalteafstand

Gentagelsesfrekvensen af interferenskanterne stiger i direkte forhold til afstanden mellem spalterne, mens bredden af diffraktionsmønsteret forbliver uændret og kun afhænger af spalternes bredde.

Et eksperiment med en punktlyskilde

Lad S være en punktlyskilde placeret foran en skærm med to parallelle spalter og , a være afstanden mellem spalterne, og D være afstanden mellem spalterne og projektionsskærmen. $S_{1}$ $S_{2}$

Punktet M på skærmen er karakteriseret ved én koordinat x - afstanden mellem M og den ortogonale projektion S på skærmen.

Lad to stråler fra og falde samtidigt ind i M. Forudsat at eksperimentet udføres i et homogent medium, erstatter vi den optiske vejforskel med en geometrisk: $S_{1}$ $S_{2}$

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

hvor er den geometriske vejforskel. $\delta$

Fra rette trekanter:

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

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

Derefter:

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

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

Yderligere

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

For at beskrive interferensmønsteret er kun den absolutte værdi af vejforskellen vigtig, så minustegnet kan udelades.

Hvis a << D og x << D , så og $S_{1}M+S_{2}M\approx 2D$

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

hvor er den vinkel, hvor det givne punkt "ses" fra spalterne. $\phi$

Lyse kanter - interferensmaksima - vises, når vejforskellen er lig med et heltal af bølgelængder , hvor er et heltal. $\delta =p\lambda$ $s$

Mørke striber - minima - med en vejforskel svarende til et ulige antal halvbølger: $\delta ={\frac {2p+1}{2}}\lambda .$

Belysning - E ved punkt M er relateret til forskellen i den optiske længde af stierne ved følgende forhold:

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

hvor:

$E_{0}$ belysning skabt af den første eller anden spalte;
$\lambda$ er bølgelængden af det lys, der udsendes af kilderne og . $S_{1}$ $S_{2}$

Belysningen skifter således med jævne mellemrum fra nul til , hvilket indikerer interferens af lys . Interferensmønsteret er symmetrisk i forhold til det maksimum, som kaldes "hoved" eller "centralt". $4E_{0}$ $x=0(p=0;\phi =0)$

Ved brug af ikke-monokromatisk lys forskydes maksima og minima for forskellige bølgelængder i forhold til hinanden, og spektralbånd observeres.

Interferens og kvanteteori

Hver begivenhed , såsom passage af lys fra en kilde S til et punkt M på skærmen gennem et hul , kan repræsenteres som en vektor $S_{1}$ ${\vec {V}}_{1}.$

For at kende sandsynligheden for, at lys når fra kilde S til punkt M, skal man tage højde for alle mulige lysveje fra punkt S til punkt M. I kvantemekanikken er dette princip fundamentalt. For at opnå sandsynligheden P for, at lys vil bevæge sig fra punkt S til punkt M, bruges følgende kvantemekaniske aksiom :

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

hvor:

$\phi _{1}$ - nå punktet M, i én fase , derefter vektorerne og er identiske. Summen af disse to vektorer er ikke nul. Derfor er sandsynligheden for, at punkt M vil blive belyst, ikke lig med nul. I dette tilfælde er denne sandsynlighed maksimal. ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

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

Hvis to bølger fra og når punktet M i modfase , så har vektorerne og forskellige retninger. Summen af disse to vektorer er nul. Derfor er sandsynligheden for, at punkt M lyser, nul. $S_{1}$ $S_{2}$ ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

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

At ændre fasen er som roterende vektorer. Summen af de to vektorer varierer fra nul til et maksimum . $2V_{1}$

Demonstration

Youngs ordning er ikke blandt de hurtige, og derfor er det svært at demonstrere det.

Med lys

Youngs forsøg med to spalter er ikke let at gentage uden for laboratoriet, da det ikke er nemt at lave en passende spaltebredde. Imidlertid kan oplevelsen af interferens fra to små huller med succes reproduceres med de enkleste midler, essensen af de fysiske fænomener, der forekommer i dette tilfælde, ændres ikke.

Forsøgets opsætning er som følger: I folien fra en chokoladebar skal der laves to ekstremt tynde huller så tæt på hinanden som muligt med den tyndeste sy- (gerne perle) nål. Du skal ikke føre nålen igennem, du skal bare prikke huller med selve spidsen. Dernæst, i et godt mørklagt rum, belys punkteringsstedet med en kraftig lyskilde. Det er praktisk at bruge en laserpointer, da lyset er monokromatisk. På en skærm placeret 0,5-1 meter er det muligt at observere diffraktionsmønsteret og interferenskanterne.

Med mekaniske bølger

Jungs erfaring er godt demonstreret for et stort publikum i projektionen på lærredet fra bølgebadet, som er en del af udstyret i de fysiske lokaler. Det er yderst nyttigt at belyse badekarret med et blitzlys .