Youngs erfarenhet

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 14 augusti 2021; kontroller kräver 4 redigeringar .

Youngs experiment ( dubbelslitsexperiment , även känd som Youngs dubbelslitsinterferometer ) är den första versionen av dubbelslitsexperimentet , utfört av Thomas Young , som visar interferens och diffraktion av ljus, vilket är bevis på giltigheten av vågteori om ljus . Resultaten av experimentet publicerades 1803 .

Beskrivning av erfarenhet

I experimentet riktas en stråle av monokromatiskt ljus mot en ogenomskinlig duk med två parallella slitsar (slitsar), bakom vilka en projektionsduk är installerad. Slitsarnas bredd försöker vara så nära våglängden för det emitterade ljuset som möjligt (effekten av slitsarnas bredd på interferens diskuteras nedan). Projektionsduken producerar en serie alternerande interferensfransar , vilket demonstrerades av Thomas Young.

Om man antar att ljus är sammansatt av partiklar ( corpuscular theory of light ), så kunde endast två parallella ljusband som passerar genom slitsarna ses på en projektionsduk. Mellan dem skulle projektionsduken förbli praktiskt taget obelyst.

Å andra sidan, om ljus antas vara fortplantande vågor ( vågteori om ljus ), så är enligt Huygens princip varje slits en källa till sekundära vågor .

De sekundära vågorna kommer att nå punkter på lika avstånd från slitsarna i samma fas , därför kommer deras amplituder att läggas ihop på skärmens mittlinje, vilket kommer att skapa en maximal ljusstyrka . Det vill säga det huvudsakliga, ljusaste maximumet kommer att vara där, enligt den korpuskulära teorin, ljusstyrkan ska vara noll. Sidomaxima kommer att placeras symmetriskt på båda sidor vid punkter där skillnaden i ljusstrålarnas väg är lika med ett heltal av vågor.

Å andra sidan, vid de punkter bort från mittlinjen, där vägskillnaden är lika med ett udda antal halvvågor, kommer vågorna att vara i motfas - deras amplituder kompenseras, vilket kommer att skapa ljusstyrka minima (mörka band) .

Allteftersom avståndet från mittlinjen ökar ändras ljusstyrkan med jämna mellanrum, ökar till ett maximum och minskar igen.

Villkor för störningar

Koherens av en ljuskälla

Interferens kan bara observeras för koherenta ljuskällor, men det är nästan omöjligt att skapa två olika koherenta källor. Därför är alla interferensexperiment baserade på skapandet, med hjälp av olika optiska system, av två eller flera sekundära källor från en primär, som kommer att vara sammanhängande. I Youngs experiment är två slitsar i skärmen sammanhängande källor.

Inverkan av lucka bredd

Ett interferensmönster visas på skärmen när slitsarnas bredd närmar sig våglängden för det emitterade monokromatiska ljuset. Om bredden på slitsarna ökas kommer skärmens belysning att öka, men svårighetsgraden av minima och maxima för interferensmönstret kommer att minska tills den försvinner helt.

Effekt av platsavstånd

Upprepningsfrekvensen för interferensfransarna ökar i direkt proportion till avståndet mellan slitsarna, medan bredden på diffraktionsmönstret förblir oförändrad och endast beror på slitsarnas bredd.

Ett experiment med en punktljuskälla

Låt S vara en punktljuskälla placerad framför en skärm med två parallella slitsar och , a vara avståndet mellan slitsarna, och D vara avståndet mellan slitsarna och projektionsduken. $S_{1}$ $S_{2}$

Punkten M på duken kännetecknas av en koordinat x - avståndet mellan M och den ortogonala projektionen S på duken.

Låt två strålar från och falla samtidigt in i M. Om vi antar att experimentet utförs i ett homogent medium, ersätter vi den optiska vägskillnaden med en geometrisk: $S_{1}$ $S_{2}$

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

var är den geometriska vägskillnaden. $\delta$

Från räta trianglar:

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

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

Sedan:

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

och

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

Ytterligare

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

För att beskriva interferensmönstret är endast det absoluta värdet på vägskillnaden viktigt, så minustecknet kan utelämnas.

Om a << D och x << D , då och $S_{1}M+S_{2}M\approx 2D$

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

var är vinkeln med vilken den givna punkten "ses" från slitsarna. $\phi$

Ljusa fransar - interferensmaxima - visas när vägskillnaden är lika med ett heltal av våglängder , där är ett heltal. $\delta =p\lambda$ $sid$

Mörka ränder - minima - med en vägskillnad lika med ett udda antal halvvågor: $\delta ={\frac {2p+1}{2}}\lambda .$

Belysning - E vid punkt M är relaterad till skillnaden i den optiska längden av banorna genom följande förhållande:

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

var:

$E_{0}$ belysning skapad av den första eller andra slitsen;
$\lambda$ är våglängden för ljuset som sänds ut av källorna och . $S_{1}$ $S_{2}$

Belysningen ändras alltså periodvis från noll till , vilket indikerar ljusstörning . Interferensmönstret är symmetriskt med avseende på det maximala med vilket kallas "huvud" eller "central". $4E_{0}$ $x=0(p=0;\phi =0)$

Vid användning av icke-monokromatiskt ljus förskjuts maxima och minima för olika våglängder i förhållande till varandra, och spektralband observeras.

Interferens och kvantteori

Varje händelse , såsom ljusets passage från en källa S till en punkt M på skärmen genom ett hål , kan representeras som en vektor $S_{1}$ ${\vec {V}}_{1}.$

För att veta sannolikheten att ljus kommer att nå från källa S till punkt M måste man ta hänsyn till alla möjliga ljusvägar från punkt S till punkt M. Inom kvantmekaniken är denna princip grundläggande. För att erhålla sannolikheten P att ljus kommer att färdas från punkt S till punkt M, används följande axiom för kvantmekaniken:

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

var:

$\phi _{1}$ - nå punkten M, i en fas , sedan vektorerna och är identiska. Summan av dessa två vektorer är inte noll. Därför är sannolikheten att punkt M kommer att lysa upp inte lika med noll. I det här fallet är denna sannolikhet maximal. ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

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

Om två vågor från och når punkten M i motfas , då har vektorerna och olika riktningar. Summan av dessa två vektorer är noll. Därför är sannolikheten för att punkt M kommer att lysa upp noll. $S_{1}$ $S_{2}$ ${\vec {V}}_{1}$ ${\vec {V}}_{2}$

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

Att ändra fasen är som att rotera vektorer. Summan av de två vektorerna varierar från noll till ett maximum . $2V_{1}$

Demonstration

Youngs upplägg är inte bland de snabba, och därför är det svårt att visa det.

Med ljus

Youngs experiment med två slitsar är inte lätt att upprepa utanför laboratoriet, eftersom det inte är lätt att göra en passande spaltbredd. Emellertid kan upplevelsen av interferens från två små hål framgångsrikt reproduceras på de enklaste sätten, essensen av de fysiska fenomen som uppstår i detta fall förändras inte.

Upplägget för experimentet är som följer: i folien från en chokladkaka ska två extremt tunna hål göras så nära varandra som möjligt med den tunnaste synålen (helst pärlstav). Du ska inte föra igenom nålen, du behöver bara sticka hål med själva spetsen. Därefter, i ett väl mörkt rum, belys punkteringsplatsen med en kraftfull ljuskälla. Det är bekvämt att använda en laserpekare, eftersom ljuset är monokromatiskt. På en skärm belägen 0,5-1 meter är det möjligt att observera diffraktionsmönstret och interferensfransar.

Med mekaniska vågor

Jungs erfarenhet demonstreras väl för en stor publik i projektionen på duken från vågbadet, som är en del av de fysiska rummens utrustning. Det är extremt användbart att belysa badkaret med blixtljus .

Se även

Länkar

Jungs erfarenhet (Java-applet)
Interferens - Jungs erfarenhet arkiverad 13 november 2016 på Wayback Machine (Java-applet)