شکاف های جوان - شواهدی که نور مانند یک موج رفتار می کند

ماهیت نور قرن ها مورد بحث قرار گرفته بود.

در سال 1803 ، نظریه بدنی به طور گسترده ای به عنوان صحیح برگزار شد اما یک فیزیکدان انگلیسی به نام توماس یانگ تداخل نور را نشان داد. حالا این نمی تواند توسط ذرات توضیح داده شود!

جوان استدلال می کرد که اگر نور از امواج ساخته شده باشد ، نوعی تعامل با دو موج نوری روبرو می شود. نور پراکنده از طریق شکاف شکاف او امواج منسجم تولید کرد. این "امواج در مرحله" سپس به یک شکاف مضاعف هدایت می شدند - به طور مؤثر دو منبع نور منسجم را تولید می کردند. پس از پراکنده شدن ، نوری که با تداخل نوترکیب می شود ، تداخل سازنده و مخرب مجموعه ای از حاشیه های روشن و تاریک را در طول یک صفحه نمایش تولید می کند.

نتیجه گیری های یانگ در آن زمان به طور گسترده ای پذیرفته نشده بود ، در درجه اول به دلیل اعتقاد قریب به اتفاق به نظریه ذرات. علاوه بر مشاهدات خود در مورد تداخل نور ، جوان فرض کرد که نور رنگهای مختلف از امواج با طول های مختلف تشکیل شده است ، یک مفهوم اساسی که امروزه به طور گسترده ای پذیرفته شده است. یا توده های مختلف یا مسافرت با سرعت های مختلف) ..

یک آزمایش ساده برای مشاهده حاشیه های جوان

برای مشاهده تداخل نور ، ما به یک منبع منسجم نیاز داریم.

اگر دو قطعه موازی از نزدیک فاصله (دو قطعه) را با استفاده از یک منبع نور مناسب روشن کنیم ، دو شکاف به عنوان دو منبع منسجم از امواج نوری عمل می کنند ، به این معنی که شکاف ها امواج نوری را با اختلاف فاز ثابت و همان فرکانس ساطع می کنند.

در روز یانگ او آزمایش را با استفاده از شعله شمع انجام داد!

منبع نور - باید منسجم باشد

امروزه به دلایل ایمنی می توانیم به جای شمع از لامپ استفاده کنیم! اما برای به دست آوردن نور تک رنگ از آن ، باید از فیلتر مانند جوان استفاده کنیم و فیلترها مقدار زیادی از انرژی نور را جذب می کنند. بهتر است فقط یک منبع نور تک رنگ داشته باشیم.

یک لامپ سدیم نور زرد از دو طول موج را که بسیار نزدیک به یکدیگر هستند - تقریباً تک رنگ - به طور موقت منسجم می دهد. فیلتر لازم نیست(هرچند که یک شکاف واحد هنوز هم مورد نیاز است ، تا دو منبع منسجم از منبع تک رنگ تهیه شود.

یا می توانیم از لیزر استفاده کنیم - که کاملاً منسجم است - در صورتی که دیافراگم لیزر به اندازه کافی کوچک باشد ، هیچ فیلتر و هیچ شکافی لازم نیست.

یک شکاف منفرد - برای همه منابع نوری غیر از لیزر مورد نیاز است

هدف از شکاف منفرد این است که منبع امواجی که به آرایش شکاف دوگانه برخورد می کنند تا حد امکان منسجم باشد. امواج از یک منبع نقطه ای منفرد از نظر فضایی منسجم خواهند بود، بنابراین شکاف منفرد یک منبع نقطه ای را در آرایش ایجاد می کند. سپس هر دو شکاف توسط امواج از این منبع تک نقطه ای برخورد می کنند.

اگر شکاف تک بیش از حد پهن باشد، حاشیه های تیره الگوی شکاف دوتایی باریک تر از حاشیه های روشن می شوند و کنتراست بین حاشیه های تیره و روشن از بین می رود. بنابراین باید هدفتان این باشد که شکاف به اندازه کافی باریک باشد تا شکاف هایی با فاصله یکسان ایجاد شود اما نه آنقدر باریک که شدت کلی خیلی کم باشد.

شکاف های دوتایی - برای تولید طرح حاشیه های یانگ

در چیدمان فوق، شکاف منفرد انسجام فضایی نور از منبع را بهبود می بخشد - در حال حاضر با تک رنگ بودن در انسجام زمانی بهبود یافته است. شدت نور مجاز برای انجام این آزمایش در اتاقی با نور کافی بسیار کم است. شما باید پرده ها را پایین بیاورید و مدت زمانی که می توانید "D" بسازید محدود کنید.

استفاده از لیزر به این معنی است که می توانید به طور کلی از شکاف منفرد صرف نظر کنید و منبع منسجم روشن تری داشته باشید و می توانید "D" را واقعا طولانی کنید.

در نتیجه این آزمایش، حاشیه های روشن و تیره متناوب، که به آن حاشیه های یانگ گفته می شود، روی صفحه سفیدی که در جایی که نور پراکنده از شکاف های دوتایی همپوشانی دارد و یک الگوی تداخلی ایجاد می کند، دیده می شود.

حاشیه ها به طور مساوی و موازی با شکاف های دوتایی قرار گرفته اند.

در آزمایش های عملی ما فقط از حاشیه هایی استفاده می کنیم که در حداکثر مرکزی پاکت تک شکاف قرار دارند. شدت حاشیه ها در مرکز این نوار عملا یکنواخت است.

حاشیه ها به دلیل تداخل نور از دو شکاف ایجاد می شوند:

در جایی که یک حاشیه روشن تشکیل می شود، نور یک شکاف نور شکاف دیگر را تقویت می کند. به عبارت دیگر، امواج نور از هر شکاف به صورت فاز به یکدیگر می رسند.

در جایی که یک حاشیه تیره تشکیل می شود، نور یک شکاف نور شکاف دیگر را خنثی می کند. به عبارت دیگر، امواج نور از دو شکاف 180 درجه خارج از فاز می رسند.

هنگامی که این آزمایش را انجام می دهید، در حین حرکت از مرکز، متوجه کمی تیرگی در حاشیه ها خواهید شد.

این به این دلیل است که نوارهای روشن تاریک معمولی بر روی الگوی نور از شکاف منفرد قرار می گیرند. الگوی شدتی که مشاهده می کنید ترکیبی از الگوی پراش تک شکاف و الگوی تداخل شکاف دوگانه است.

دامنه الگوی پراش برای تعدیل الگوی تداخل گفته می شود. الگوی پراش برای یک شکاف واحد مانند یک صفحه نمایش برای الگوی تداخل عمل می کند. عکس در بالای این بخش در بالا از حداکثر منطقه مرکزی یک صفحه نمایش گرفته شده است - این منطقه است که شما باید از آن استفاده کنید تا از آن استفاده کنید.

جدایی حاشیه

فاصله از مرکز یک حاشیه روشن تا مرکز حاشیه روشن بعدی ، جداسازی حاشیه "W" نامیده می شود. این بستگی به فاصله شکاف و فاصله "D" از شکاف به صفحه دارد.

از معادله می توانیم ببینیم که حاشیه ها به طور گسترده تر از فاصله می گیرند:

the distance D from the slits to the screen is increased,

the wavelength X of the light used is increased,

the slit spacing, s, is reduced.

نظریه معادله Double Slits

دو شکاف را در نظر بگیرید₁و s₂

در یک نقطه P روی صفحه که حاشیه ها مشاهده می شوند ، نور از S ساطع می شود_lدیرتر از نور از S می رسد₂در همان زمان منتشر شد. این به این دلیل است که فاصله S₁P از فاصله S بیشتر است₂P.

تفاوت بین مسافت ها₁P و S₂P به عنوان تفاوت مسیر گفته می شود.

برای تقویت در P ، تفاوت مسیر S₁P - S₂p = m λ ، جایی که m = 0 ، 1 ، 2 و غیره. بنابراین ، نور به طور همزمان از s ساطع می شود₁و s₂اگر تقویت در P رخ دهد ، در مرحله p وارد می شود.

برای لغو در P ، تفاوت مسیر S₁P - S₂p = (m + ½) λ ، جایی که m = 0 ، 1 ، 2 و غیره. بنابراین ، نور به طور همزمان از s ساطع می شود₁و s₂در صورت وقوع فسخ در P ، 180 درجه به P از فاز می رسد.

یک نقطه Q در امتداد خط S₁p به گونه ای مشخص شده است که qp = s₂ص. بنابراین تفاوت مسیر S₁P - S₂p با فاصله s نشان داده شده است₁Q.

مثلث ها را در نظر بگیرید₁S₂Q و MOP ، جایی که M نقطه میانی بین دو شکاف است و O نقطه میانی حاشیه مرکزی روشن الگوی است. این دو مثلث از نظر شکل تقریباً شبیه به شکل هستند.₁S₂Q و PMO برابر هستند و طرف های طولانی هر مثلث از طول تقریباً برابر است.

از این رو

اگر P حاشیه روشن از مرکز است (جایی که m = 0 ، 1 ، 2 و غیره) ، سپس s₁q = mx و op = mw ، جایی که w فاصله بین مراکز حاشیه های روشن مجاور است. همچنین ، OM = فاصله D و S₁S₂= فاصله شکاف s.

از این رو،

می توانید M را لغو کنید و سپس دریافت کنید:

با اندازه گیری فاصله شکاف ، S ، جداسازی حاشیه ، W و فاصله صفحه شکاف D ، طول موج λ از نور مورد استفاده را می توان محاسبه کرد.

فرمول فقط درصورتی معتبر است که جداسازی حاشیه ، w ، بسیار کمتر از فاصله d از شکاف به صفحه باشد.

این شرایط برای اطمینان از مثلث ها است₁S₂Q و MOP از نظر شکل تقریباً مشابه هستند.

بیا دنبالم.

سایبر فیزیک - یک کمک آموزشی مبتنی بر وب - برای دانش آموزان فیزیک ، معلمان و والدین آنها.