Интерференционный эксперимент Юнга - Young's interference experiment

Интерференционный эксперимент Юнга , также называемый двухщелевым интерферометром Юнга , был оригинальной версией современного эксперимента с двумя щелями , проведенного в начале девятнадцатого века Томасом Янгом . Этот эксперимент сыграл важную роль в общем принятии волновой теории света . По собственному мнению Янга, это было самым важным из его многочисленных достижений.

Теории распространения света в 17-18 вв.

В этот период многие ученые предложили волновую теорию света, основанную на экспериментальных наблюдениях, в том числе Роберт Гук , Христиан Гюйгенс и Леонард Эйлер . Однако Исаак Ньютон , который провел много экспериментальных исследований света, отверг волновую теорию света и разработал корпускулярную теорию света, согласно которой свет излучается светящимся телом в виде крошечных частиц. Эта теория господствовала до начала девятнадцатого века, несмотря на то, что многие явления, в том числе эффекты дифракции на краях или в узких отверстиях, цвета в тонких пленках и крыльях насекомых, а также очевидная неспособность легких частиц сталкиваться друг с другом, когда две пересекающиеся световые лучи не могли быть адекватно объяснены корпускулярной теорией, у которой, тем не менее, было много выдающихся сторонников, включая Пьера-Симона Лапласа и Жан-Батиста Био .

Работа Юнга по теории волн

Из книги, опубликованной в 1807 году, в которой рассказывается о лекциях, прочитанных Янгом в 1802 году Лондонскому Королевскому институту.

Изучая медицину в Геттингене в 1790-х годах, Янг написал диссертацию о физических и математических свойствах звука, а в 1800 году представил в Королевское общество документ (написанный в 1799 году), в котором утверждал, что свет также является волновым движением. Его идея была встречена с определенной долей скептицизма, поскольку она противоречила корпускулярной теории Ньютона. Тем не менее, он продолжал развивать свои идеи. Он считал, что волновая модель может намного лучше объяснить многие аспекты распространения света, чем корпускулярная модель:

Очень обширный класс явлений еще более прямо приводит нас к такому же выводу; они состоят в основном из создания цветов с помощью прозрачных пластин, а также путем дифракции или перегиба, ни одно из которых не было объяснено на основе предположения об эманации, достаточно подробным или всеобъемлющим образом, чтобы удовлетворить самых искренних даже сторонников метательная система; в то время как, с другой стороны, все они могут быть сразу поняты, исходя из эффекта интерференции двойных огней, способом, почти аналогичным тому, который в звуке составляет ощущение удара, когда две струны, образующие несовершенный унисон, соединяются. слышно, как вибрируют вместе.

Набросок интерференции Томаса Янга на основе наблюдений за волнами на воде

В 1801 году Янг представил Королевскому обществу знаменитую работу под названием «Теория света и цвета», в которой описаны различные явления интерференции. В 1803 году он описал свой знаменитый интерференционный эксперимент. В отличие от современного эксперимента с двойной щелью, эксперимент Юнга отражает солнечный свет (с помощью поворотного зеркала) через небольшое отверстие и разделяет тонкий луч пополам с помощью бумажной карты. Он также упоминает возможность прохождения света через две щели в своем описании эксперимента:

Современная иллюстрация эксперимента с двумя щелями

Допуская, что свет любого данного цвета состоит из волн заданной ширины или заданной частоты, следует, что эти волны должны быть подвержены тем эффектам, которые мы уже исследовали в случае волн воды и пульсаций воды. звук. Было показано, что две равные серии волн, исходящие из центров, расположенных рядом друг с другом, могут уничтожать эффекты друг друга в определенных точках, а в других точках - удваивать их; и биение двух звуков объясняется подобным вмешательством. Теперь мы должны применить те же принципы к альтернативному объединению и исчезновению цветов.

Для того, чтобы таким образом можно было объединить эффекты двух частей света, необходимо, чтобы они происходили из одного источника и чтобы они приходили в одну и ту же точку разными путями, в направлениях, не сильно отклоняющихся друг от друга. Это отклонение может быть вызвано в одной или обеих частях дифракцией, отражением, преломлением или любым из этих эффектов вместе; но в простейшем случае, как представляется, луч однородного света падает на экран, в котором есть два очень маленьких отверстия или щели, которые можно рассматривать как центры расхождения, откуда свет рассеивается во всех направлениях. В этом случае, когда два вновь сформированных луча принимаются на поверхность, расположенную так, чтобы перехватывать их, их свет разделяется темными полосами на части, почти равные, но становящиеся шире по мере удаления поверхности от отверстий, чтобы выходят очень почти равные углы из отверстий на всех расстояниях, а также шире в той же пропорции, в которой отверстия расположены ближе друг к другу. Середина двух частей всегда светлая, а яркие полосы с каждой стороны находятся на таком расстоянии, что свет, приходящий к ним из одного из отверстий, должен проходить через более длинное пространство, чем тот, который исходит из другого отверстия. интервал, равный ширине одной, двух, трех или более предполагаемых волн, в то время как промежуточные темные пространства соответствуют разнице в половину предполагаемой волнистости, в полторы, в две с половиной или более.

Из сравнения различных экспериментов следует, что ширина волн, составляющих крайний красный свет, в воздухе должна составлять примерно одну 36 тысячную дюйма, а у крайнего фиолетового - примерно одну 60 тысячную; среднее значение всего спектра относительно интенсивности света составляет примерно одну 45 тысячную. Из этих измерений следует, рассчитывая на известную скорость света, что почти 500 миллионов миллионов самых медленных из таких волн должны войти в глаз за одну секунду. Комбинация двух частей белого или смешанного света при просмотре с большого расстояния показывает несколько белых и черных полос, соответствующих этому интервалу: хотя при более близком рассмотрении проявляются отчетливые эффекты бесконечного количества полос разной ширины. смешиваться вместе, чтобы получить прекрасное разнообразие оттенков, постепенно переходящих друг в друга. Центральная белизна сначала изменяется на желтоватую, а затем на желтоватую, затем на малиновую, фиолетовую и синюю, которые вместе при взгляде на расстоянии кажутся темной полосой; после этого появляется зеленый свет, а темное пространство за ним имеет малиновый оттенок; все последующие огни более или менее зеленые, темные пространства - пурпурные и красноватые; и красный свет, кажется, настолько преобладает во всех этих эффектах, что красные или пурпурные полосы занимают почти одно и то же место в смешанных полосах, как если бы их свет принимался по отдельности.

Геометрия полос в дальней зоне

На рисунке показана геометрия плоскости обзора в дальней зоне . Видно, что относительные пути света, проходящего от двух точечных источников до данной точки в плоскости наблюдения, изменяются в зависимости от угла θ, так что их относительные фазы также меняются. Когда разность хода равна целому числу длин волн, две волны складываются вместе, чтобы получить максимум яркости, тогда как, когда разность хода равна половине длины волны или полутора и т. Д., Тогда две волны отменить, а интенсивность на минимуме.

Линейное расстояние (расстояние) между полосами (линиями с максимальной яркостью) на экране определяется уравнением:

где - расстояние между щелью и экраном, - длина волны света и - расстояние между щелями, как показано на рисунке.

Угловое расстояние между полосами, θ е ,   затем задается

где θ f << 1, а λ - длина волны света. Можно видеть, что расстояние между полосами зависит от длины волны, расстояния между отверстиями и расстояния между щелями и плоскостью наблюдения, как отметил Янг.

Это выражение применяется, когда источник света имеет одну длину волны, тогда как Янг использовал солнечный свет и, следовательно, смотрел на полосы белого света, которые он описывает выше. Узор белой светлой бахромы можно рассматривать как состоящий из набора отдельных узоров бахромы разного цвета. Все они имеют максимальное значение в центре, но их интервал зависит от длины волны, а наложенные узоры будут различаться по цвету, поскольку их максимумы будут находиться в разных местах. Обычно можно наблюдать только две-три полосы. Янг использовал эту формулу, чтобы оценить длину волны фиолетового света, равную 400 нм, а длину волны красного света примерно вдвое больше - результаты, с которыми мы согласились бы сегодня.

В 1803–1804 годах в « Эдинбургском обозрении» появилась серия неподписанных нападок на теории Юнга . Анонимному автору (позже выяснилось, что это Генри Брум, основатель Edinburgh Review ) удалось подорвать доверие читающей публики к Янгу настолько, что издатель, обязавшийся публиковать лекции Королевского института Янга, отказался от сделки. Этот инцидент побудил Янга больше сосредоточиться на своей медицинской практике, а не на физике.

Принятие волновой теории света

В 1817 году корпускулярные теоретики Французской академии наук, в которую входил Симеон Дени Пуассон, были настолько уверены, что в следующем году они назвали премию дифракцией, будучи уверенными, что ее выиграет теоретик элементарных частиц. Огюстен-Жан Френель представил диссертацию, основанную на теории волн, суть которой состояла из синтеза принципа Гюйгенса и принципа интерференции Юнга .

Пуассон подробно изучил теорию Френеля и, конечно, искал способ доказать ее неправоту, будучи сторонником теории частиц света. Пуассон подумал, что он обнаружил изъян, когда он утверждал, что следствием теории Френеля является то, что в тени кругового препятствия, блокирующего точечный источник света, должно существовать яркое пятно на оси , где должна быть полная темнота в соответствии с Теория частиц света. Пуассон заявил, что теория Френеля не может быть верной: несомненно, этот результат абсурден. ( Пятно Пуассона нелегко наблюдать в повседневных ситуациях, потому что большинство обычных источников света не являются хорошими точечными источниками. Фактически, оно хорошо видно на расфокусированном телескопическом изображении умеренно яркой звезды, где оно выглядит как яркое центральное пятно внутри концентрический массив дифракционных колец.)

Однако глава комитета Доминик-Франсуа-Жан Араго счел необходимым провести эксперимент более подробно. Он прилепил металлический диск диаметром 2 мм к стеклянной пластине с помощью воска. К всеобщему удивлению, ему удалось наблюдать предсказанное пятно, что убедило большинство ученых в волновой природе света. В конце концов, конкурс выиграл Френель.

После этого корпускулярная теория света была побеждена, и о ней больше никто не слышал до 20 века. Позже Араго заметил, что это явление (которое иногда называют пятном Араго ) уже наблюдали Жозеф-Николас Делисль и Джакомо Ф. Маральди столетием ранее.

Смотрите также

Рекомендации

Сноски

Цитаты