Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 принятии волновой теории света . [1] По мнению Янга, это было самым важным из его многочисленных достижений.

Теории распространения света в 17-18 веках [ править ]

В этот период многие ученые предложили волновую теорию света, основанную на экспериментальных наблюдениях, в том числе Роберт Гук , Христиан Гюйгенс и Леонард Эйлер . [2] Однако Исаак Ньютон , который провел множество экспериментальных исследований света, отверг волновую теорию света и разработал корпускулярную теорию света, согласно которой свет излучается светящимся телом в виде крошечных частиц. [3] Эта теория господствовала до начала девятнадцатого века, несмотря на то, что многие явления, включая дифракциюэффекты на краях или в узких отверстиях, цвета в тонких пленках и крыльях насекомых, а также очевидная неспособность легких частиц врезаться друг в друга при пересечении двух световых лучей не могли быть адекватно объяснены корпускулярной теорией, которая, тем не менее, имела много выдающихся сторонников, включая Пьера-Симона Лапласа и Жан-Батиста Био .

Работа Янга по теории волн [ править ]

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 [4], а в 1800 году он представил в Королевское общество документ (написанный в 1799 году), в котором утверждал, что свет также является волной. движение. 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, в манере, достаточно точной или всеобъемлющей, 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. [5]

Набросок интерференции Томаса Янга, основанный на наблюдениях за водными волнами [6]

В 1801 году Янг представил Королевскому обществу знаменитую работу под названием «Теория света и цвета» [7], в которой описаны различные явления интерференции. В 1803 году он описал свой знаменитый интерференционный эксперимент. [8] В отличие от современного эксперимента с двумя щелями, эксперимент Юнга отражает солнечный свет (с помощью поворотного зеркала) через небольшое отверстие и разделяет тонкий луч пополам с помощью бумажной карты. [6] [8] [9] 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 попадают на поверхность, расположенную так, чтобы перехватывать их, их свет разделяется темными полосами на почти равные части,но становится шире по мере того, как поверхность удаляется от отверстий, так что угол между отверстиями почти одинаков 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.и шире также в той же пропорции, насколько 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.и шире также в той же пропорции, насколько 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.на 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 два с половиной, или больше.на 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 два с половиной, или больше.

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. соединяться вместе,чтобы получить прекрасное разнообразие оттенков, постепенно переходящих друг в друга. Центральная белизна сначала меняется на желтоватую, а затем на желтовато-коричневую, 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 отдельно.которые вместе кажутся, если смотреть на расстоянии, как темная полоса; 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 отдельно.которые вместе кажутся, если смотреть на расстоянии, как темная полоса; 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 отдельно.[5]

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 происходить в разных местах. Обычно можно наблюдать только две или 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 настолько подорвать доверие читающей публики, что издатель, взявший на себя обязательство публиковать лекции Королевского института Янга, отказался от сделки. Этот инцидент побудил Янга больше сосредоточиться на своей медицинской практике, а не на физике. [10]

Принятие волновой теории света [ править ]

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. [4] Огюстен-Жан Френель представил диссертацию, основанную на теории волн, суть которой состояла из синтеза принципа Гюйгенса и принципа интерференции Юнга . [2]

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 осевое яркое пятно , где должна быть полная темнота, согласно Теория частиц света. Пуассон заявил, что теория Френеля не может быть верной: этот результат определенно абсурден. ( Пятно ПуассонаЭто нелегко наблюдать в повседневных ситуациях, потому что большинство повседневных источников света не являются хорошими точечными источниками. Фактически, это хорошо видно на расфокусированном телескопическом изображении умеренно яркой звезды, где оно выглядит как яркое центральное пятно в концентрическом массиве 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. [11] 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 Джозеф-Николас Делисль [1] [11] и Джакомо Ф. Маральди [12] столетием раньше.

См. Также [ править ]

  • Корпускулярная теория света
  • Фотоэлектрический эффект
  • Дуальность волна-частица

Ссылки [ править ]

Сноски

Цитаты

  1. ^ a b Небеса, ОС; Дитчберн, RW (1991). Взгляд в оптику . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-92769-3.
  2. ^ а б Борн, М .; Вольф, Э. (1999). Основы оптики . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-64222-4.
  3. ^ «Магия без лжи». Космос: возможные миры . Эпизод 9. 6 апреля 2020 года. National Geographic.
  4. ^ a b Мейсон, П. (1981). Свет фантастический . Книги пингвинов . ISBN 978-0-14-006129-1.
  5. ^ a b Янг, Т. (1807). Курс лекций по натурфилософии и механическому искусству . Vol. 1. Уильям Сэвидж . Лекция 39, стр. 463–464. DOI : 10.5962 / bhl.title.22458 . |volume= has extra text (help)
  6. ^ a b Ротман, Т. (2003). Все относительное и другие басни в науке и технике . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-20257-8.
  7. ^ Янг, Т. (1802). «Бейкерская лекция: по теории света и цвета» . Философские труды Лондонского королевского общества . 92 : 12–48. DOI : 10.1098 / rstl.1802.0004 . JSTOR 107113 . 
  8. ^ a b "Эксперимент Томаса Янга" . www.cavendishscience.org . Проверено 23 июля 2017 .
  9. ^ Veritasium (2013-02-19) Эксперимент Оригинальное двойной щелевой , извлекаться 2017-07-23
  10. ^ Робинсон, Эндрю (2006). Последний человек, который все знал . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Pi Press. С.  115–120 . ISBN 0-13-134304-1.
  11. ^ а б Френель, AJ (1868). Oeuvres Complete d'Augustin Fresnel: Теория де ла Люмьер . Imprimerie imériale . п. 369.
  12. ^ Maraldi, GF (1723). Diverses d'optique . Mémoires de l'Académie Royale des Sciences . Imprimerie imériale . п. 111.