Интерференционный эксперимент Янга

Интерференционный эксперимент Янга , также называемый двухщелевым интерферометром Янга , был оригинальной версией современного двухщелевого эксперимента , выполненного в начале девятнадцатого века Томасом Янгом . Этот эксперимент сыграл важную роль в общем принятии волновой теории света . ^{[ 1 ]} По мнению самого Янга, это было самое важное из его многочисленных достижений.

Теории распространения света в 17-18 веках.

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 , проведший множество экспериментальных исследований света, отверг волновую теорию света и разработал корпускулярную теорию света, согласно которой свет излучается светящимся телом в виде мельчайших частиц. ^{[ 3 ]} 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 кажущаяся неспособность легких частиц столкнуться друг с другом, когда два Пересекающиеся световые лучи не могли быть адекватно объяснены корпускулярной теорией, которая, тем не менее, имела многих выдающихся сторонников, в том числе Пьера-Симона Лапласа и Жана-Батиста Био .

Работа Янга по волновой теории

Изучая медицину в Геттингене в 1790-х годах, Янг написал диссертацию о физических и математических свойствах звука. ^{[ 4 ]} доклад а в 1800 году он представил Королевскому обществу (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 гораздо лучше объяснить многие аспекты распространения света, чем корпускулярная модель:

Очень обширный класс явлений еще более непосредственно приводит нас к тому же заключению; они состоят главным образом из получения цветов с помощью прозрачных пластинок, а также путем дифракции или отклонения, ни один из которых не был объяснен на основе предположения об излучении, способом, достаточно подробным и всеобъемлющим, чтобы удовлетворить даже самых искренних сторонников система снарядов; с другой стороны, все они могут быть сразу поняты благодаря эффекту интерференции двойных огней, почти подобному тому, который образует в звуке ощущение удара, когда две струны, образующие несовершенный унисон, услышали вибрацию вместе. ^{[ 5 ]}

В 1801 году Янг представил Королевскому обществу знаменитую статью под названием «К теории света и цвета». ^{[ 7 ]} которое описывает различные интерференционные явления. В 1803 году он описал свой знаменитый интерференционный эксперимент. ^{[ 8 ]} В отличие от современного эксперимента с двумя щелями , эксперимент Янга отражает солнечный свет (с помощью направляющего зеркала) через небольшое отверстие и делит тонкий луч пополам с помощью бумажной карты. ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} В описании эксперимента он также упоминает возможность прохождения света через две щели:

Если предположить, что свет любого данного цвета состоит из волн заданной ширины или заданной частоты, отсюда следует, что эти колебания должны быть подвержены тем эффектам, которые мы уже рассмотрели в случае волн воды и пульсаций воды. звук. Было показано, что две равные серии волн, исходящие из центров, расположенных рядом друг с другом, могут, как видно, уничтожать эффекты друг друга в определенных точках, а в других точках удваивать их; и биение двух звуков было объяснено сходной интерференцией. Теперь нам предстоит применить те же принципы к попеременному объединению и исчезновению цветов.
Чтобы таким образом объединить действия двух частей света, необходимо, чтобы они происходили из одного и того же 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 взятых; но простейшим случаем, по-видимому, является случай, когда луч однородного света падает на экран, в котором есть два очень маленьких отверстия или щели, которые можно рассматривать как центры расхождения, от которых свет преломляется во всех направлениях. В этом случае, когда два вновь образованных луча попадают на поверхность, расположенную так, чтобы их перехватывать, их свет разделяется темными полосами на почти равные части, но становится шире по мере удаления поверхности от отверстий, чтобы стягивают почти равные углы от отверстий на всех расстояниях и шире в той же пропорции, в какой отверстия расположены ближе друг к другу. Середина обеих частей всегда светлая, а яркие полосы с каждой стороны находятся на таких расстояниях, что свет, приходящий к ним из одного из отверстий, должен был пройти через большее пространство, чем тот, который приходит из другого, т. интервал, равный ширине одной, двух, трех или более предполагаемых волнистостей, 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 оказывается, что ширина волн, составляющих крайний красный свет, должна составлять в воздухе около одной 36 тысячной дюйма, а ширины крайнего фиолетового света — около одной 60 тысячной; среднее значение всего спектра по интенсивности света составляет около одной 45-тысячной. Из этих измерений следует, если вычислить известную скорость света, что почти 500 миллионов миллионов самых медленных таких волн должны попасть в глаз за одну секунду. Сочетание двух порций белого или смешанного света, если смотреть с большого расстояния, обнаруживает несколько белых и черных полос, соответствующих этому интервалу; хотя при ближайшем рассмотрении появляются отчетливые эффекты бесконечного числа полос различной ширины. смешиваться вместе, чтобы создать прекрасное разнообразие оттенков, постепенно переходящих друг в друга. Центральная белизна сначала меняется на желтоватый, а затем на желтовато-коричневый цвет, за которым следуют малиновый, фиолетовый и синий, которые вместе кажутся, если смотреть на расстоянии, темной полосой; после этого появляется зеленый свет, и темное пространство за ним приобретает багровый оттенок; последующие огни более или менее зеленые, темные пространства пурпурные и красноватые; и красный свет кажется настолько преобладающим во всех этих эффектах, что красные или пурпурные полосы занимают почти одно и то же место в смешанных полосах, как если бы их свет воспринимался отдельно. ^{[ 5 ]}

На рисунке показана геометрия плоскости обзора в дальнем поле . Видно, что относительные пути света, идущего от двух точечных источников к данной точке плоскости наблюдения, меняются в зависимости от угла θ, так что их относительные фазы также изменяются. Когда разность хода равна целому числу длин волн, две волны складываются вместе, чтобы дать максимум яркости, тогда как когда разность хода равна половине длины волны, полутора и т. д., тогда две волны отменить, и интенсивность будет на минимуме.

Линейное разделение (расстояние) - $\Delta y$ между полосами (линиями с максимальной яркостью) на экране определяется уравнением:

$\Delta y=L\lambda /d$

где $L$ расстояние между щелью и экраном, $\lambda$ длина волны света и $d$ - это расстояние между щелями, как показано на рисунке.

Угловое расстояние между полосами $θ f$ выражением тогда определяется

\theta _{f}\approx \lambda /d

где $θ f$ <<1, а λ — длина волны света. Видно, что расстояние между полосами зависит от длины волны, расстояния между отверстиями и расстояния между щелями и плоскостью наблюдения, как заметил Юнг.

Это выражение применимо, когда источник света имеет одну длину волны, тогда как Янг использовал солнечный свет и, следовательно, рассматривал полосы белого света, которые он описывает выше. Можно считать, что рисунок бахромы белого света состоит из набора отдельных рисунков бахромы разных цветов. Все они имеют максимальное значение в центре, но расстояние между ними зависит от длины волны, а наложенные узоры будут различаться по цвету, поскольку их максимумы будут возникать в разных местах. Обычно можно наблюдать только две или три полосы. Янг использовал эту формулу, чтобы оценить длину волны фиолетового света в 400 нм, а красного света — примерно в два раза больше — результаты, с которыми мы согласились бы сегодня.

появилась серия неподписанных нападок на теории Янга В 1803–1804 годах в «Эдинбургском обозрении» . Анонимному автору (позже выяснилось, что это Генри Брум , основатель Edinburgh Review ) удалось настолько подорвать доверие к Янгу среди читающей публики, что издатель, который взял 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

В 1817 году корпускулярные теоретики Французской академии наук , в число которых входил Симеон Дени Пуассон, были настолько уверены, что выбрали тему для премии следующего года как дифракция, будучи уверенными, что ее выиграет теоретик элементарных частиц. ^{[ 4 ]} Огюстен-Жан Френель представил диссертацию, основанную на волновой теории и суть которой состояла из синтеза принципа Гюйгенса Юнга и принципа интерференции . ^{[ 2 ]}

Пуассон подробно изучал теорию Френеля и, будучи сторонником теории частиц света, конечно же искал способ доказать ее ошибочность. Пуассон думал, что он обнаружил ошибку, когда утверждал, что следствием теории Френеля было то, что в тени круглого препятствия, блокирующего точечный источник света, должна существовать полная темнота на оси, согласно теории Френеля. Теория частиц света. Теория Френеля не может быть верной, заявил Пуассон: конечно, этот результат абсурден. ( Пятно Пуассона нелегко наблюдать в повседневных ситуациях, потому что большинство повседневных источников света не являются хорошими точечными источниками. Фактически его легко увидеть 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 посчитал необходимым провести эксперимент более детально. Он слепил 2-миллиметровый металлический диск на стеклянную пластину с помощью воска. ^{[ 11 ]} Ко всеобщему удивлению, ему удалось наблюдать предсказанное пятно, что убедило большинство учёных в волновой природе света. В конце концов, Френель выиграл соревнование.

После этого корпускулярная теория света была побеждена, и о ней больше не слышали до 20 века. Позже Араго отметил, что явление (которое иногда называют пятном Араго ) уже было наблюдал Жозеф-Николя Делиль ^{[ 1 ]}

См. также

Ссылки

Сноски

Цитаты

^ Jump up to: ^а ^б Небеса, ОС; Дитчберн, RW (1991). Знакомство с оптикой . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-92769-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Борн, М .; Вольф, Э. (1999). Принципы оптики . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-64222-4 .
^ «Магия без лжи». Космос: возможные миры . Эпизод 9. 6 апреля 2020. National Geographic.
^ Jump up to: ^а ^б Мейсон, П. (1981). Светлая фантастика . Книги о пингвинах . ISBN 978-0-14-006129-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Янг, Т. (1807). Курс лекций по натуральной философии и механическим искусствам . Том. 1. Уильям Сэвидж . Лекция 39, стр. 463–464. дои : 10.5962/bhl.title.22458 .
^ Jump up to: ^а ^б Ротман, Т. (2003). Все относительно и другие басни в науке и технике . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-20257-8 .
^ Янг, Т. (1802). «Бекеровская лекция: К теории света и цвета» . Философские труды Лондонского королевского общества . 92 : 12–48. дои : 10.1098/rstl.1802.0004 . JSTOR 107113 .
^ Jump up to: ^а ^б «Эксперимент Томаса Янга» . www.cavendishscience.org . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 г. Проверено 23 июля 2017 г.
^ Veritasium (19 февраля 2013 г.), Оригинальный эксперимент с двойной щелью , получено 23 июля 2017 г.
^ Робинсон, Эндрю (2006). Последний человек, который знал всё . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Pi Press. стр. 115–120 . ISBN 0-13-134304-1 .
^ Френель, AJ (1868). Полное собрание сочинений Огюстена Френеля: Теория света . Императорская типография . п. 369.

[Insight_into_Optics-1] Jump up to: ^а ^б Небеса, ОС; Дитчберн, RW (1991). Знакомство с оптикой . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-92769-3 .

[Born_&_Wolf-2] Jump up to: ^а ^б Борн, М .; Вольф, Э. (1999). Принципы оптики . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-64222-4 .

[3] «Магия без лжи». Космос: возможные миры . Эпизод 9. 6 апреля 2020. National Geographic.

[Mason-4] Jump up to: ^а ^б Мейсон, П. (1981). Светлая фантастика . Книги о пингвинах . ISBN 978-0-14-006129-1 .

[Young1807-5] Jump up to: ^а ^б Янг, Т. (1807). Курс лекций по натуральной философии и механическим искусствам . Том. 1. Уильям Сэвидж . Лекция 39, стр. 463–464. дои : 10.5962/bhl.title.22458 .

[Rothman-6] Jump up to: ^а ^б Ротман, Т. (2003). Все относительно и другие басни в науке и технике . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-20257-8 .

[Young1802-7] Янг, Т. (1802). «Бекеровская лекция: К теории света и цвета» . Философские труды Лондонского королевского общества . 92 : 12–48. дои : 10.1098/rstl.1802.0004 . JSTOR 107113 .

[cavendish-8] Jump up to: ^а ^б «Эксперимент Томаса Янга» . www.cavendishscience.org . Архивировано из оригинала 31 марта 2022 г. Проверено 23 июля 2017 г.

[9] Veritasium (19 февраля 2013 г.), Оригинальный эксперимент с двойной щелью , получено 23 июля 2017 г.

[Robinson-10] Робинсон, Эндрю (2006). Последний человек, который знал всё . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Pi Press. стр. 115–120 . ISBN 0-13-134304-1 .

[fresnel1868_arago-11] Френель, AJ (1868). Полное собрание сочинений Огюстена Френеля: Теория света . Императорская типография . п. 369.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]