آزمایش دو شکاف یانگ


دید کلی

اسحاق نیوتن نور را متشکل از ذرات ریزی می‌دانست که از منبع نور جدا می‌شوند، یعنی او برای نور خاصیت ذره‌ای قائل بود. در همان زمان ، هویگنس نور را موجی فرض می‌کرد که از منبع نور به اطراف منتشر می‌شود. با آنکه پدیده‌هایی وجود داشت که با نظریه ذره‌ای سازگار نبود، ولی سیطره علمی اسحاق نیوتن چنان بود که کسی با آن مخالفت نمی‌کرد و کسی نظریه هویگنس را قبول نداشت. تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم یانگ و فرنل هر کدام با آزمایشهایی موجی بودن نور را ثابت کردند.

آزمایشهایی در مورد تداخل و پراش تنها با فرض موجی بودن نور توجیه می‌شوند. امروزه نظر بر این است که نور ماهیت دوگانه‌ای دارد، گاهی بصورت ذره عمل می‌کند و گاهی خاصیت موجی از خود نشان می‌دهد.



تصویر




وقتی دو ارتعاش نورانی به هم می‌رسند، بر هم نهاده شده و گاها نوارهای تداخلی تشکیل می‌دهند. این نوارها تنها به شرطی تشکیل می‌شوند که ارتعاشهای سازنده آنها هم پریود و همدوس باشند، یعنی اختلاف فاز آنها در هر لحظه مقدار ثابتی باشد و این امر زمانی مقدور می‌شود که ارتعاشها از یک منبع واحد حاصل شوند. یانگ اولین کسی بود که در سال 1802 به این مهم پی برد.

آزمایش یانگ

  • یانگ مقابل یک منبع نورانی ، روزنه‌ای (S) قرار داد (این روزنه خود مانند یک چشمه نور عمل می‌کند). در مقابل این روزنه صفحه‌ای گذاشت که روی آن دو روزنه S1 و S2 به فاصله کمی از هم قرار گرفته بودند. فاصله روزنه‌های S1 و S2 از روزنه یکسان بود، یعنی روزنه روی محور تقارن دو روزنه قرار می‌گرفت. در مقابل این دو روزنه هم پرده‌ای برای تشکیل تصویر جای داده شد.

  • نور خارج شده از منبع ، پس از عبور از روزنه S بصورت دو پرتو همفاز به روزنه های S1 و S2 می‌رسد. روزنه‌های S1 و S2 نیز نور را به اطراف خود گسیل می‌کنند. S1 و S2 چون منابعی همدوسند، پس پرتوهای خروجی از آنها می‌توانند روی پرده طرحهای تداخلی تشکیل دهند.

  • در نقطه تلاقی محور تقارن S1 و S2 با پرده ، دو پرتو خروجی فاصله یکسانی طی می‌کنند، پس باهم همفاز بوده و تداخل سازنده انجام می‌دهند. از اینرو ، این نقطه به صورت نوار روشن دیده می‌شود که آنرا نوار روشن مرکزی می‌گویند.

  • پرتوهای دیگری که به نقاط دیگر روی پرده می‌رسند، چون مسیر مساوی طی نمی‌کنند، باهم اختلاف راه خواهند داشت. این اختلاف راه ، باعث ایجاد اختلاف فاز می‌شود. وقتی یکی از پرتوها به اندازه یک طول موج اختلاف راه بیشتری طی می‌کند، اختلاف فاز π/2 حاصل می‌شود و نتیجه تداخل آنها اولین نوار روشن ، بعد از نوار روشن مرکزی ، خواهد بود.

  • در فاصله بین نوار روشن مرکزی و اولین نوار روشن بعد از آن ، نوار تاریکی خواهیم داشت و این نشانگر تداخل ویرانگر پرتوهای فرودی به این نقطه است. یعنی دو پرتو در فاز مخالف هم قرار داشته‌اند که پس از تداخل دامنه آنها صفر شده و منطقه تاریکی حاصل کرده‌اند.

  • اگر اختلاف فاز پرتوهای بر هم نهاده مضرب فردی از π باشد ، تداخل ویرانگر ایجاد شده و نوار تاریک بدست خواهد آمد و اگر اختلاف فاز مضرب زوجی از π باشد، تداخل سازنده باعث ایجاد نوار روشن خواهد شد. این نوارهای روشن و تاریک بطور متوالی و یک در میان در دو طرف نوار روشن مرکزی قرار می‌گیرند.



تصویر




  • فاصله دو نوار روشن یا تاریک متوالی از رابطه λD/d بدست می‌آید که D فاصله صفحه دو شکاف از پرده ،‌ λ طول موج نور و d فاصله بین دو شکاف می‌باشد. برای اینکه نقاط با شدت ماکزیمم و مینیمم ( نقاط روشن و تاریک) را جدا از هم ببینیم، باید فاصله دو ماکزیمم (یا دو مینیمم) متوالی از هم زیاد باشد، لذا باید طول موج ما بلند باشد که بلندترین طول موج نور مرئی مربوط به نور قرمز است. ولی چون نور تکرنگ در طبیعت وجود ندارد ، از لیزر استفاده می‌کنیم (لیزر هلیوم - نئون). اگر از نور طبیعی با فیلتر قرمز استفاده کنیم، پهنای نوارها زیاد شده و ازشدت نور کاسته می‌شود.

  • نوارهای تاریک و روشن ایجاد شده روی پرده را طرح تداخلی می‌نامند. ملاحظه می‌شود که با اینکه چشمه‌ها نقطه‌ای‌اند، نوارها بصورت خطوط مستقیم هستند. اگر بجای چشمه‌های نقطه‌ای ، شکافهایی داشته باشیم، دوباره نوارهایی با خطوط مستقیم ولی با شدت بیشتر بدست می‌آید. از اینرو ، آزمایش یانگ را اغلب با دو شکاف انجام می‌دهند.

اندازه گیری طول موج نور

با استفاده از آزمایش یانگ ، می‌توان طول موج یک نور تکرنگ را اندازه گیری کرد. برای این منظور ، سیستم آزمایش یانگ را به ترتیبی که گفته شد، راه اندازی می‌کنیم. با جابجایی صفحه دو شکاف ، سعی می‌کنیم تصویر واضحی روی پرده تشکیل دهیم. حال موارد زیر را اندازه می‌گیریم:
  • فاصله دو شکاف از پرده (D)
  • فاصله دو شکاف از هم (d)
  • فاصله k نوار روشن یا تاریک از نوار روشن مرکزی (x)

مقادیر بدست آمده را در رابطه λ = xd/kD گذاشته و طول موج نور را بدست می‌آوریم. از این رابطه پیداست که محل نوار شماره k به طول موج نور بستگی دارد، یعنی با تغییر طول موج محل نوارها عوض می‌شود.

آزمایش یانگ با نور سفید

اگر آزمایش یانگ را با نور سفید انجام دهیم، به ازای هر یک از رنگهای موجود در نور سفید ، یک طرح تداخلی تشکیل خواهد شد و نوارهای روشن و تاریک طول موجهای مختلف نور سفید بر هم منطبق نخواهد بود. در نتیجه ، روی پرده یک نوار مرکزی سفید خواهیم داشت که چندین نوار رنگی در دو طرف آن قرار دارند و چندان قابل تفکیک نیستند. این نوارها بزودی به سوی رنگ سفید محو می‌شوند. پس همواره باید این آزمایش را با نور تکرنگ انجام دهیم.

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 108571