Интерференционный эксперимент Юнга , также называемый двухщелевым интерферометром Юнга , был оригинальной версией современного двухщелевого эксперимента , выполненного в начале девятнадцатого века Томасом Юнгом . Этот эксперимент сыграл важную роль в общем принятии волновой теории света . [1] По мнению самого Юнга, это было самое важное из его многочисленных достижений.
В этот период многие ученые предложили волновую теорию света, основанную на экспериментальных наблюдениях, включая Роберта Гука , Христиана Гюйгенса и Леонарда Эйлера . [2] Однако Исаак Ньютон , который провел множество экспериментальных исследований света, отверг волновую теорию света и разработал свою корпускулярную теорию света, согласно которой свет испускается светящимся телом в виде мельчайших частиц. [3] Эта теория господствовала до начала девятнадцатого века, несмотря на то, что многие явления, включая эффекты дифракции на краях или в узких отверстиях, цвета в тонких пленках и крыльях насекомых, а также кажущуюся неспособность частиц света сталкиваться друг с другом 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 Жана-Батиста Био .
Изучая медицину в Геттингене в 1790-х годах, Юнг написал диссертацию о физических и математических свойствах звука [4] , а в 1800 году он представил доклад 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 могла бы гораздо лучше объяснить многие аспекты распространения света, чем корпускулярная модель:
Весьма обширный класс явлений приводит нас еще более непосредственно к тому же заключению; они состоят главным образом из создания цветов посредством прозрачных пластин и посредством дифракции или преломления, ни одно из которых не было объяснено на основе предположения об эманации достаточно подробно или всесторонне, чтобы удовлетворить даже самых беспристрастных сторонников системы снарядов; в то время как, с другой стороны, все они могут быть сразу поняты из эффекта интерференции двойного света, способом, почти подобным тому, который составляет в звуке ощущение удара, когда две струны, образующие несовершенный унисон, слышны как вибрируют вместе. [5]
В 1801 году Юнг представил Королевскому обществу знаменитую работу под названием «О теории света и цветов» [7] , в которой описываются различные явления интерференции. В 1803 году он описал свой знаменитый эксперимент по интерференции. [8] В отличие от современного эксперимента с двумя щелями , эксперимент Юнга отражает солнечный свет (используя направляющее зеркало) через небольшое отверстие и разделяет тонкий луч пополам с помощью бумажной карточки. [6] [8] [9] Он также упоминает возможность прохождения света через две щели в своем описании эксперимента:
Если предположить, что свет любого данного цвета состоит из волнообразных колебаний данной ширины или данной частоты, то следует, что эти волнообразные колебания должны быть подвержены тем эффектам, которые мы уже рассмотрели в случае волн воды и звуковых импульсов. Было показано, что две равные серии волн, исходящие из центров, расположенных близко друг к другу, могут уничтожать эффекты друг друга в определенных точках, а в других точках удваивать их; и биение двух звуков было объяснено из подобной интерференции. Теперь мы должны применить те же принципы к попеременному объединению и угасанию цветов.
Для того чтобы эффекты двух частей света могли быть таким образом объединены, необходимо, чтобы они были получены 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 произведено в одной или обеих частях дифракцией, отражением, преломлением или любым из этих эффектов в сочетании; 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, откуда свет дифрагирует во всех направлениях. В этом случае, когда два вновь сформированных луча принимаются поверхностью, расположенной так, чтобы перехватывать их, их свет разделяется темными полосами на части, почти равные, но становящиеся шире по мере того, как поверхность удаляется от отверстий, так что они стягивают очень почти равные углы от отверстий на всех расстояниях, и шире также в той же пропорции, по мере того, как отверстия находятся ближе друг к другу. Середина двух частей всегда светлая, а яркие полосы по бокам находятся на таком расстоянии, что свет, падающий на них из одного из отверстий, должен был пройти большее расстояние, чем тот, который падает из другого, на интервал, равный ширине одной, двух, трех или более предполагаемых волн, тогда как промежуточные темные пространства соответствуют разнице в половину предполагаемой волны, в полторы, две с половиной или более.
Из сравнения различных экспериментов следует, что ширина волн, составляющих экстремально красный свет, должна быть, как предполагается, в воздухе около одной 36-тысячной дюйма, а ширина волн крайнего фиолетового света около одной 60-тысячной; среднее значение всего спектра относительно интенсивности света составляет около одной 45-тысячной. Из этих измерений следует, вычисляя по известной скорости 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, если смотреть на них с большого расстояния, показывает несколько белых и черных полос, соответствующих этому интервалу: хотя при более близком рассмотрении отчетливые эффекты бесконечного числа полос различной ширины кажутся объединенными вместе, так что получается прекрасное разнообразие оттенков, постепенно переходящих друг в друга. Центральная белизна сначала меняется на желтоватую, а затем на рыжевато-коричневую, за которой следует малиновый, фиолетовый и синий цвета, которые вместе выглядят, если смотреть на них издалека, как темная полоса; после этого появляется зеленый свет, а темное пространство за ним имеет малиновый оттенок; последующие огни все более или менее зеленые, темные пространства фиолетовые и красноватые; и красный свет, по-видимому, настолько преобладает во всех этих эффектах, что красные или фиолетовые полосы занимают почти одно и то же место в смешанных полосах, как если бы их свет был получен по отдельности. [5]
На рисунке показана геометрия для плоскости наблюдения в дальнем поле . Видно, что относительные пути света, проходящего от двух точечных источников до заданной точки в плоскости наблюдения, изменяются с углом θ, так что их относительные фазы также изменяются. Когда разность путей равна целому числу длин волн, две волны складываются, давая максимум яркости, тогда как когда разность путей равна половине длины волны или полутора и т. д., то две волны гасятся, и интенсивность минимальна.
Линейное разделение (расстояние) между полосами (линиями с максимальной яркостью) на экране определяется уравнением:
где — расстояние между щелью и экраном, — длина волны света, — расстояние между щелями, как показано на рисунке.
Угловое расстояние между полосами, θ f , тогда определяется как
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 Янг.
Это выражение применяется, когда источник света имеет одну длину волны, тогда как Янг использовал солнечный свет и, следовательно, рассматривал полосы белого света, которые он описал выше. Рисунок полос белого света можно считать составленным из набора отдельных рисунков полос разных цветов. Все они имеют максимальное значение в центре, но их расстояние меняется в зависимости от длины волны, и 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 для оценки длины волны фиолетового света как 400 нм, а красного света как примерно вдвое большего размера — результаты, с которыми мы согласились бы сегодня.
В 1803–1804 годах в Edinburgh Review появилась серия неподписанных атак на теории Янга . Анонимный автор (позже выяснилось, что это был Генри Бруэм , основатель Edinburgh Review ) преуспел в подрыве авторитета Янга среди читающей публики настолько, что издатель, который взял на себя обязательство опубликовать лекции Янга в Королевском институте, отказался от сделки. Этот инцидент побудил Янга больше сосредоточиться на своей медицинской практике и меньше на физике. [10]
В 1817 году корпускулярные теоретики Французской академии наук , среди которых был и Симеон Дени Пуассон, были настолько уверены в своей победе, что выбрали темой премии следующего года дифракцию, будучи уверенными, что ее получит теоретик частиц. [4] Огюстен-Жан Френель представил диссертацию, основанную на волновой теории, суть которой состояла в синтезе принципа Гюйгенса и принципа интерференции Юнга . [2]
Пуассон подробно изучил теорию Френеля и, конечно, искал способ доказать ее ошибочность, будучи сторонником корпускулярной теории света. Пуассон считал, что нашел изъян, когда утверждал, что следствием теории Френеля было существование яркого пятна на оси в тени круглого препятствия, блокирующего точечный источник света, где должна быть полная темнота согласно корпускулярной теории 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 концентрического массива дифракционных колец.)
Однако глава комитета Доминик-Франсуа-Жан Араго посчитал необходимым провести эксперимент более детально. Он отлил 2-миллиметровый металлический диск на 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, Френель выиграл соревнование.
После этого корпускулярная теория света была побеждена и не появлялась до 20 века. Позже Араго заметил, что явление (которое иногда называют пятном Араго ) уже наблюдал Жозеф-Николя Делиль [1]
Сноски
Цитаты
