27.3: Jaribio la Vijana la Double Slit
- Page ID
- 183446
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza matukio ya kuingiliwa.
- Kufafanua kuingiliwa kujenga kwa watakata mara mbili na uharibifu kuingiliwa kwa watakata mara mbili.
Ingawa Christiaan Huygens alidhani kwamba mwanga ulikuwa wimbi, Isaac Newton hakufanya hivyo. Newton alihisi kwamba kulikuwa na maelezo mengine kwa ajili ya rangi, na kwa ajili ya kuingiliwa na madhara diffraction kwamba walikuwa kuonekana wakati huo. Kutokana na kimo kikubwa cha Newton, mtazamo wake kwa ujumla ulishinda. Ukweli kwamba kanuni ya Huygens ilifanya kazi haikuchukuliwa kuwa ushahidi uliokuwa wa moja kwa moja wa kutosha kuthibitisha kwamba mwanga ni wimbi. Kukubalika kwa tabia ya wimbi la mwanga alikuja miaka mingi baadaye wakati, katika 1801, mwanafizikia wa Kiingereza na daktari Thomas Young (1773—1829) alifanya yake sasa classic mara mbili watakata majaribio (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).
Kwa nini sisi si kawaida kuchunguza tabia wimbi kwa mwanga, kama vile aliona katika Young mara mbili watakata majaribio? Kwanza, mwanga lazima kuingiliana na kitu kidogo, kama vile slits karibu spaced kutumiwa na Young, kuonyesha hutamkwa madhara wimbi. Zaidi ya hayo, Young kwanza kupita mwanga kutoka chanzo moja (Sun) kwa njia ya watakata moja kufanya mwanga kiasi fulani madhubuti. Kwa thabiti, tunamaanisha mawimbi ni katika awamu au kuwa na uhusiano wa awamu ya uhakika. Incoherent ina maana mawimbi yana uhusiano wa awamu ya random. Kwa nini Young kisha kupita mwanga kwa njia ya kupasuka mara mbili? Jibu la swali hili ni kwamba slits mbili hutoa vyanzo viwili vyenye mwanga ambavyo huingilia kati kwa ufanisi au kwa uharibifu. Vijana walitumia jua, ambapo kila wavelength huunda muundo wake mwenyewe, na kufanya athari iwe vigumu kuona. Tunaonyesha jaribio la kupasuka mara mbili na mwanga wa monochromatic (moja\(\lambda\)) ili kufafanua athari. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha kuingiliwa safi na uharibifu wa mawimbi mawili yenye wavelength sawa na amplitude.
Wakati mwanga unapita kupitia slits nyembamba, hutenganishwa kwenye mawimbi ya semicircular, kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{3a}\). Uingiliaji safi wa kujenga hutokea ambapo mawimbi yanajitokeza kwa crest au kupitia kupitia nyimbo. Uingiliaji safi wa uharibifu hutokea ambapo wao ni crest kwa kupitia nyimbo. Mwanga lazima uanguke kwenye skrini na ueneze machoni petu ili tuone mfano. Mfano sawa wa mawimbi ya maji unaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3b}\). Kumbuka kwamba mikoa ya kuingiliwa kwa kujenga na uharibifu hutoka kwenye slits kwenye pembe zilizoelezwa vizuri kwenye boriti ya awali. Pembe hizi hutegemea wavelength na umbali kati ya slits, kama tutakavyoona hapa chini.
Ili kuelewa mara mbili watakata kuingiliwa mfano, tunaona jinsi mawimbi mawili kusafiri kutoka slits kwa screen, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Kila watakata ni umbali tofauti na hatua fulani kwenye screen. Hivyo idadi tofauti za wavelengths zinafaa katika kila njia. Mawimbi kuanza kutoka slits katika awamu (crest kwa crest), lakini wanaweza kuishia nje ya awamu (crest kupitia nyimbo) katika screen kama njia tofauti katika urefu na wavelength nusu, kuingilia destructively kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4a}\). Ikiwa njia zinatofautiana na wavelength nzima, basi mawimbi hufika kwenye awamu (crest kwa crest) kwenye skrini, huingilia kwa ufanisi kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{4b}\). Kwa ujumla, kama njia zilizochukuliwa na mawimbi mawili zinatofautiana na idadi yoyote ya nusu-muhimu ya wavelengths [\( \left( 1/2 \right) \lambda , \left(3/2 \right) \lambda , \left( 5/2 \right) \lambda,\)nk], basi kuingiliwa kwa uharibifu hutokea. Vile vile, kama njia zilizochukuliwa na mawimbi mawili zinatofautiana na idadi yoyote muhimu ya wavelengths (\( \lambda , 2\lambda , 3\lambda \), nk), basi kuingiliwa kwa kujenga hutokea.
CHUKUA-NYUMBANI MAJARIBIO: KUTUMIA VIDOLE KAMA SLITS
Angalia mwanga, kama taa ya barabara au bomba la incandescent, kwa njia ya pengo nyembamba kati ya vidole viwili vilivyofungwa karibu. Unaona aina gani ya mfano? Inabadilikaje wakati unaruhusu vidole kuhamia mbali kidogo? Je, ni tofauti zaidi kwa chanzo cha monochromatic, kama mwanga wa njano kutoka taa ya mvuke ya sodiamu, kuliko kwa bomba la incandescent?
Kielelezo\(\PageIndex{5}\) kinaonyesha jinsi ya kuamua tofauti ya urefu wa njia kwa mawimbi ya kusafiri kutoka slits mbili hadi hatua ya kawaida kwenye skrini. Ikiwa skrini ni umbali mkubwa ikilinganishwa na umbali kati ya slits, basi angle\(\theta\) kati ya njia na mstari kutoka slits hadi skrini ni karibu sawa kwa kila njia. Tofauti kati ya njia zinaonyeshwa kwenye takwimu; trigonometry rahisi inaonyesha kuwa\(d \sin{\theta}\),\(d\) wapi umbali kati ya slits. Ili kupata kuingiliwa kwa kujenga kwa watakata mara mbili, tofauti ya urefu wa njia lazima iwe nyingi muhimu ya wavelength, au
\[d\sin{\theta} = m \lambda, ~for~ m=0,1,-1,2,-2 ... \left( constructive \right). \label{27.4.1}\]
Vile vile, ili kupata kuingiliwa kwa uharibifu kwa kupasuka mara mbili, tofauti ya urefu wa njia lazima iwe nyingi ya nusu muhimu ya wavelength, au
\[d \sin{\theta} = \left( m + \frac{1}{2} \right) \lambda, ~for~ m=0,1,-1,2,-2 ... \left( destructive \right). \label{27.4.2}\]
wapi\(\lambda\) wavelength ya mwanga,\(d\) ni umbali kati ya slits, na\(\theta\) ni angle kutoka mwelekeo wa awali wa boriti kama ilivyojadiliwa hapo juu. Tunaita\(m\) utaratibu wa kuingiliwa. Kwa mfano,\(m=4\) ni ya nne ili kuingiliwa.
Ulinganisho wa kuingiliwa kwa mara mbili kunamaanisha kuwa mfululizo wa mistari mkali na giza huundwa. Kwa slits wima, mwanga kuenea nje usawa upande wowote wa tukio boriti katika muundo kuitwa kuingiliwa pindo, mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\). Upeo wa pindo mkali huanguka upande wowote, kuwa mkali zaidi katikati. Karibu na slits ni, zaidi ni kueneza kwa pindo kali. Tunaweza kuona hili kwa kuchunguza Ulinganisho\ ref {27.4.1}.
Kwa fasta\(\lambda\) na\(m\), ndogo\(d\) ni, kubwa\(\theta\) lazima iwe, tangu\(\sin{\theta} = m \lambda / d\). Hii ni sambamba na ugomvi wetu kwamba madhara ya wimbi yanaonekana zaidi wakati kitu ambacho wimbi linakutana (hapa, hupiga umbali\(d\) mbali) ni ndogo. Ndogo\(d\) hutoa kubwa\(\theta\), hivyo athari kubwa.
Mfano\(\PageIndex{1}\): Finding a Wavelength from an Interference Pattern
Tuseme unapita mwanga kutoka laser ya He-Ne kupitia slits mbili zilizotengwa na 0.1000 mm na kupata kwamba mstari wa tatu mkali kwenye skrini hutengenezwa kwa pembe ya\(10.95^{\circ}\) jamaa na boriti ya tukio. Je, ni wavelength ya mwanga?
Mkakati:
Mstari wa tatu mkali ni kutokana na kuingiliwa kwa utaratibu wa tatu, ambayo ina maana kwamba\(m=3\). Tunapewa\(d = 0.0100 mm\) na\(\theta = 10.95^{\circ}\). Kwa hiyo wavelength inaweza kupatikana kwa kutumia equation\(d \sin{\theta} = m \lambda\) kwa kuingiliwa kwa kujenga.
Suluhisho
equation ni\(d \sin{\theta} = m \lambda\). Kutatua kwa wavelength\(\lambda\) inatoa
\[\lambda = \frac{d \sin{\theta}}{m}. \nonumber\]
Kubadilisha maadili inayojulikana mavuno
\[\begin{align*} \lambda &= \frac{\left(0.0100 mm \right) \left(\sin{10.95^{\circ}} \right)}{3} \\[4pt] &= 6.33 \times 10^{-4} mm = 633\, nm. \end{align*}\]
Majadiliano:
Kwa tarakimu tatu, hii ni wavelength ya mwanga iliyotolewa na laser ya kawaida ya He-Ne. Si kwa bahati mbaya, rangi hii nyekundu ni sawa na ile iliyotolewa na taa za neon. Muhimu zaidi, hata hivyo, ni ukweli kwamba mifumo ya kuingiliwa inaweza kutumika kupima wavelength. Young alifanya hivyo kwa wavelengths inayoonekana. Mbinu hii ya uchambuzi bado inatumiwa sana kupima spectra ya sumakuumeme. Kwa utaratibu uliopewa, angle ya kuingiliwa kwa kujenga huongezeka na\(\lambda\), ili spectra (vipimo vya kiwango dhidi ya wavelength) vinaweza kupatikana.
Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Highest Order Possible
Mwelekeo wa kuingilia kati hauna idadi isiyo na idadi ya mistari, kwani kuna kikomo cha jinsi kubwa\(m\) inaweza kuwa. Je, ni ya juu ili kujenga kuingiliwa iwezekanavyo na mfumo ilivyoelezwa katika mfano uliopita?
Mkakati na Dhana:
Equation\(d \sin{\theta} = m \lambda \left( for m = 0,1,-1,2,-2,...\right)\) inaelezea kuingiliwa kwa kujenga. Kwa maadili fasta ya\(d\) na\(\lambda\), kubwa\(m\) ni, kubwa\(\sin{\theta}\) ni. Hata hivyo, thamani ya juu ambayo\(\sin{\theta}\) inaweza kuwa na 1, kwa angle ya\(90^{\circ}\). (Pembe kubwa zinamaanisha kuwa mwanga unakwenda nyuma na haufikia skrini kabisa.) Hebu tupate ambayo\(m\) inalingana na angle hii ya kiwango cha juu cha diffraction.
Suluhisho
Kutatua equation\(d\sin{\theta} = m \lambda\) kwa\(m\) anatoa:
\[m = \frac{d \sin{\theta}}{\lambda}. \nonumber \]
Kuchukua\(\sin{\theta} = 1\) na kubadilisha maadili ya\(d\) na\(\lambda\) kutoka mfano uliopita anatoa
\[m = \frac{\left(0.0100 mm\right) \left(1\right)}{633 nm} \approx 15.8. \nonumber\]
Kwa hiyo, integer kubwa\(m\) inaweza kuwa ni 15, au
\[m = 15. \nonumber\]
Majadiliano:
Idadi ya pindo inategemea urefu wa wavelength na kujitenga. Idadi ya pindo itakuwa kubwa sana kwa kujitenga kwa kiasi kikubwa. Hata hivyo, kama mgawanyiko wa mgawanyiko unakuwa mkubwa zaidi kuliko wavelength, ukubwa wa muundo wa kuingiliwa hubadilika ili skrini iwe na mistari miwili mkali iliyopigwa na slits, kama inavyotarajiwa wakati mwanga unatenda kama ray. Pia tunaona kwamba pindo hupata zaidi mbali na kituo hicho. Kwa hiyo, sio pindo zote 15 zinaweza kuonekana.
Muhtasari
- Young ya mara mbili watakata majaribio alitoa ushahidi yakinifu wa tabia wimbi la mwanga.
- Mfano wa kuingiliwa unapatikana kwa superposition ya mwanga kutoka slits mbili.
- Kuna kuingiliwa kwa kujenga wakati\(d\sin{\theta} = m \lambda \left(for m = 0,1,-2,2,-2,...\right)\), wapi\(d\) umbali kati ya slits,\(\theta\) ni angle kuhusiana na mwelekeo wa tukio, na\(m\) ni utaratibu wa kuingiliwa.
- Kuna kuingiliwa kwa uharibifu wakati\(d \sin{\theta} = \left( m + \frac{1}{2} \right) \lambda \left( for m = 0,1,-1,2,-2,...\right)\).
faharasa
- thabiti
- mawimbi ni katika awamu au kuwa na uhusiano wa awamu ya uhakika
- kuingiliwa kwa kujenga kwa ajili ya kupasuka mara mbili
- tofauti ya urefu wa njia lazima iwe nyingi muhimu ya wavelength
- kuingiliwa kwa uharibifu kwa ajili ya kupasuka mara mbili
- tofauti ya urefu wa njia lazima iwe nyingi ya nusu muhimu ya wavelength
- kutoeleweka
- mawimbi yana uhusiano wa awamu random
- agizo
- integer\(m\) kutumika katika equations kwa kuingiliwa kujenga na uharibifu kwa ajili ya kupasuka mara mbili