My *nix world

Böjning och interferens

Youngs dubbelspaltförsök

Enligt Newton ljuset var en partikel men den brittiska fysiker Thomas Young trode något annat.

Thomas Young gjorde ett experiment för att undersöka om ljuset är partikel eller våg. Han skickade ljus vågor vinkelrätt mot en väggen där fanns två små öppningar. De öppningar fungerar som två olika vågkällor (s1 och s2) som svänger i takt med samma frekvens (dvs. samma våglängd, dvs. ljuset med samma färg). Två sådana vågkällor är koherenta.

Böjning och interferens

Fig. 1 Thomas Young dubbelspalt experiment (källa: h2physics.org)

Det som hände var att ljuset från de två källor böjde när det gick genom de två öppningar (s1 och s2) precis som alla vatten vågorna gör. Således interfererade de med varandra (konstruktiv i bukar och destruktiv i noder) och skapade ett mönster så här:

Böjning och interferens

Fig. 2 Dubbelspalt experiment inblick (källa: h2physics.org)

Avståndet mellan dubbelspalten och skärmen noterar vi med D och spaltbredden noterar vi med d. Vanligtvis är D>d, t.ex. D=1m medan d=10-4 m.

Om ljuset var en partikel då måste ljuset gå genom öppningen utan att böja (som en kula genom en öppning). Men ljuset gjorde inte detta, det böjde, precis som alla vågorna. Alltså ljuset uppträde sig som en våg!

Tiita på bilden ovanför: vi ser en ljus mönster där vi har mörk ljus och grön ljus (detta berör på ljuskälla faktiskt). Varför ser vi en sådant mönster? Jo, när två vågor interfererar konstruktiv har de en större amplitud (och vi ser en ljust mönster) och när två vågor interfererar destruktiv strykar de varandra (och då ser vi ett mörkt mönster).

Var på skärmen uppstår ljusmaximum och var det blir mörkt på skärmen? Titta på figuren nedanför:

Böjning och interferens

Fig.3 Dubbelspalt hjälp diagram (källa: h2physics.org)

Eftersom punkten O ligger på symmetriaxeln där blir ljuset mest starkt, dvs. ljusmaximum. Den punkt kallas för centralmaximum. Avstånder S1O och S2O är lika stora så att vågorna möts i fas i O. Vågtopp från S1 möter vågtopp från S2 och motsvarande för vågdalarna. Maximal vågamplitud uppstår i O.

Om P är en punkt på skärmen då ΔS=S2P-S1P är vågskillnaden för ljusvågorna. När ΔS=0 eller an helt antal våglängder, då vågorna från de två spalter är i fas och ger en konstruktiv interferens när de når i punkten P.

I punkten P uppstår ljusmaximum om ΔS=0,λ,2λ,3λ,...nλ. Talen n kallas för ordningstalen för ljusmaximum. När n=0 når de två vågorna i O där ΔS=0. Detta centralmaximum kallas vi nollte ordningens maximum. På ömse sidor om det ligger första ordningens ljusmaximum; där är ΔS=1. På ömse sidor om den första ordningens ljusmaximum liger den andra maximimum; där är ΔS=2. Osv.

 \Delta_S=n\lambda där n≥0.

Om ΔS är halv våglängden eller ett udda tal multiplicerad med halv våglängden så kommer de två vågorna att ha motsatt fas och ge destruktiv interferens när de träffar i P. Då släcker vågorna på varandra och det blir mörkt i punkten P. Alltså i P blir mörkt om:

 \Delta_S=(n-\frac{1}{2})\lambda där n≥1.

Om vi tittar närmare på Fig. 3 ovanför ser vi att avståndet a (mellan vågkällorna S1 och S2) är mycket mindre i jämförelse med avståndet D (mellan dubbelspalten och skärmen). Om, till exempel, är a=10-4m och D=1m då praktiskt blir S1P och S2P parallella. Om  S_1P \parallel S_2P då är vinkeln S2S1N=θ.

I Δ S2NS1 har vi  sin(\theta)=\frac{S_2N}{S_1S_2}=\frac{\Delta_S}{a} \Rightarrow a\cdot sin(\theta)=\Delta_S.

Alltså för riktningsvinkeln θ, ordningstalet n, spaltbredden a och våglängden λ gäller att:

  • villkoret för ljusmaximum ges av:

 a\cdot sin(\theta)=n\cdot\lambda där n≥0

  • villkoret för ljusminimum(mörker) ges av:

 a\cdot sin(\theta)=(n-\frac{1}{2})\cdot\lambda där n≥1

Det är värd att märka att om vi varierar spaltbredden då varierar riktningsvinkeln:

Böjning och interferens

Fig. 4 Variation i spaltbredden (källa h2physics.org)

På andra sidan, om vi bara varierar våglängden (d.v.s. sänder ljus med olika färg) då varierar också riktningsvinkeln:

Böjning och interferens

Fig. 5 Variation i våglängden (källa: h2physics.org)

Läs mer om böjning och interferens här.

Simulering

Böjning och interferens
            
 
Click to Run

Optisk gitter

En optisk gitter är en komponent som används i optikken till att spreda ljusstråler. Det liknar med en dubbelspalt med en udantag: det har inte bara två spalter utan många spalter (t.ex. 600/mm2). Avståndet mellan två spalter kallas för gitterkonstanten.

Vi har sett vad händer med ljuset när sänds till en dubbelspalt. Frågan är: va händer med ljuset när sänds till en "många-spalter", dvs. till en optisk gitter? Hur spreder ljuset då?

Vi skickar laserljus mot en optisk gitter med gitterkonstanten a. Gittern ger ljusmaximum i de riktningar som ges av:

 a\cdot sin(\theta)=n\cdot\lambda där n≥0 är ordningstalet.

Blandningsfärger

När ljuset passerar ett ämne blir ljuset försvagat. Ljuset absorberas. Vissa ämne absorberar vågorna med vissa längden. Finns några ämne som luft, glas, vatten, som absorberar lite ljus, de är genomskinliga. Genomskinliga ämnen släpper igenom synligt ljus av alla frekvenser. Spektret av det ljus som slipper genom kallas för absorbtionsspektrum.

Om du tror att det artikel har hjälpt dig då, snälla du, gradera den här med en till fem stjärnor så att jag ska veta att du bryr om vad jag skriver.

 
The following two tabs change content below.
Böjning och interferens

Eugen Mihailescu

Founder/programmer/one-man-show at Cubique Software
Always looking to learn more about *nix world, about the fundamental concepts of math, physics, electronics. I am also passionate about programming, database and systems administration. 16+ yrs experience in software development, designing enterprise systems, IT support and troubleshooting.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Follow

Get every new post on this blog delivered to your Inbox.

Join other followers: