この実験について
1801年、トーマス・ヤングは2本の狭いスリットに光を当て、スクリーンに明暗の縞が並ぶ様子を観察しました。光の粒子が直進するという考えでは説明できませんでしたが、波なら説明できます。2本のスリットから来た光は、波の山どうしが重なるところで強め合い、波の山と谷が重なるところで打ち消し合います。波長、スリット間隔、スクリーンまでの距離を変えて縞間隔を測定し、さらに各スリットの幅によって、その上にもう一つの、より広いパターンが重なる様子を確かめましょう。
学習目標
- 光路差と重ね合わせを使って明暗の縞を説明する
- Δy = λL/d を使って、縞間隔と波長、スクリーンまでの距離、スリット間隔の関係を示す
- 二重スリットのパターンから波長を測定する
- 単スリットの回折パターンと、それが二重スリットの縞を制限する仕組みを説明する
- 白色光が中央に白い縞を作り、その両側に色のついた縞を作るのはなぜか説明してください。
使い方
- 1初期設定のまま、定規を使って5つの縞間隔分の距離を測り、それを5で割ってください。表示値と比べてみましょう。
- 2波長を赤から青に変えてください。縞の間隔は狭くなりますか、それとも広くなりますか？
- 3スリット間隔 d を2倍にしてください。縞の間隔はどうなりますか？次に、スクリーンまでの距離 L を2倍にしてください。
- 4「平均輝度を表示」をオンにしてください。2つのスリットからの光が打ち消し合う線を見つけてください。
- 5スリットを1つに切り替えて、幅を狭くしてください。中央の帯が広くなるのはなぜですか？
- 62つのスリットに戻し、d を a のちょうど5倍に設定してください。中央の帯の中に明るい縞はいくつありますか？欠けている次数はどれですか？
- 7白色光を選んでください。それぞれの色のついた縞では、どの色が内側にありますか？また、それはなぜですか？
モデル
前提条件
- スクリーンはスリット間隔に比べて十分遠くにあり（フラウンホーファー回折）、光はコヒーレントで平面波として入射する。
- 両方のスリットは幅が等しく、同じ強さで照らされている。各縞の明るさは中央極大に対する相対値で示されている。
- 白色光は、400～700 nm の範囲にある明るさが等しい31個の波長としてモデル化され、それぞれが独自のパターンを作り、それらのパターンが重ね合わさる。
- 左の波の図は模式図である。実際の波長は小さすぎて見えないため、何万倍もの大きさで描かれている。
授業で試してみましょう
- Q1波長600 nmの光を、間隔0.30 mmのスリットに通し、2.0 m先のスクリーンに当てる。縞間隔を求めなさい。
- Q2縞が現れるためには、なぜ2つのスリットからの光がコヒーレントでなければならないのですか？
- Q3ある生徒が、縞10個分の間隔を21 mmと測定した。L = 1.5 m、d = 0.45 mm のとき、波長を計算しなさい。
- Q4一方のスリットを覆うと、何が見えますか？
- Q5二重スリットの公式だけを見ると縞はすべて同じ明るさのはずなのに、なぜ中心から離れるほど縞は暗くなるのですか？
よくある質問
スリット間隔が小さいほど、なぜ縞の間隔は広くなるのですか？
2つのスリット間の経路差は d sinθ です。d が小さい場合、経路差が波長1つ分に達するには、より大きな角度まで進む必要があります。そのため、次の明るい縞は中心からより離れたところにできます。
干渉と回折の違いは何ですか？
どちらも波が重なり合う現象です。干渉は通常、2つのスリットのように、いくつかの別々の光源から来る波を指します。回折は、1つの開口部全体にわたるすべての点から来る波を指し、波が広がって幅広い包絡線を作ります。
この実験は電子でもできますか？
はい。電子、中性子、さらには大きな分子も、二重スリットを一つずつ通すと、ド・ブロイの関係式 λ = h / p で与えられる波長に応じて、同じ縞模様を形成していきます。