干渉と回折

Physics II

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Overview

ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ

干渉と回折波、水の波から光などの電磁波に至るまでの特徴的な現象であります。干渉は、大小の波の振幅の交流空間的変化を与える同じ種類の 2 つの波が重なっているときの現象を指します。回折波の開口部を通過またはオブジェクトの周り行くときの現象を指します、波のさまざまな部分が干渉できも大と小振幅の空間交替に上昇を与えます。

この実験はそれぞれ単一のスリットや二重スリットを通過するレーザー光の回折と干渉を観察することによって、光の波の性質を示します。スリットは、単にアルミ箔のかみそりの刃を使用してカットし、ホイルに slit(s) を介して光が輝いていたとき、箔の後に画面上の明るい部分と暗い縞を交互のパターンとして特徴的な回折と干渉パターンのマニフェストします。歴史的に、光の干渉と回折の観察は、光が電磁波であることを確立する重要な役割を果たした。

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JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 II. 干渉と回折. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Procedure

1. 実験の必要なコンポーネントを取得

  1. レーザー安全メガネを入手してレーザーの電源を入れる前にこの実験中に着用します。
  2. アルミ箔の一部を入手して 2 つ (約) 2 x 2 の正方形の部分にそれをカットするはさみを使用します。
  3. 2 段ボール、それぞれ約 3 x 3、穴 (直径約 1 インチ) を途中でカットを取得します。
  4. 厚紙や段ボールすることができます録音するブロックをクランプすることができますデバイスを取得します。
  5. いくつかの薄いかみそりの刃を入手します。
  6. 波長と He-ne レーザー ポインターを取得 〜 532 の波長 633 nm またはグリーン レーザー ポインター nm。

2. 単スリット回折

  1. アルミ箔の正方形を取り、かみそりの刃を使用して、スリット ホイルの真ん中に約 1 cm 長い。ストレート カットを取得するのにかみそりを導くために、ルーラーを使用します。
  2. (図 3 aに示す) オープン穴の内側水平方向にスリット入り段ボール広場に箔をテープします。箔のコーナーの周りのテープを置く (スリットをカバーして)。段ボールは、この実験中に箔を安定させるのに役立ちます。段ボールの 1 つの端をクランプ デバイス (段ボールがテーブルの表面に垂直にする必要があります)、穴と水平スリット (画面になる)、白い壁に直面して、約 30 cm 離れて。
  3. レーザー ポインターをオンにし、スリット上にレーザービーム (箔に垂直な方向に伝搬する) を当てます。箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。パターンのよりよい可視性のため室内灯の電源を切ります。

3. 二重スリット干渉

  1. その他のアルミ箔を取る。3 かみそりの刃を一緒にスタックが、中間のブレードとエッジの他の 2 つのブレードのエッジから凹んでいます。箔 (それぞれ約 1 cm 長い) の途中で 2 つの密接に間隔のスリットをカットするのにこのスタックを使用します。定規を使用してかみそりをガイドし、ストレート カット。
  2. (図 4 aに示す)、他の段ボールに箔のテープし、再び副またはブロック、2.2 の手順と同様に段ボールをサポートします。
  3. レーザー ポインターをオンにし、二重スリットにレーザービームを当てます。箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。パターンのよりよい可視性のため室内灯の電源を切ります。

干渉と回折波、光などの電磁波水波から特徴的な現象であります。

干渉は、大きいの結果として生じる波を生成する同じような重複の 2 つの波を下げると、現象または同じ振幅を指します。

回折は、障害物や開口部の角波の曲げとして定義されます。この場合、波の差分パーツが干渉でき大と小振幅の空間交替を生じさせる。

このビデオは回折と干渉パターンを観察することによって光の波の性質を示します。

波は、空間や時間でいくつかの物理量の振幅の振動です。干渉は、波に関連付けられている最も特徴的な現象の一つです。

波のさまざまな部分は、重複し、「干渉」干渉パターンと呼ばれる、強い、弱い波振幅の空間交替を生成することができます。干渉波の振幅を追加、建設的な干渉と呼ばれます一方、その振幅は互いから減算、破壊的な干渉が呼び出されます。

今、波長 lamda のライト、照らされて単一の細長いスリット、大小交互のスリットから遠く離れた強度またはゼロに近い値は、「明るい」と「暗い」の地域として知られている「フリンジ」に対応します。このパターンの中心は常に明るく、スリットの y 軸に沿って。

この交替は、小さな開口部を通る光の「回折パターン」と呼ばれます。それは波の特徴的な現象です。具体的には、ポイント絞り値の 2 つのエッジ間再「生成」、または他の言葉で別の方向に向かって光の波を「回折」.

回折光の波のさまざまな部分間の干渉は、回折パターンの形成に結果します。

2 つの密接に間隔をあけられたスリットの場合、形成されたパターンは両方のスリットによる回折光の干渉によるものです「ヤングの二重スリット干渉パターン」として有名な知られています。次のプロトコルは、単一スリットと二重スリット実験をセットアップし、その結果を解釈する方法を示します。

必要な材料と波長を持つヘリウム ネオン レーザー ポインターを含む実験機器を収集 〜 633 nm 半導体、薄いいくつかのかみそりの刃、アルミ箔、段ボール、定規、はさみ、木およびレーザーの安全性のブロックのゴーグルします。

2 約 2 インチによって 2 インチの正方形の部分にアルミ箔を切るはさみのペアを使用しています。また、約 1 インチ直径で、中心の穴に 2 つ約 3 インチ、3 インチの正方形の部分にダン ボールをカットします。

次に、アルミ箔を一枚掛けて、かみそりの刃を使用して、直線スリットを切り、ホイルの真ん中に 1 センチくらい長い。1 つの段ボールに箔のテープのスリット穴の内側します。

今、木製のブロックに段ボールの一方の端をテープ、スリットから約 30 センチの白い壁をスライドさせます。段ボールはテーブルの表面に垂直な穴と垂直スリットが公開されていることを確認し、壁に直面しています。

同時に、レーザー光がテーブルに平行になるマウントされた段ボールの反対側にレーザー ポインターを配置します。今レーザー安全ゴーグルを着用、レーザー ポインターをオンに、スリット上にレーザービームを当てます。

室内灯の電源を切り、箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。レーザー ポインターを切り、レーザー安全メガネを削除します。

次に、その中間のブレードが凹んで 3 かみそりの刃をスタックします。その他のアルミ箔を取り、2 つの密接に間隔をあけられたまっすぐ平行スリットを切るかみそりの刃と定規のスタックを使用して箔の真ん中に 1 センチくらい長い。今他の段ボールに箔をテープし、木製ブロックの上にテープします。

レーザー安全ゴーグルを着用、レーザー ポインターをオンに、二重スリットにレーザービームを当てます。室内灯の電源を切り、箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。最後に、レーザー ポインターをオフにします。

完成品プロトコルと私たち今単一スリット、二重スリット実験の結果を確認します。単一スリット実験、観察壁に光のパターンは、特徴的な回折縞を表わします。中央の明るいフリンジは、すべて同じ幅の周りは他の明るい縞幅、y 方向の約 2 倍。

さらに、y 軸に沿った周辺のフリンジに離れた明るい縞崩壊輝度。これは、レーザーから平行な光線スリットで曲げるし、明るい縞の形成と破壊間に暗い帯を形成、建設的に重なって、単一スリット回折パターンの予想されます。

二重スリットの実験では、壁に光のパターンは特徴的な干渉縞を展示します。

これらの干渉縞は、回折パターンの明るい領域よりもはるかに狭くなります。これは間のスリットの分離を持っていたので ' はスリット幅よりもはるかに大きい '' とそれ干渉縞の幅をコントロール間スリット分離の逆数であります。しかし、それは回折縞の幅を制御する ' スリット幅の逆数です。

光の干渉と回折光が電磁波であることを確立することに重要な役割を果たしました。したがって、これらの効果は、光学及びフォトニクスに基づくさまざまな技術の重要です。

レーザー回折分光、ナノメートルからサイズ - 粒子の幾何学的寸法を素早く測定するミリメートルに至るまで - 任意のオブジェクトを介して渡されるレーザー光の回折を利用した技術です。

レーザー光の釣りを検出するセンサーを使用し、コンピューターを使用して、作り出される光のエネルギーとそのレイアウトからオブジェクトの粒子サイズを検出します。

干渉は、距離、微小変位や屈折率変化、表面の凹凸の正確な測定のための重ね合わせと波の干渉を使用する手法です。

ここで同じ周波数が異なるパスの長さの 2 つの波が干渉、干渉パターンの結果します。このパターンは、未知パラメーターの精密測定に使用できます。干渉のこれと同じ手法は、LIGO や重力波を検出するために建てられた巨大な検出器であるレーザー干渉計重力波観測所で使用されます。

ちょうど光の回折と干渉するゼウスの導入を見た。単一スリットと二重スリット実験を使用して示された回折と干渉光のパターンの形成の背後にある理論を理解することができます。見てくれてありがとう!

Results

ステップ 2.3、壁に観察することができる代表的な光のパターンが表示されます図 3 bで特徴的な回折縞を出展します。中央の明るいフリンジの幅の約 2 倍であることに注意してください ( y-方向) (ほぼ同じ幅である) 他の明るい縞として、 yに沿って中心から明るい縞崩壊輝度-軸、単スリット回折パターンどおり。

ステップ 3.3、図 4 bで壁に観察することができる代表的な光のパターンが表示されます。手順 2.3 回折パターンに似た全体的な強度変調パターンがあります。これは確かにそれぞれの狭いスリットによる回折パターンです。回折パターンの明るい領域、内 1 つはおよそ均等に間隔をあけられた鮮やかなストライプを観察できます。これらは、二重スリット干渉縞です。これらの干渉縞は、間スリット分離dは、スリット幅 (これらの長さの逆数は、回折や干渉縞の幅をそれぞれ制御) よりもはるかに大きいため回折パターンの明るい領域よりもはるかに狭くなります。

Figure 3

図 3.図: 侮; と段ボールに固定されているアルミ箔の単一スリット () レーザー光輝く(b) 代表的な回折縞がスリット後画面で観察.Figure 4

図 4 。図: () レーザーのビームを侮; と段ボールに固定されているアルミ箔の 2重スリットの上で輝いて二重スリット後画面上 (b) 代表的な干渉縞が観察されました。

Applications and Summary

この実験ではレーザー光を用いた単一スリット回折パターンと光の二重スリット干渉パターン実証も我々。これらの特徴的な波動現象を観察、光の波の性質を示しています。

光の干渉と回折は、光が電磁波であることを確立を助けた、光学系の開発で重要な役割を果たした。これらの効果はまた光学及びフォトニクスに基づくさまざまな技術の重要です。たとえば、小さなオブジェクトまたは小さな穴のサイズを測定する回折を用いありも際に考慮すべき重要な面光学顕微鏡の設計画像処理システム。(いわゆる「干渉」) 光の干渉の測定は (光源や鏡の間など) の距離の精密測定に使用できます、加工、地質学、天文学 (重力波を検出 LIGO プロジェクトなど) からアプリケーションを発見しました。

実験の著者は、材料準備のためゲイリー ハドソンとビデオの手順を示すため Chuanhsun Li の支援を認めています。

1. 実験の必要なコンポーネントを取得

  1. レーザー安全メガネを入手してレーザーの電源を入れる前にこの実験中に着用します。
  2. アルミ箔の一部を入手して 2 つ (約) 2 x 2 の正方形の部分にそれをカットするはさみを使用します。
  3. 2 段ボール、それぞれ約 3 x 3、穴 (直径約 1 インチ) を途中でカットを取得します。
  4. 厚紙や段ボールすることができます録音するブロックをクランプすることができますデバイスを取得します。
  5. いくつかの薄いかみそりの刃を入手します。
  6. 波長と He-ne レーザー ポインターを取得 〜 532 の波長 633 nm またはグリーン レーザー ポインター nm。

2. 単スリット回折

  1. アルミ箔の正方形を取り、かみそりの刃を使用して、スリット ホイルの真ん中に約 1 cm 長い。ストレート カットを取得するのにかみそりを導くために、ルーラーを使用します。
  2. (図 3 aに示す) オープン穴の内側水平方向にスリット入り段ボール広場に箔をテープします。箔のコーナーの周りのテープを置く (スリットをカバーして)。段ボールは、この実験中に箔を安定させるのに役立ちます。段ボールの 1 つの端をクランプ デバイス (段ボールがテーブルの表面に垂直にする必要があります)、穴と水平スリット (画面になる)、白い壁に直面して、約 30 cm 離れて。
  3. レーザー ポインターをオンにし、スリット上にレーザービーム (箔に垂直な方向に伝搬する) を当てます。箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。パターンのよりよい可視性のため室内灯の電源を切ります。

3. 二重スリット干渉

  1. その他のアルミ箔を取る。3 かみそりの刃を一緒にスタックが、中間のブレードとエッジの他の 2 つのブレードのエッジから凹んでいます。箔 (それぞれ約 1 cm 長い) の途中で 2 つの密接に間隔のスリットをカットするのにこのスタックを使用します。定規を使用してかみそりをガイドし、ストレート カット。
  2. (図 4 aに示す)、他の段ボールに箔のテープし、再び副またはブロック、2.2 の手順と同様に段ボールをサポートします。
  3. レーザー ポインターをオンにし、二重スリットにレーザービームを当てます。箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。パターンのよりよい可視性のため室内灯の電源を切ります。

干渉と回折波、光などの電磁波水波から特徴的な現象であります。

干渉は、大きいの結果として生じる波を生成する同じような重複の 2 つの波を下げると、現象または同じ振幅を指します。

回折は、障害物や開口部の角波の曲げとして定義されます。この場合、波の差分パーツが干渉でき大と小振幅の空間交替を生じさせる。

このビデオは回折と干渉パターンを観察することによって光の波の性質を示します。

波は、空間や時間でいくつかの物理量の振幅の振動です。干渉は、波に関連付けられている最も特徴的な現象の一つです。

波のさまざまな部分は、重複し、「干渉」干渉パターンと呼ばれる、強い、弱い波振幅の空間交替を生成することができます。干渉波の振幅を追加、建設的な干渉と呼ばれます一方、その振幅は互いから減算、破壊的な干渉が呼び出されます。

今、波長 lamda のライト、照らされて単一の細長いスリット、大小交互のスリットから遠く離れた強度またはゼロに近い値は、「明るい」と「暗い」の地域として知られている「フリンジ」に対応します。このパターンの中心は常に明るく、スリットの y 軸に沿って。

この交替は、小さな開口部を通る光の「回折パターン」と呼ばれます。それは波の特徴的な現象です。具体的には、ポイント絞り値の 2 つのエッジ間再「生成」、または他の言葉で別の方向に向かって光の波を「回折」.

回折光の波のさまざまな部分間の干渉は、回折パターンの形成に結果します。

2 つの密接に間隔をあけられたスリットの場合、形成されたパターンは両方のスリットによる回折光の干渉によるものです「ヤングの二重スリット干渉パターン」として有名な知られています。次のプロトコルは、単一スリットと二重スリット実験をセットアップし、その結果を解釈する方法を示します。

必要な材料と波長を持つヘリウム ネオン レーザー ポインターを含む実験機器を収集 〜 633 nm 半導体、薄いいくつかのかみそりの刃、アルミ箔、段ボール、定規、はさみ、木およびレーザーの安全性のブロックのゴーグルします。

2 約 2 インチによって 2 インチの正方形の部分にアルミ箔を切るはさみのペアを使用しています。また、約 1 インチ直径で、中心の穴に 2 つ約 3 インチ、3 インチの正方形の部分にダン ボールをカットします。

次に、アルミ箔を一枚掛けて、かみそりの刃を使用して、直線スリットを切り、ホイルの真ん中に 1 センチくらい長い。1 つの段ボールに箔のテープのスリット穴の内側します。

今、木製のブロックに段ボールの一方の端をテープ、スリットから約 30 センチの白い壁をスライドさせます。段ボールはテーブルの表面に垂直な穴と垂直スリットが公開されていることを確認し、壁に直面しています。

同時に、レーザー光がテーブルに平行になるマウントされた段ボールの反対側にレーザー ポインターを配置します。今レーザー安全ゴーグルを着用、レーザー ポインターをオンに、スリット上にレーザービームを当てます。

室内灯の電源を切り、箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。レーザー ポインターを切り、レーザー安全メガネを削除します。

次に、その中間のブレードが凹んで 3 かみそりの刃をスタックします。その他のアルミ箔を取り、2 つの密接に間隔をあけられたまっすぐ平行スリットを切るかみそりの刃と定規のスタックを使用して箔の真ん中に 1 センチくらい長い。今他の段ボールに箔をテープし、木製ブロックの上にテープします。

レーザー安全ゴーグルを着用、レーザー ポインターをオンに、二重スリットにレーザービームを当てます。室内灯の電源を切り、箔の反対側の壁に光のパターンを観察します。最後に、レーザー ポインターをオフにします。

完成品プロトコルと私たち今単一スリット、二重スリット実験の結果を確認します。単一スリット実験、観察壁に光のパターンは、特徴的な回折縞を表わします。中央の明るいフリンジは、すべて同じ幅の周りは他の明るい縞幅、y 方向の約 2 倍。

さらに、y 軸に沿った周辺のフリンジに離れた明るい縞崩壊輝度。これは、レーザーから平行な光線スリットで曲げるし、明るい縞の形成と破壊間に暗い帯を形成、建設的に重なって、単一スリット回折パターンの予想されます。

二重スリットの実験では、壁に光のパターンは特徴的な干渉縞を展示します。

これらの干渉縞は、回折パターンの明るい領域よりもはるかに狭くなります。これは間のスリットの分離を持っていたので ' はスリット幅よりもはるかに大きい '' とそれ干渉縞の幅をコントロール間スリット分離の逆数であります。しかし、それは回折縞の幅を制御する ' スリット幅の逆数です。

光の干渉と回折光が電磁波であることを確立することに重要な役割を果たしました。したがって、これらの効果は、光学及びフォトニクスに基づくさまざまな技術の重要です。

レーザー回折分光、ナノメートルからサイズ - 粒子の幾何学的寸法を素早く測定するミリメートルに至るまで - 任意のオブジェクトを介して渡されるレーザー光の回折を利用した技術です。

レーザー光の釣りを検出するセンサーを使用し、コンピューターを使用して、作り出される光のエネルギーとそのレイアウトからオブジェクトの粒子サイズを検出します。

干渉は、距離、微小変位や屈折率変化、表面の凹凸の正確な測定のための重ね合わせと波の干渉を使用する手法です。

ここで同じ周波数が異なるパスの長さの 2 つの波が干渉、干渉パターンの結果します。このパターンは、未知パラメーターの精密測定に使用できます。干渉のこれと同じ手法は、LIGO や重力波を検出するために建てられた巨大な検出器であるレーザー干渉計重力波観測所で使用されます。

ちょうど光の回折と干渉するゼウスの導入を見た。単一スリットと二重スリット実験を使用して示された回折と干渉光のパターンの形成の背後にある理論を理解することができます。見てくれてありがとう!

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