FIZIKA Youngov poskus z belo svetlobo nU NU Andrej Likar Pri razmišljanju o interferenci svetlobe ne moremo mimo Youngovega poskusa. Danes ga z lahkoto pokažemo z lasersko svetlobo, v preteklosti pa poskus še zdaleč ni bil preprost. Obstaja celo dvom, da ga je Young sploh izvedel v napogosteje nevedeni inačici, kot je prikazana na sliki 1. Tu potrebujemo svetilo, ki oddaja monokromatično svetlobo. Svetilo zastremo z zaslonom Z1 in skozi drobno navpično režo osvetlimo oddaljen zaslon Z2 z dvema prav tako navpičnima, a tesno blizu zarezanima režama. Na oddaljenem zaslonu Z vidimo navpične interferenčne proge, neizpodbiten dokaz, da je svetloba valovanje. SLIKA 1. Postavitev Youngovega poskusa. Reži in valovna dolžina so zaradi preglednosti močno povečani. Ta poskus je preprost le v mislih. Zares je njegova postavitev zahtevna. Najprej je potrebno imeti dovolj svetlo drobno monokromatično svetilo. Ce odmislimo laser, takih svetil ni, približamo se jim z močnim belim svetilom s filtrom, ki prepušča svetlobo v ozkem pasu valovnih dolžin. Thomas Young in Augustin Jean Fresnel, ki sta v prvi polovici 19. stoletja prva izvajala take poskuse, sta uporabljala svetlobo Sonca, ki sta jo z zrcali in drobnimi lečami skozi majhne luknjice ali zareze ustrezno usmerila. Nadaljnji izziv je izdelava dovolj ozkih rež, ki sta dovolj tesno druga ob drugi. Ne smemo pozabiti, da je valovna dolžina vidne svetlobe za naše izkušnje zelo majhna, v obmocju pod enim mikrometrom. Reži sta lahko narazen za nekaj desetink milimetra, njuna širina pa le eno do dve desetinki milimetra. Širini in razmak med režama so torej kar štiri velikostne stopnje manjši od razdalje med zasloni, ki so v obmocju metrov. Prav ta metrska razdalja med zasloni pa zelo zmanjša kolicino svetlobe, ki pade na zaslon z režama in koncno na zaslon, kjer opazujemo interfe-rencne proge. Te so še v popolni temi komaj vidne. Young je opazoval interferencne proge v beli svetlobi Sonca, zato so bile obarvane. Pa postavimo Youngov poskus z belo svetlobo. Najbolje bi se odrezali, ce bi znali eksperimentirati s svetlobo Sonca. Ker tega ne znamo, bomo morali nekoliko spremeniti sam poskus. Namesto oddaljenega zaslona Z, kjer opazujemo interferencno sliko, bomo uporabili kar oko ali fotografski aparat. Tako se izognemo veliki razdalji med režama v zaslonu Z2 ter zaslonom Z in zato komaj opaznim interferencnim progam. Oko namrec prislonimo tik ob reži in gledamo skoznju na kak meter oddaljen zaslon Z1 z ozko režo, ki jo z druge strani osvetljuje žarnica. Interfrenecne proge so na tak nacin jasno vidne, tudi fotografiramo jih brez težav (glej sliko 2 in sliko 3). Oddaljeni zaslon Z smo torej nadomestili z mrežnico ocesa, ki je zelo obcu-tljiva in s katero zato dobro zaznavamo šibko svetlobo iz rež. Kako narediti reži, ki bosta dovolj ozki in cim bliže druga drugi? Navodil je kar nekaj. Nekateri priporo-cajo tanko aluminijevo folijo, v katero s šivanko naredimo dve kar se da bližnji luknjici. Spet drugi pri-porocajo, da po s sajami zatemnjeni šipi potegnemo s tesno stisnjenima ostrima britvicama. Ker je debelina britvice 80 ¡m, sta nastali reži prav toliko narazen. Nam sta se najbolje posrecili reži z lasom in dvema britvicama. Na lesen okvircek smo napeli las PRESEK 44 (2016/2017) 6 11 FIZIKA SLIKA 2. Posneta interferencna slika dveh rež z belo svetlobo SLIKA 3. Močneje eksponirana slika, da se vidijo tudi barvne proge. z debelino 60 ¡m in ga pritrdil s kapljicama sekundnega lepila. Nato smo z obeh strani pazljivo prislonili britvici tako, da sta bili reži prav tako široki kot las (glej sliko 4). Tako je bila razdalja med režama 120 ¡m. Izdelava terja močnejšo lupo ali mikroskop z ne preveliko povečavo (« 10 krat). Tudi britvici smo pritrdili s kapljicami sekundnega lepila. proge pa so zelo izrazite in jih težko zgrešiti. To je bilo Youngu v prid, saj je kljub težavnemu poskusu proge lahko opazil. Pri svojem prvotnem poskusu ni uporabil rež pač pa tanko (malo manj kot 1 mm) kartico, ki jo je postavil v ozek curek Sonceve svetlobe, in opazoval njeno senco na oddaljenem zaslonu. Valovne narave svetlobe pa kljub poskusom niso sprejeli še nekaj desetletij, vse do tedaj, ko je Fresnel ponovil nekatere Youngove poskuse in na novo prikazal interferencne poskuse z zrcali in na okrogli in ravni oviri ter matematicno podprl izide poskusov. Na sliki 5 je izracunana in barvno predstavljena interferencna slika dveh zelo drobnih rež na oddaljenosti 120 ¡m z belo svetlobo. Podobnost s posneto sliko je kar dobra, ce se zavemo koncne širine pravih rež. Uklonska slika ene same reže (glej sliki 6 in 7) pa ni barvno izrazita in zato njeno opazovanje za Younga ni bilo kaj prida navdihujoce. SLIKA 5. Izračunana interferencna slika dveh zelo ozkih rež v beli svetlobi SLIKA 4. Izdelani reži pri našem poskusu Z belo svetlobo interferencnih prog ni prav veliko. Jasno pa sta vidni skoraj povsem temni progi med tremi belimi. Ostale proge so že obarvane in hitro ugašajo zaradi kar velike širine rež v primeri z valovni dolžino svetlobe. Prav ti dve temni in tri bele Omenili smo, da je prikaz Youngovega poskusa z lasersko svetobo zelo preprost: na reži posvetimo z laserskim kazalnikom in sredi belega dne vidimo na oddaljenem zaslonu izrazite interferencne proge. Ob tem se šele zavemo, kako neznansko mocno svetilo je laser v primeri z drugimi svetili, s katerimi je opazovanje interferencnih prog na zaslonu tudi v popolnoma zatemnjeni sobi skoraj nemogoce, še posebej, ce gre svetloba skozi barvni filter. Zelo ozek enobarvni curek svetlobe iz laserja se zelo malo razširja. Pri obicajnih svetilih dobimo tak curek le, ce usmerimo svetlobo iz zelo oddaljenega svetila skozi barvni filter in skozi drobne luknjice v zaslonu Z1, kar curek dodobra oslabi. Opazovanje interferenc-nih prog z lasersko svetlobo je na nacin, ki smo ga uporabili pri beli svetlobi iz žarnice, lahko usoden za oci - že pri opazovanju, ki traja le kakšno sekundo, si lahko pokvarimo vid, tudi ce uporabimo šibke laserske kazalnike. 12 PRESEK 44 (2016/2017) 6 12 FIZIKA SLIKA 6. Posneta interferencna slika ene reže v beli svetlobi Barvni sudoku -i' -i' -i' V 8 x 8 kvadratkov moraš vpisati začetna naravna števila od 1 do 8 tako, da bo v vsaki vrstici, v vsakem stolpcu in v kvadratkih iste barve (pravokotnikih 2 x 4) nastopalo vseh 8 števil. SLIKA 7. Izračunana interferencna slika ene reže v beli svetlobi 3 O □ m > a. < m > m SLIKA 8. Pogled skozi dve reži na nekoliko razprto kljunasto merilo _XXX * £ a 21 3 4 3 7 4 5 6 7 8 2 5 5 1 1 5 8 9 8 L 5 Z E 1 17 E 17 1 Z 8 L 9 5 L 9 E 17 L 5 8 2 Z S 8 7 L 6 17 E 5 Z 9 L E 4 7 8 L 3 4 8 S L Z 9 8 L S 9 17 Z 3 L 17 L 2 E 9 8 S L XXX PRESEK 44 (2016/2017) 6 13