Youngs dubbelspaltexperiment

1801 genomförde Thomas Young^* det så kallade dubbelspaltexperimentet som visar ljusets vågnatur. Detta gav stöd till Huygens vågteori för ljuset till skillnad från Newtons korpuskelteori. Det skulle dröja till 1905 innan Albert Einstein visade att även Newton hade rätt om ljusets partikelnatur. Einstein förklarade den fotoelektriska effekten genom att betrakta ljuset som kvantiserade energipaket - fotoner. Den gängse bilden idag är den så kallade våg-partikel dualiteten. Beroende på vilket experiment man utför så beter sig fotoner och andra partiklar (t ex elektroner och neutroner) som antingen vågor eller partiklar.

Våglängden L för en partikel med impulsen p ges enligt De Broglies formel av L=h/p där h är Plancks konstant. För en ickerelativistisk partikel är p=mv där m är massan och v hastigheten medan för en masslös partikel som fotonen är p=E/c där E är energin och c ljushastigheten.

Nedan finns ett program som kan användas för att studera vågnaturen hos fotoner (ljuskvanta), elektroner och neutroner. De fenomen du kan studera är diffraktion och interferens, dvs hur vågor sprids då de passerar genom en smal spalt respektive flera spalter. Programmet ger också en möjlighet att studera de kvantmekaniska konsekvenserna av att observera vilken spalt som partikeln passerar genom.

Programmet har följande funktioner:

Val av källa (fotoner, elektroner eller neutroner).
Val av våglängd L (i Ångström) för fotoner respektive rörelseenergi K (i elektronvolt) för elektroner och neutroner.
Val av spalt: antal N, bredd b (i Ångström) och avstånd d (i multiplar av bredden). Höjden på spalten antas vara så stor att interferens/diffraktionsmönstret ej påverkas. (Som framgår av figuren är spalterna kant i kant med varandra om d=1)
Start/stopp knapp för upptagning av spektrum.
På/av knapp för att detektera vilken spalt partikeln passerar genom.
Val av hur lång paus (i millisekunder) som görs mellan varje foton/elektron/neutron vid upptagning av spektrum.

Resultatet visas på tre skärmar placerade 5 m från spalten. (Här finns en skiss på experimentuppställningen.) Skalan på skärmen är i centimeter, dvs skärmarna är 40 cm breda. För fotoner så ges färgen på skärmen av våglängden.

Den översta skärmen visar det teoretiska spektrat.
Den mellersta skärmen visar ett histogram som växer fram när skärmen bestrålas (vid behov normeras histogrammet om så att det får plats på skärmen).
Den nedersta skärmen visar positionen där fotonen/elektronen/neutronen träffar.

Att tänka på:

Hur varierar interferens/diffraktionsmönstret då våglängden (energin) respektive spaltbredden ändras?
Hur påverkas interferensmönstret av antalet spalter respektive spaltavståndet?
Vid vilken vinkel har diffraktionsmönstret sitt första minimum (räknat från mitten)?
Hur kan man utifrån interferens/diffraktionsmönstret avläsa kvoten mellan spaltavståndet och spaltbredden?
Studera hur interferens/diffraktionsmönstret växer fram med lång paus mellan varje foton/elektron/neutron. Hur lång tid tar det innan man kan avgöra antal spalter utifrån mönstret?
Hur ser interferensmönstret ut då spaltavståndet är 1? Vad händer då antalet spalter ökas? (Jämför interferensmönstret från 100 spalter med spaltavstånd 1 och spaltbredd=våglängden med diffraktionsmönstret från en spalt med spaltbredden 100 gånger våglängden.)
Är det någon principiell skillnad mellan interferens/diffraktionsmönstret för fotoner och elektroner/neutroner?
Varför varierar inte våglängden linjärt med rörelseenergin för elektroner och neutroner?
Varför försvinner interferensmönstret om man observerar vilken spalt som fotonen/elektronen/neutronen passerar igenom?
Tips. För att kunna studera enbart interferens och inte diffraktion kan man åstadkomma punktformiga ljuskällor genom att sätta spaltbredden lika stor som våglängden.

Javakommentarer:

På vissa plattformar kan texten och knapparna försvinna vid upptagning av spektrum. Detta beror antagligen på att datorn är överbelastad vilket kan avhjälpas genom att öka pausen. För att få programmet att rita upp texten och knapparna igen så räcker det att "scrolla" sidan upp och ner eller ändra storleken på nätbläddrarens fönster.
Utskriftsknappen fungerar bara om man kör programmet i en "Appletviewer". (Om din nätbläddrare stöder Java 1.1 så kan du skriva ut programmet från någon av menyerna i nätbläddraren)

Egna experiment

Om du har tillgång till en laserpekare kan du lätt göra dina egna experiment om interferens och diffraktion.

Material

Förutom en laserpekare behöver du till exempel en kam, en pappskiva, en knappnål och ett par klädnypor. Dessutom behövs ett mörkt rum med ett bord och en skärm (det går också bra med en ljus vägg eller dörr).

Försöksuppställning

Placera bordet i ena änden av rummet och skärmen i den andra.
Gör några små hål i pappskivan med knappnålen. (Gärna flera med olika storlek.)
Placera objektet som ska studeras (pappskivan med hål, kammen eller knappnålen) vid den kant av bordet som är närmast skärmen. (Med hjälp av en eller två klädnypor kan man få pappskivan/kammen/knappnålen att stå upp.)
Lägg laserpekaren på bordet ca 10 cm från objektet som ska studeras och justera i höjdled så att den belyser både objektet och skärmen.
Tejpa fast knappen på laserpekaren så att den lyser hela tiden och lägg sedan tillbaka den på bordet. (Om man lägger ett mynt emellan går det ofta lättare.) Obs! Tänk på att laserpekaren måste hanteras med yttersta försiktighet så att ingen skadar sina ögon.

Genomförande

studera diffraktionsmönstret från ett hål i pappskivan. Hur beror mönstret av hålets diameter?
studera interferensmönstret från kammen. Hur beror mönstret av avståndet mellan kammens "tänder"?
studera diffraktionsmönstret från knappnålen. Hur varierar mönstret då man lyser på spetsen, mitten eller knappnålshuvudet? (Prova gärna med knappnålar med olika stora knappnålshuvuden.) Hur långt åt sidan kan man se det spridda ljuset?

^* Thomas Young (1773-1829) var en brittisk läkare och fysiker. 1828 invaldes han som utländsk ledamot av svenska vetenskapsakademin.