A „kétréses” kísérlet Young eredeti receptje szerint

Kevéssé ismert tény, hogy az eredeti, klasszikussá vált „kétréses” kísérletben – mely megmutatta, hogy a fény elhajlítható, s ezzel bebizonyította a fény hullámtermészetét – szó sem volt két résről. (Az „igazi” kétréses módszer Flash szimulációját itt találjuk az Asimov Tékában.) Az első kísérlet ennél sokkal egyszerűbben ment. Olyannyira, hogy még a fizikaórán is reprodukálható. És ami még fontosabb: a készülék fő alkatrészét a saját szemükkel láthatják a diákok, ellentétben a hagyományos demonstrációhoz használt berendezésekével, mely egy üveglapra felvitt szénrétegen ejtett karcolásokból áll.

„A kísérleteket, melyeket most ismertetni kívánok Önöknek ... felettébb könnyű elvégezni, amikor csak süt a nap, és semmi olyan berendezést nem igényelnek, ami ne lenne bárhol hozzáférhető.”

Ezekkel a szavakkal vezette be Thomas Young azt az előadását, melyet 1803. november 24-én mondott el a Londoni Királyi Társaság (Royal Society of London) előtt a ma már a fizika kultúrtörténetéhez tartozó kísérleteiről. Hallgatóságát olyan tekintélyes tudósok alkottát, akik valamennyien osztották Isaac Newton meggyőződését, miszerint a fény parányi lövedékszerű részecskékből áll, hiszen a fény minden megfigyelés szerint (legalábbis Newton úgy vélte) egyenes sugárban halad, ellentétben a fodrozódó terjedési móddal, amit Christian Huygens a hullámmozgással kapcsolt össze.

„... A legelfogultabbak sem tagadhatják majd ezek után,” – ingerelte Young a szkeptikus közönséget – „hogy a [megfigyelt] mintázatot a fény két részének interferenciája okozta.”

Előadását egy évvel később a Philosophical Transactions¹ közölte. Young cikke. mely mára klasszikussá vált – újra és újra kinyomtatják² és olvassák –, sziporkázó stílusban számol be a döntő bizonyítékokról, melyek első ízben mutatták meg kristálytisztán, hogy a fénynek hullámtermészete van.

Ez az első fényinterferencia-kísérlet olyan módszeren alapult, mely lényegében ugyanazt az eredményt hozta, mint a kétrésesek. A kétréses kísérletek azonban időrendileg későbbiek voltak. Young első kísérletei valóban olyan egyszerűek voltak, ahogy állította. Olyannyira egyszerűek, hogy az osztályteremben is reprodukálni lehet őket. A berendezés olyan diffrakciós elemet tartalmaz, amit bármelyik diák el tud készíteni, és amelynek méretei szemmel láthatók és könnyedén megmérhetők.

Mégis, talán az a legnagyobb vonzereje az egésznek, hogy a dolog igazi. Minden úgy megy, ahogy Young eredetileg csinálta.

Tantermi kísérletként, ill. demonstrációként autentikus reprodukcióról van szó, újrajátszásáról annak a nagyszerű tudománytörténeti pillanatnak, amikor egy egyszerű és átlátható kísérlet hirtelen tagadhatatlanná teszi a tényt, hogy a fény hullám módjára viselkedik. Young előadói stílusa a Királyi Társaság előtt annyira eleven és provokatív, és mégis annyira elbűvölő, emberi voltában annyira megnyerő azok számára is, akik korántsem álltak készen az új nézet befogadására, hogy az embert arra csábítja, hogy a demonstrációt a cikk egyes részeinek hangos felolvasásával kísérje.

A kísérlet leírása

Young egy kb. 1/30" (0,85 mm) vastagságú „kártyaszelet” segítségével kettéosztott egy keskeny napfénynyalábot. A kartoncscsíkot élével állította a napsugár útjába, melyet egy tükör segítségével vízszintesen irányított be az előadói terembe az ablakspaletta egy parányi lyukán keresztül. A napsugárnyaláb átmérője valamivel nagyobb volt a kártyáénál. A megfelelően helyére igazított kártya a nyalábot két résznyalábra hasította, melyek a kártyacsík ellentétes oldalai mentén haladtak (1. ábra).

Noha nem lehetetlen a spalettás/tükrös eredeti elrendezés reprodukálása, a tanárok többsége nyilván szívesen megszabadulna az aggodalomtól, hogy vajon lesz-e odakint napsütés, amikor a demonstrációra sor kerül az órán. Ráadásul, ha a tanterem az emeleten van, nehezen oldható meg, hogy az asszisztense kintről, az ablak elől igazgassa a napsugarat terelő tükröt. Szerencsére, ha a vetítési távolság tanteremnyi, jól kivehető interferenciamintázatot kapunk, könnyen megmérhető maximumközökkel (2. ábra), ha napfény helyett egy olyan olcsó hélium-neon lézert használunk, mint a 3. ábrán látható 5 mW-os modell.

A lézerfény használata elsősorban a nyaláb jó összetartása miatt előnyös, de oktatási szempontból az sem mellékes, hogy a lézerfény monokromatikus, és így elkerülhető a színszórás (diszperzió) által okozott bonyodalom, melynek taglalására esetleg még nem is került sor a fizikaórán.

A hasított fénynyalábot az elsötétített teremben egy ernyőre (vetítővászonra, fehér falra) vetítjük, ugyanúgy, ahogy Young tette 1803-ban, kivéve, hogy mi lézerfényt használunk napfény helyett. Vágjunk le egy 2 mm széles csíkot egy közönséges játékkártyából. A hossza akkora legyen, hogy élére állítva fel lehessen ragasztani egy 35 mm-es üres diakeretre, melyet pl. egy krokodilcsipeszes állvánnyal tarthatunk a lézer elé, ahogy a 3. ábra mutatja. De az is megfelel, ha a diakeretet egy fakocka tetejére ragasztjuk élére állítva, hogy kényelmesen lehessen mozgatni ide-oda a lézer előtt.

A szokásos játékkártyák kb. 0,2 mm vastagságúak, vagyis vékonyabbak, mint Young kartonja, ezért az interferenciamintázat maximumai távolabb helyezkednek el egymástól, mint az eredeti kísérletben, de ez előnyös is, mert a diákok jobban látják.

A nyalábátmérőt úgy kell beállítani, hogy csak egy kicsivel legyen szélesebb, mint amilyen vastag a kártya. Ehhez egy megfelelő átmérőjű lyukkal ellátott fekete papírt kell erősíteni a lézernyílás elé. Lyukasztóként megteszi egy közönséges gombostű is.

Általában elég könnyű eltalálni azt a kártyahelyzetet, hogy éppen úgy hasítsa ketté a nyalábot, ahogyan kell. Mindenesetre addig kell ide-oda mozgatni-forgatni, amíg pontosan élével nem áll a nyaláb tengelyében.

A kísérlet nemcsak arra jó, hogy az interferenciát demonstráljuk vele, de a lézerfény hozzávetőleges hullámhosszát is meghatározhatjuk a segítségével. A kapott értéket aztán összehasonlíthatjuk a névleges értékkel (ami a HeNe lézer esetében 633 nm).

A kritikus méréseket speciális eszközök nélkül is elvégezhetik a diákok. Például a kártyavastagságot nem kell okvetlenül egyenként (tolómérővel vagy mikrométerrel) mérni. Megmérhetjük egy 100 lapos „pakli” vastagságát is vonalzóval. s a paklivastagságot 100-zal elosztva máris megvan a kártyavastagság.

Kérjünk meg egy diákot arra, hogy mérje meg az ernyőn a szomszédos fénymaximumok közti távolságot. A (radiánban mért) diffrakciós szögkülönbség két szomszédos maximum között egyenlő az ernyőn mért maximumtávolság osztva a lézer és az ernyő közötti távolsággal. Az utóbbit egy másik diák könnyen megmérheti pl. egy mérőszalaggal.

A hullámhosszat a kétrés egyenletből számolhatjuk ki. Az imént kiszámolt θ szög ugyanis kb. egyenlő a λ hullámhossz és a d réstávolság hányadosával. A réstávolság a jelen esetben nagyjából a kártyavastagságnak felel meg. Ez az egyszerű mérés és számítás rendszerint ±10%-on belüli hibahatáron belül reprodukálja a lézer névleges hullámhosszát.

A diákok többségét lenyűgözi a kísérlet, hiszen olyan parányi hossz meghatározását végezhették el ők maguk, amely csak pár száz nanométernyit tesz ki, és olyan, számukra absztrakt dologra vonatkozóan, mint a fényhullám.

HIVATKOZÁSOK (angolul)
1. Thomas Young, Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, "Philosophical Transactions of the Royal Society of London", vol 94 (1804)
2. The Young article (Ref. 1) is reprinted in Morris Shamos, ed., "Great Experiments in Physics" p96-101, Holt Reinhart and Winston, New York, 1959.

Return to FREE DOWNLOADS home page.
Return to the Web site home page.

Vissza Nagy Sándor honlapjára. Releváns |tIt| kínálat: Asimov Téka

Látogatószám 2013.05.30. óta:

free counter