Thomas Young’s Double Slit Experiment

Thomas Young’s Double Slit Experiment – Java Tutorial

Nel 1801, un fisico inglese chiamato Thomas Young eseguì un esperimento che dedusse fortemente la natura ondulatoria della luce. Poiché credeva che la luce fosse composta da onde, Young pensò che un qualche tipo di interazione si sarebbe verificata quando due onde luminose si incontravano. Questo tutorial interattivo esplora come le onde luminose coerenti interagiscono quando passano attraverso due fessure molto distanziate.

Il tutorial inizia con i raggi del sole che vengono fatti passare attraverso una singola fessura in uno schermo per produrre luce coerente. Questa luce viene poi proiettata su un altro schermo che ha due fessure gemelle (o doppie), che diffrange nuovamente l’illuminazione incidente al suo passaggio. I risultati dell’interferenza tra i fasci di luce diffratta possono essere visualizzati come distribuzioni di intensità luminosa sulla pellicola scura. Il cursore etichettato Distance Between Slits può essere utilizzato per variare la distanza tra le fenditure e produrre variazioni corrispondenti nei modelli di distribuzione dell’intensità di interferenza.

L’esperimento di Young si basava sull’ipotesi che se la luce fosse stata di natura ondulatoria, allora avrebbe dovuto comportarsi in modo simile alle increspature o alle onde su uno stagno d’acqua. Dove due onde d’acqua opposte si incontrano, dovrebbero reagire in un modo specifico per rafforzarsi o distruggersi a vicenda. Se le due onde sono al passo (le creste si incontrano), allora dovrebbero combinarsi per fare un’onda più grande. Al contrario, quando si incontrano due onde che sono fuori passo (la cresta di una incontra la depressione di un’altra), le onde dovrebbero annullarsi e produrre una superficie piatta in quella zona.

Per verificare la sua ipotesi, Young ha ideato un esperimento ingegnoso. Usando la luce del sole diffusa attraverso una piccola fenditura come fonte di illuminazione coerente, proiettò i raggi di luce emanati dalla fenditura su un altro schermo contenente due fenditure poste una accanto all’altra. La luce che passava attraverso le fessure era poi lasciata cadere su uno schermo. Young osservò che quando le fenditure erano grandi, distanziate e vicine allo schermo, allora sullo schermo si formavano due macchie di luce sovrapposte. Tuttavia, quando ridusse la dimensione delle fenditure e le avvicinò, la luce che passava attraverso le fenditure e sullo schermo produceva bande distinte di colore separate da regioni scure in ordine seriale. Young coniò il termine frange di interferenza per descrivere le bande e si rese conto che queste bande colorate potevano essere prodotte solo se la luce si comportava come un’onda.

La configurazione di base dell’esperimento della doppia fenditura è illustrata nella figura 1. La luce rossa filtrata derivata dalla luce del sole viene prima fatta passare attraverso una fenditura per ottenere uno stato coerente. Le onde luminose che escono dalla prima fenditura sono poi fatte incidere su una coppia di fenditure posizionate vicine su una seconda barriera. Uno schermo è posto nella regione dietro le fenditure per catturare i raggi di luce sovrapposti che sono passati attraverso le fenditure gemelle, e un modello di bande di interferenza rosso brillante e scuro diventa visibile sullo schermo. La chiave di questo tipo di esperimento è la coerenza reciproca tra le onde luminose diffratte dalle due fenditure alla barriera. Sebbene Young abbia ottenuto questa coerenza attraverso la diffrazione della luce del sole dalla prima fenditura, qualsiasi fonte di luce coerente (come un laser) può essere sostituita alla luce che passa attraverso la singola fenditura.

Il fronte d’onda coerente della luce che impatta sulle due fenditure gemelle si divide in due nuovi fronti d’onda che sono perfettamente al passo tra loro. Le onde luminose provenienti da ciascuna delle fenditure devono percorrere una distanza uguale per raggiungere il punto A sullo schermo illustrato nella figura 1, e dovrebbero raggiungere quel punto ancora in passo o con lo stesso spostamento di fase. Poiché le due onde che raggiungono il punto A possiedono i requisiti necessari per l’interferenza costruttiva, esse dovrebbero sommarsi per produrre una frangia di interferenza rosso vivo sullo schermo.

Al contrario, nessuno dei punti B sullo schermo è posizionato in modo equidistante dalle due fenditure, quindi la luce deve percorrere una distanza maggiore da una fenditura per raggiungere il punto B che dall’altra. L’onda che proviene dalla fenditura più vicina al punto B (prendiamo ad esempio la fenditura e il punto B sul lato sinistro della figura 1) non deve percorrere tanta strada per raggiungere la sua destinazione quanto un’onda che viaggia dall’altra fenditura. Di conseguenza, l’onda proveniente dalla fenditura più vicina dovrebbe arrivare al punto B leggermente prima dell’onda proveniente dalla fenditura più lontana. Poiché queste onde non arriveranno al punto B in fase (o al passo tra loro), subiranno un’interferenza distruttiva per produrre una regione scura (frangia di interferenza sullo schermo. Le frange di interferenza non sono limitate agli esperimenti con la configurazione della doppia fenditura, ma possono essere prodotte da qualsiasi evento che abbia come risultato la scissione della luce in onde che possono essere annullate o sommate insieme.

Il successo dell’esperimento di Young fu una forte testimonianza a favore della teoria delle onde, ma non fu immediatamente accettato dai suoi colleghi. Gli eventi in atto dietro fenomeni come l’arcobaleno di colori osservato nelle bolle di sapone e gli anelli di Newton (di cui si parlerà più avanti), sebbene spiegati da questo lavoro, non erano immediatamente ovvi a quegli scienziati che credevano fermamente che la luce si propagasse come un flusso di particelle. Altri tipi di esperimenti furono ideati e condotti in seguito per dimostrare la natura ondulatoria della luce e gli effetti di interferenza. I più notevoli sono l’esperimento dello specchio singolo di Humphrey Lloyd e gli esperimenti del doppio specchio e del bi-prisma ideati da Augustin Fresnel per la luce polarizzata in cristalli monoassiali e birifrangenti. Fresnel concluse che l’interferenza tra fasci di luce polarizzata può essere ottenuta solo con fasci aventi la stessa direzione di polarizzazione. In effetti, le onde luminose polarizzate che hanno le loro direzioni di vibrazione orientate parallelamente possono combinarsi per produrre interferenza, mentre quelle che sono perpendicolari non interferiscono.