Thomas Young’s Double Slit Experiment

Thomas Young’s Double Slit Experiment – Java Tutorial

In 1801 voerde een Engelse natuurkundige, Thomas Young genaamd, een experiment uit dat de golfachtige aard van licht sterk afleidde. Omdat hij geloofde dat licht uit golven bestond, redeneerde Young dat er een soort wisselwerking zou optreden wanneer twee lichtgolven elkaar ontmoetten. In deze interactieve tutorial wordt onderzocht hoe coherente lichtgolven reageren wanneer ze door twee dicht bij elkaar geplaatste spleten worden geleid.

De tutorial begint met stralen van de zon die door een enkele spleet in een scherm worden geleid om coherent licht te produceren. Dit licht wordt vervolgens geprojecteerd op een ander scherm dat twee (of dubbele) spleten heeft, waardoor het invallende licht opnieuw wordt gebroken terwijl het wordt doorgelaten. De resultaten van de interferentie tussen de gebroken lichtbundels kunnen worden gevisualiseerd als lichtintensiteitsverdelingen op de donkere film. Met de schuifregelaar “Distance Between Slits” kan de afstand tussen de lichtspleten worden gevarieerd, zodat de interferentie-intensiteitsverdeling varieert.

Young’s experiment was gebaseerd op de hypothese dat als licht een golfkarakter zou hebben, het zich op dezelfde manier zou moeten gedragen als rimpelingen of golven in een plas water. Waar twee tegengestelde watergolven elkaar ontmoeten, moeten zij op een specifieke manier reageren om elkaar te versterken of te vernietigen. Als de twee golven in elkaars verlengde liggen (de kammen ontmoeten elkaar), dan moeten zij samen een grotere golf vormen. Wanneer daarentegen twee golven elkaar ontmoeten die uit de pas lopen (de top van de ene golf ontmoet de golfdiepte van de andere), dan moeten de golven elkaar opheffen en in dat gebied een vlak oppervlak vormen.

Om zijn hypothese te testen, bedacht Young een ingenieus experiment. Met behulp van zonlicht dat door een kleine spleet werd verstrooid als bron van coherente verlichting, projecteerde hij de lichtstralen die uit de spleet kwamen op een ander scherm met twee naast elkaar geplaatste spleten. Licht dat door de spleten viel, liet hij op een scherm vallen. Young merkte op dat wanneer de spleten groot waren, ver uit elkaar en dicht bij het scherm, er twee overlappende lichtvlekken op het scherm ontstonden. Wanneer hij echter de spleten verkleinde en ze dichter bij elkaar bracht, produceerde het licht dat door de spleten op het scherm viel afzonderlijke kleurbanden, gescheiden door donkere gebieden in een seriële volgorde. Young bedacht de term interferentie franjes om de banden te beschrijven en realiseerde zich dat deze gekleurde banden alleen konden worden geproduceerd als licht zich gedroeg als een golf.

De basisopstelling van het dubbele spleet experiment wordt geïllustreerd in figuur 1. Rood gefilterd licht afkomstig van zonlicht wordt eerst door een spleet geleid om een coherente toestand te bereiken. Lichtgolven die uit de eerste spleet komen, vallen vervolgens in een paar spleten die dicht bij elkaar op een tweede spleet zijn geplaatst. Een scherm wordt in het gebied achter de spleten geplaatst om de overlappende lichtstralen die door de twee spleten zijn gegaan op te vangen, en een patroon van helderrode en donkere interferentiebanden wordt zichtbaar op het scherm. De sleutel tot dit soort experimenten is de onderlinge samenhang tussen de lichtgolven die door de twee spleten bij de barrière worden gebroken. Hoewel Young deze coherentie bereikte door de diffractie van zonlicht uit de eerste spleet, kan elke bron van coherent licht (zoals een laser) worden vervangen door licht dat door de enkele spleet valt.

Het coherente golffront van licht dat op de dubbele spleten valt, wordt verdeeld in twee nieuwe golffronten die perfect in de pas lopen met elkaar. Lichtgolven van elk van de spleten moeten een gelijke afstand afleggen om punt A op het scherm in figuur 1 te bereiken, en moeten dat punt nog steeds in stap of met dezelfde faseverschuiving bereiken. Omdat de twee golven die punt A bereiken aan de voorwaarden voor constructieve interferentie voldoen, moeten zij bij elkaar opgeteld een helderrode interferentieflens op het scherm vormen.

Geen van de punten B op het scherm bevindt zich daarentegen op gelijke afstand van de twee spleten, zodat het licht van de ene spleet een grotere afstand moet afleggen om punt B te bereiken dan van de andere. De golf die afkomstig is van de spleet die zich het dichtst bij punt B bevindt (neem bijvoorbeeld de spleet en punt B aan de linkerkant van figuur 1) hoeft niet zo ver te reizen om zijn bestemming te bereiken als een golf die afkomstig is van de andere spleet. Dientengevolge zal de golf van de dichtstbijzijnde spleet iets eerder in punt B aankomen dan de golf van de verst verwijderde spleet. Omdat deze golven niet in fase (of in elkaars pas) bij punt B aankomen, zullen zij destructieve interferentie ondergaan en een donker gebied (interferentieflens) op het scherm produceren. Interferentiefrankenpatronen zijn niet beperkt tot experimenten met de dubbele spleetconfiguratie, maar kunnen worden veroorzaakt door elke gebeurtenis die resulteert in de splitsing van licht in golven die kunnen worden geannuleerd of bij elkaar opgeteld.

Het succes van Young’s experiment was een sterk bewijs ten gunste van de golftheorie, maar werd niet onmiddellijk geaccepteerd door zijn vakgenoten. De gebeurtenissen achter verschijnselen als de regenboog van kleuren die in zeepbellen wordt waargenomen en de ringen van Newton (hieronder te bespreken), werden weliswaar door dit werk verklaard, maar waren niet onmiddellijk duidelijk voor de wetenschappers die vast geloofden dat licht zich voortplantte als een stroom van deeltjes. Later werden andere soorten experimenten bedacht en uitgevoerd om het golfkarakter van licht en interferentie-effecten aan te tonen. Het bekendst zijn het experiment met een enkele spiegel van Humphrey Lloyd en de experimenten met een dubbele spiegel en een bi-prisma van Augustin Fresnel voor gepolariseerd licht in uniaxiale en birefringente kristallen. Fresnel concludeerde dat interferentie tussen gepolariseerde lichtbundels alleen kan worden verkregen met bundels die dezelfde polarisatierichting hebben. In feite kunnen gepolariseerde lichtgolven waarvan de trillingsrichtingen evenwijdig aan elkaar zijn georiënteerd, samen interferentie veroorzaken, terwijl golven die loodrecht op elkaar staan, niet interfereren.