التعليموظائف و تعليم
ما هي تجربة يونج وكيف تعمل تجربة الشق المزدوج؟
تجربة يونج هي تجربة يستخدمها لإثبات طبيعة الموجات الضوئية، كما يستخدم فيها حزمة ضوئية تأتي من مصدر واحد، مثل مصباح. أجرى توماس يونج تجربة الشق المزدوج التي توضح طبيعة الضوء، وهذا ما يمكن توضيحه في المقال التالي عبر موقع موسوعة
ما هي تجربة يونج
ظهرت محاولات توماس يونغ لايجاد معادلة تربط بين طول الموجة لمصدر الضوء والمسافات المقاسة بشكل موثوق المرتبطة بنمط تداخل الضوء بين نقطتين. المعادلة، المعروفة باسم معادلة يونغ هي:
λ = y • d/( m • L)
- في عام ١٨٠١، ابتكر يونغ وأجرى تجربة لقياس طول الموجة للضوء.
- كان من الأهمية أن تكون مصادر الضوء التي تشكل النمط متماسكة. واجه يونغ صعوبة في أن المصادر التقليدية للضوء مثل الشموع والفوانيس لا يمكن أن تكون متماسكة.
- تضمنت طريقة يونغ استخدام ضوء الشمس الذي دخل الغرفة من خلال ثقب في مصراع النوافذ. تم استخدام مرآة لتوجيه شعاع الضوء أفقيا عبر الغرفة.
- للحصول على مصدرين للإضاءة، يمكن استخدام ورقة صغيرة ليونغ لتقسيم الشعاع الضوئي إلى شعاعين، حيث يمر جزء من الشعاع بجانب الجانب الأيسر من الورقة وجزء منه يمر بجانب الجانب الأيمن.
- منذ ظهور هاتين الحزمتين من نفس المصدر -الشمس- يمكن اعتبارهما من مصدرين متماسكين، حيث تتداخل الموجات الضوئية من هاتين المصدرين في البطاقة.
- ثم عرض نمط التداخل على الشاشة حيث يمكن قياس طول الموجة للضوء.
- عادة ما يتم إجراء إصدار التجربة الدراسية اليوم من نفس التجربة باستخدام شعاع الليزر كمصدر.
- بدلا من استخدام بطاقة ملاحظة لتجزئة الشعاع الفردي إلى حزمتين متماسكتين، يتم استخدام شريحة زجاجية تغطيها الكربون مع شقين محفورين بشكل وثيق.
- عادة ما يتم شراء الشريحة ذات الشقوق من الشركة المصنعة التي توفر قيمة محددة لمسافة الشق – القيمة d في معادلة يونج
- ينحرف الضوء من خلال الشقوق ويظهر على شكل موجتين متماسكتين منفصلتين.
- ينحرف الضوء من خلال الشقوق ويظهر على شكل موجتين متماسكتين منفصلتين.
- ثم يتم عرض نمط التداخل على الشاشة حيث يمكن أخذ قياسات دقيقة للنقاط المضيئة L و y مع قيمة الطلب m.
- باستخدام هذه القيم الأربع، يمكن للطالب تحديد طول الموجة لمصدر الضوء الأصلي.
- لتوضيح بعض النتائج الممثلة لهذه التجربة وتحليلها فيما بعد، يرجى مراعاة البيانات العينية المذكورة أدناه حول d و y و L و m.
- لحساب الطول الموجي، يتطلب تغيير القيم لـ d و y و L و m في معادلة يونغ: λ = y • d / (m • L)
ما هي تجربة الشق المزدوج ؟
تجربة الشق المزدوج هي تجربة تنفذ في القرن التاسع عشر لدراسة خصائص الضوء، حيث تهدف إلى إثبات ازدواجية الجسيمات الموجية للفوتونات والإلكترونات وغيرها من الجسيمات، بالإضافة إلى إظهار الخصائص الكمومية الأخرى مثل التراكب والتداخل.
- تدور الجدل حول ما إذا كان الضوء يتكون من جسيمات أو موجات لأكثر من ثلاثمائة عام. في القرن السابع عشر، أعلن إسحاق نيوتن أن الضوء يتكون من تدفق جسيمات. استمرت نظريته في العمومية حتى أوائل القرن التاسع عشر، عندما أجرى توماس يونغ تجربة الشق المزدوج لإثبات أن الضوء يتكون من موجات.
- أظهرت التجارب التي قام بها يونغ أن الضوء يتصرف كموجات بشكل أكبر من كونه جسيمات، وذلك بناء على كيفية تفاعل تلك الموجات مع بعضها البعض. كانت التجارب قابلة للتكرار وسهلة التنفيذ، مما منحها مصداقية كبيرة. وعلى الرغم من ذلك، كان المجتمع العلمي بطيئا في قبول أفكاره. استغرق الأمر وقتا طويلا حتى قبل العلماء الآخرين طريقة تفكير يونغ. في النهاية، وافقوا على ذلك، ولكن كل ذلك تغير مع ظهور نظرية الكم.
كيف تعمل تجربة الشق المزدوج؟
في تجربة الشق المزدوج، يستهدف شعاع ضوء حاجزا بشقين عموديين، حيث يمر الضوء خلال الشقوق ويصطدم بشاشة خلفية، مما يتيح مراقبة مسار الضوء.
- يمكن إجراء التجربة على أحد الشقين أو على كليهما، على الرغم من أن النهج المتعلق بالشق المزدوج هو الذي يعطي نتائج أعمق.
- عند تغطية فتحة واحدة، يتم عرض خط واحد من الضوء على الشاشة الخلفية مع محاذاة أي فتحة مفتوحة
- من النتائج المتوقعة، إذا كانت كلا الشقين مفتوحين، ستظهر خطوط ضوءيتن متماشيتن مع الشقوق.
- الشكل 1 يوضح هذا المفهوم، حيث يتم استخدام تجربة ضوء أحادي اللون (طول موجة واحد) في الجزء الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي.
- كما يتضح من الشكل، يكون مصدر الضوء لون واحد ؛ والشاشة لديها فتحتين ؛ والشاشة الخلفية، سواء كانت في الجزء العلوي أو الجزء الأمامي. تعرض الشاشة الأمامية نمطين متوقعين للضوء. يتمثل النتيجة في ما يمكن توقعه إذا تم تمرير الرمال أو بعض المواد الحبيبية الأخرى عبر الفتحتين
- يجب أن يتم ترتيب كل ما يصل إلى الشاشة الخلفية مع الشقوق. إذا تم التصرف بهذه الطريقة، يمكن للشخص أن يستنتج أنه مكون من جسيمات.
- ولكن ما يحدث في الممارسة هو أن الضوء المعروض على الشاشة الخلفية ينقسم إلى خطوط متعددة من السطوع والظلام التي تختلف في الدرجة
- في الشكل 2، تشير هذه النتائج إلى أن الضوء يتحرك في الموجات بدلا من الجسيمات، وأن تلك الموجات تتداخل مع بعضها البعض أثناء انتقالها نحو الشاشة الخلفية.
- عندما يمر الضوء عبر الشقوق، فإنه يشكل موجتين جديدتين، واحدة لكل شق. تنتشر الأمواج وتتداخل مع بعضها البعض في نقاط متعددة، تماما كما تحدث الأمواج في البركة عندما يتم إسقاط صخرتين في الماء في وقت واحد.
- في النقاط التي تتقاطع فيها الأمواج، تتداخل مع بعضها البعض، سواء لتعزيز قوتها أو تقليلها، وهذا الظاهرة تعرف بالتراكب.
- يتم تصنيف التداخل بين الموجات بشكل عام إلى نوعين:
- عندما تتداخل الأمواج في قممها أو أحواضها، يزداد السعة وينتج توزيع أكثر إشراقا للضوء على الشاشة الخلفية.
- تداخل هدام: عندما تتقاطع الأمواج وتكون إحداها في ذروتها والأخرى في حوضها، تلغي الأمواج بعضها البعض، مما يؤدي إلى تشكيل قسم أكثر ظلمة على الشاشة الخلفية.
- ينتج عن التداخل البنائي والتدميري الذي يحدث بين الموجتين سلسلة من الأجزاء الضوئية والداكنة على الشاشة الخلفية، ويعرف هذا الترتيب باسم نمط التداخل، ويثبت هذا النمط، وفقا ليونغ وغيره من العلماء، أن الضوء هو سلسلة من الموجات وليس جزيئات.
تجربة الشق المزدوج وميكانيكا الكم
استمرت نظرية يونغ للضوء حتى أوائل القرن العشرين، عندما بدأت نظريات ميكانيكا الكم تترسخ، ومن هذه النظريات جاءت فكرة أن الفوتونات والإلكترونات والمواد دون الذرية الأخرى تمتلك خاصية تسمى ظاهرة الازدواجية الموجية للجسيمات، والتي تصفها بأنها موجات وجسيمات بدلا من كونها موجة أو جسيم.
- أصبحت تجربة الانقسام المزدوج تلعب دورا حيويا في إظهار الازدواجية بين جسيمات الموجة والخصائص الكمومية الأخرى. اليوم، يمكن للعلماء إعادة إجراء التجربة مع الجسيمات بدون استخدام الذرات لإثبات خصائصها.
- عادة ما يستخدم العلماء الإلكترونات في أبحاثهم، على الرغم من أنهم يعملون أيضا مع أنواع أخرى من الجسيمات.
- كما هو الحال مع الضوء، يستطيع العلماء تنفيذ تجاربهم باستخدام فتحة واحدة أو كلا الفتحتين.
- عندما يتم تحرير الإلكترونات من خلال فتحة واحدة، تصطدم الجسيمات بالشاشة الخلفية بنمط مشابه لتأثير الرمال أو مادة مماثلة، وتنظم الإلكترونات مع الفتحة.
- ومع ذلك، عندما يتم إطلاق النار على الإلكترونات من خلال فتحتين، تكون النتائج مشابهة لتلك التجارب التي أجريت على الضوء، مما يشير إلى أن الإلكترونات تتداخل بطريقة ما مع بعضها البعض بطريقة تشبه الموجة.
- هذا ليس غير متوقع بناء على سلوك الفوتونات. ومع ذلك، يتغير هذا السلوك عندما يطلق الباحثون الإلكترونات من خلال الشقوق واحدة تلو الأخرى، مما يترك وقتا كافيا بين اللقطات حتى لا تتداخل الإلكترونات مع بعضها البعض
- ومع توقع المزيد من الإلكترونات، تتصف بالتداخل الذي شوهد في التجارب السابقة. بطريقة ما، تتفاعل الإلكترونات مع بعضها بطريقة تظهر سلوكا موجيا، على الرغم من أنها تطلق من خلال الشاشة الأمامية واحدة تلو الأخرى.
- حث العلماء على إجراء تجربة أكثر تفصيلا باستخدام جهاز مراقبة يكشف عن عدد الإلكترونات التي تمر عبر كل فتحة. خلال التجربة، يتبين عادة أن حوالي نصف الإلكترونات تمر عبر الفتحة الأولى، والنصف الآخر يمر عبر الفتحة الثانية.