تجربة يونج هي تجربة يتم استخدامها من أجل إثبات طبيعة الموجات الضوئية ، كما أنها تُستخدم في هذه التجربة حزمة ضوئية مصدرها مصدر واحد، مثل مصباح، وقد أجرى توماس يونج تجربة الشق المزدوج التي توضح طبيعة الضوء، وهذا ما يمكن توضيحه من خلال المقال التالي عبر موقع موسوعة
ما هي تجربة يونج
ظهرت جهود توماس يونغ لاشتقاق معادلة تربط الطول الموجي لمصدر الضوء بالمسافات المقاسة بشكل موثوق المرتبطة بنمط تداخل الضوء من نقطتين. المعادلة، المعروفة باسم معادلة يونغ هي: λ = y • d/( m • L)
في عام 1801، ابتكر يونغ وأجرى تجربة لقياس الطول الموجي للضوء.
كان من المهم أن يكون مصدرا الضوء الذين يشكلان النمط متماسكين. كانت الصعوبة التي واجهت يونغ هي أن مصادر الضوء المعتادة لليوم (الشموع والفوانيس وما إلى ذلك) لا يمكن أن تكون بمثابة مصادر ضوء متماسكة.
تضمنت طريقة يونغ استخدام ضوء الشمس الذي دخل الغرفة من خلال ثقب في مصراع النوافذ. تم استخدام مرآة لتوجيه شعاع الثقب أفقيًا عبر الغرفة.
للحصول على مصدرين للضوء، استخدم يونغ بطاقة ورقية صغيرة لكسر شعاع ثقب واحد إلى حزمين، مع مرور جزء من الشعاع بجانب الجانب الأيسر من البطاقة وجزء من الشعاع يمر بجانب الجانب الأيمن من البطاقة.
منذ ظهور هذين الحزمين من نفس المصدر – الشمس – يمكن اعتبارهما قادمين من مصدرين متماسكين. تتداخل الموجات الضوئية من هذين المصدرين (الجانب الأيسر والجانب الأيمن من البطاقة).
ثم تم عرض نمط التداخل على شاشة حيث يمكن إجراء قياسات لتحديد الطول الموجي للضوء.
عادةً ما يتم إجراء نسخة الفصل الدراسي اليوم من نفس التجربة باستخدام شعاع الليزر كمصدر.
بدلاً من استخدام بطاقة ملاحظة لتقسيم الشعاع الفردي إلى حزمين متماسكين، يتم استخدام شريحة زجاجية مغطاة بالكربون مع شقين محفورين بشكل وثيق.
يتم شراء الشريحة ذات الشقوق بشكل شائع من الشركة المصنعة التي توفر قيمة مقاسة لمسافة فصل الشق – القيمة d في معادلة يونج
ينحرف الضوء من شعاع الليزر عبر الشقوق ويظهر كموجتين متماسكتين منفصلتين.
ينحرف الضوء من شعاع الليزر عبر الشقوق ويظهر كموجتين متماسكتين منفصلتين.
ثم يتم عرض نمط التداخل على شاشة حيث يمكن إجراء قياسات موثوقة من L و y لنقطة مضيئة معينة مع قيمة الطلب m.
تسمح معرفة هذه القيم الأربع للطالب بتحديد قيمة الطول الموجي لمصدر الضوء الأصلي.
لتوضيح بعض النتائج النموذجية لهذه التجربة والتحليل اللاحق، ضع في اعتبارك بيانات العينة الواردة أدناه عن d و y و L و m.
يتطلب تحديد الطول الموجي استبدال 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 تحقيق في القرن التاسع عشر في خصائص الضوء الذي تم العثور عليه منذ ذلك الحين لإثبات ازدواجية الجسيمات الموجية للفوتونات والإلكترونات وأنواع الجسيمات الأخرى بالإضافة إلى إظهار الخصائص الكمومية الأخرى، مثل التراكب والتداخل.
يعود الجدل حول ما إذا كان الضوء يتكون من جسيمات أو موجات إلى أكثر من ثلاثمائة عام. في القرن السابع عشر، أعلن إسحاق نيوتن أن الضوء يتكون من تيار من الجسيمات. ظلت وجهة نظره النظرية المقبولة بشكل عام حتى أوائل القرن التاسع عشر، عندما ابتكر توماس يونغ تجربة الشق المزدوج لإثبات أن الضوء يتكون من موجات.
أظهرت تجارب يونغ أن الضوء يتصرف مثل الموجات أكثر من الجسيمات، بناءً على كيفية تفاعل تلك الموجات مع بعضها البعض. كانت تجاربه قابلة للتكرار وسهلة الأداء، مما منحها مصداقية كبيرة. ومع ذلك، كان المجتمع العلمي بطيئًا في قبول أفكاره. استغرق الأمر عمل علماء آخرين حتى يقبل المجتمع ككل طريقة تفكير يونغ. في النهاية فعلوا ذلك، لكن كل ذلك تغير مع ظهور نظرية الكم.
كيف تعمل تجربة الشق المزدوج؟
في تجربة الشق المزدوج، يستهدف شعاع من الضوء حاجزًا بشقين عموديين. يمر الضوء عبر الشقوق ويصطدم بشاشة خلفية، مما يجعل من الممكن مراقبة مسار الضوء.
يمكن إجراء التجربة بأحد الشقين أو كليهما، على الرغم من أن نهج الشق المزدوج هو الذي يقدم أعمق النتائج.
عندما يتم تغطية شق واحد، يتم عرض خط واحد من الضوء على الشاشة الخلفية، مع محاذاة أي شق مفتوح
من هذه النتائج، قد يفترض المرء أنه إذا كان كلا الشقين مفتوحين، فإن النمط الناتج سيظهر خطين من الضوء، متماشيين مع الشقوق.
الشكل 1
يوضح الشكل 1 هذا المفهوم. في هذه الحالة تستخدم التجربة ضوءًا أحادي اللون (طول موجة واحد) في الجزء الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي.
كما يبين الشكل مصدر الضوء أحادي اللون ؛ والشاشة ذات الشقين ؛ والشاشة الخلفية، سواء العرض العلوي أو العرض الأمامي. يعرض العرض الأمامي النمطين المتوقعين للضوء. النتائج مثل ما يمكن توقعه إذا تم دفع الرمال أو بعض المواد الحبيبية الأخرى عبر الشقين
كل ما يصل إلى الشاشة الخلفية يجب أن يصطف مع الشقوق. إذا كان الضوء يتصرف بهذه الطريقة، فيمكن للمرء أن يفترض أنه يتكون من جسيمات.
لكن ما يحدث في الممارسة هو أن الضوء المعروض على الشاشة الخلفية مفصول إلى خطوط متعددة من الخفة والظلام تختلف في الدرجة
الشكل 2
في الشكل 2 تشير هذه النتائج إلى أن الضوء يتحرك في الموجات بدلاً من الجسيمات وأن تلك الموجات تتداخل مع بعضها البعض أثناء انتقالها نحو الشاشة الخلفية.
عندما يمر الضوء عبر الشقين، فإنه يشكل موجتين جديدتين، واحدة لكل شق. تنتشر الأمواج وتتداخل مع بعضها البعض في نقاط متعددة، تمامًا مثل الأمواج في البركة عندما يتم إسقاط صخرتين في الماء في وقت واحد.
في النقاط التي تتقاطع فيها الأمواج، تتداخل مع بعضها البعض، إما تعزز أو تقلل من قوتها وهو تأثير يُعرف باسم التراكب.
يتم تصنيف التداخل بين الموجات بشكل عام إلى نوعين:
تداخل بناء: عندما تتقاطع الأمواج عند قممها أو أحواضها، يتم تعزيز السعة، مما يؤدي إلى قسم أكثر إشراقًا من الضوء على الشاشة الخلفية.
تداخل هدام: عندما تتقاطع الأمواج وتكون إحدى الموجات في ذروتها والأخرى في حوضها، تلغي الأمواج بعضها البعض، مما يؤدي إلى قسم أكثر قتامة على الشاشة الخلفية.
ينتج عن التداخل البناء والهدام الذي يحدث بين الموجتين سلسلة من الأجزاء الضوئية والداكنة على الشاشة الخلفية، وهو ترتيب يُعرف باسم نمط التداخل، هذا النمط، وفقًا ليونغ وعلماء آخرين، يثبت 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 جودة تسمى ازدواجية الجسيمات الموجية، والتي تصفها بأنها موجات وجسيمات بدلاً من واحدة أو أخرى.
أصبحت تجربة الانقسام المزدوج تلعب دورًا حيويًا في إظهار ازدواجية جسيمات الموجة والخصائص الكمومية الأخرى. اليوم، يمكن للعلماء إعادة إنشاء التجربة مع الجسيمات دون الذرية لإثبات خصائصها.
عادة ما يستخدمون الإلكترونات عند إجراء أبحاثهم، على الرغم من أن العلماء عملوا أيضًا مع أنواع الجسيمات الأخرى.
كما هو الحال مع الضوء، يمكن للعلماء إجراء تجاربهم باستخدام شق واحد أو كلا الشقين.
عندما يطلقون الإلكترونات من خلال شق واحد، تضرب الجسيمات الشاشة الخلفية بنمط مثل ما يحدث مع الرمال أو مادة مماثلة، وتصطف الإلكترونات مع الشق.
ومع ذلك، عندما يطلقون النار على الإلكترونات من خلال شقين، تكون النتائج مثل تلك التجارب التي أجريت على الضوء، مما يشير إلى أن الإلكترونات تتداخل بطريقة ما مع بعضها البعض بطريقة تشبه الموجة.
هذا ليس غير متوقع بالنظر إلى كيفية تصرف الفوتونات. لكن هذا السلوك يتغير عندما يطلق الباحثون الإلكترونات من خلال الشقوق واحدة تلو الأخرى، مما يترك وقتًا كافيًا بين اللقطات حتى لا تتمكن الإلكترونات من التدخل مع بعضها البعض
ولكن مع توقع المزيد من الإلكترونات، تبدأ في الاصطفاف في نفس النوع من نمط التداخل الذي شوهد في التجارب السابقة. بطريقة ما، تدرك الإلكترونات بعضها البعض بطريقة تظهر سلوكًا يشبه الموجة، على الرغم من إطلاقها من خلال الشاشة الأمامية واحدة تلو الأخرى.
دفع العلماء التجربة أكثر عن طريق إضافة جهاز مراقبة يكتشف عدد الإلكترونات التي تمر عبر كل شق. خلال التجربة، يُظهر الكاشف عادةً أن حوالي نصف الإلكترونات تمر عبر الشق الأول، والنصف الآخر يمر بالشق الثاني.
