Thí nghiệm chứng minh sự giao thoa ánh sáng

12

Thomas Junge
THỬ NGHIỆM
MÌNH HÀNH
NHIỄM SÁNG

Sau đây là đoạn trích từ hai tác phẩm gốc của Thomas Young:
I - từ bài giảng của ông vào ngày 24 tháng 11 năm 1803 tại Hiệp hội Hoàng gia; II - từ bài giảng thứ 39 của Khóa giảng về Triết học Tự nhiên, xuất bản năm 1807.
Trong những công trình này, dựa trên sự phân tích các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, giá trị của lý thuyết sóng ánh sáng đã được chứng minh một cách logic một cách chặt chẽ và đáng ngạc nhiên.
Việc dịch thuật và chuẩn bị xuất bản được thực hiện bởi S. R. Filonovich.

I. “… Tôi đã phát hiện ra một bằng chứng đơn giản và dễ chứng minh về định luật chung về sự giao thoa của hai luồng ánh sáng mà tôi đã cố gắng thiết lập trước đó, nên tôi quyết định nộp cho Hiệp hội Hoàng gia một báo cáo ngắn gọn về thực tế đó, đối với tôi điều này có vẻ thuyết phục. Tuyên bố mà tôi sắp đưa ra bây giờ rất đơn giản: các sọc màu xuất hiện là kết quả của sự giao thoa của hai luồng ánh sáng. Tôi nghĩ rằng thực tế là có thể kiểm tra khẳng định này bằng các thí nghiệm đơn giản mà tôi sắp kể và có thể dễ dàng được lặp đi lặp lại vào bất kỳ ngày nắng nào với sự trợ giúp của các đồ vật trong tay, sẽ không được giải đáp ngay cả bởi những người có thành kiến.

Tôi tiếp tục câu trả lời nhỏ trên cửa chớp và che nó bằng một mảnh giấy dày rồi dùng kim mỏng đâm vào. Để dễ quan sát hơn, tôi đặt một tấm kính nhỏ ở cửa sổ để nó phản chiếu ánh sáng mặt trời theo chiều ngang lên bức tường đối diện. Cùng lúc đó, luồng ánh sáng phân kỳ truyền qua chiếc bàn, trên đó có vài màn hình nhỏ làm bằng thẻ giấy. Tôi đưa một dải thẻ rộng 1/3 inch* vào luồng ánh sáng và quan sát bóng của nó trên bức tường đối diện và trên các thẻ khác được đặt ở khoảng cách khác với thẻ đầu tiên. Đồng thời, các sọc màu hình thành dọc theo các cạnh của bóng và bản thân bóng được chia thành nhiều sọc song song, trong khi phần giữa của nó vẫn sáng. Bản thân những sọc này trong bóng tối là kết quả của sự kết hợp của hai phần ánh sáng đến từ các phía khác nhau của dải thẻ và khuếch tán trong vùng bóng. Nếu một màn hình nhỏ được đặt cách dải vài inch sao cho các cạnh của bóng của nó và dải trùng nhau, tất cả các vệt nhìn thấy trước đó trong bóng trên tường sẽ ngay lập tức biến mất, mặc dù ánh sáng truyền qua phía bên kia của dải sẽ truyền đi theo cách tương tự. Hơn nữa, khi cường độ ánh sáng tăng lên, các sọc không thể phục hồi được. Do đó, một trong hai luồng ánh sáng không thể tự

*) 1 inch - 2,54 cm. (Sau đây, với cơ chế dịch thuật.)

13

Điều quan trọng là hình thành sọc. Nếu bạn không làm gián đoạn bất kỳ dòng chảy nào, thì các dòng linnie sẽ xuất hiện ngay cả khi cường độ giảm đi 12 lần…

Nếu bạn cố gắng nghiên cứu kích thước của các sọc trong các điều kiện khác nhau, bạn có thể tính được sự khác biệt về độ dài của các đường đi qua các luồng ánh sáng. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ thấy rằng nếu độ dài đường đi bằng nhau thì ánh sáng luôn có màu trắng. Khi ánh sáng sáng nhất hoặc ánh sáng của bất kỳ màu nào xuất hiện lại lần đầu tiên, lần thứ hai hoặc lần thứ ba, thì sự khác biệt về độ dài đường đi của hai luồng tạo thành một cấp số cộng, một cách tự nhiên, chính xác như các thí nghiệm thuộc loại này có thể nhất quán với nhau.

Những quan sát về tác dụng của nhiễu xạ và giao thoa đôi khi có thể hữu ích xét theo quan điểm thực tế, khiến chúng ta thận trọng hơn khi đưa ra kết luận về hình dáng bên ngoài của những vật thể nhỏ nhất được kiểm tra dưới kính hiển vi. Bóng của một sợi mờ đặt trong chùm ánh sáng xuyên qua một lỗ nhỏ luôn nhẹ hơn ở trung tâm so với ở rìa. Ở một mức độ nhất định, một hiệu ứng tương tự có thể xảy ra liên quan đến hình ảnh trên võng mạc. Bằng cách này, một ý tưởng về chủ nghĩa ủng hộ có thể được tạo ra, điều này không xảy ra trong thực tế. Nếu một chùm ánh sáng nhỏ thực sự đi qua một chất, nó có thể bị phá hủy do sự giao thoa với ánh sáng nhiễu xạ và tạo ra ấn tượng về độ mờ một phần của chất này. Do đó, điểm trung tâm và điểm sáng được bao quanh bởi một vòng tối có thể thu được tương ứng dưới dạng hình ảnh của các hạt trong mờ hoặc mờ đục và tạo ấn tượng về một cấu trúc phức tạp không có trong thực tế. Để tránh nhầm lẫn, chúng ta có thể buộc hai hoặc ba sợi dây lên kính

Bản đồ địa hình giao thoa của bề mặt mica. Khoảng cách từ vạch tối này đến vạch tối khác tương ứng với độ dày tăng thêm 1/40000 cm.

Hình ảnh giao thoa được tạo ra bằng một phương tiện thậm chí còn thuận tiện hơn - để thay đổi độ phóng đại của kính hiển vi và nếu hiện tượng này không thay đổi về cường độ và đặc điểm, bạn có thể chắc chắn rằng

14

Cơm. 1.
ở chỗ nó thực sự thuộc về bản chất của đối tượng được đề cập…”
II. “Bản chất của ánh sáng không phải là một chủ đề quá quan trọng theo quan điểm vật chất, liên quan đến cuộc sống và thực tiễn, nhưng ở nhiều khía cạnh khác, chủ đề này rất thú vị, vì nó làm phong phú thêm kiến ​​thức của chúng ta về bản chất của các giác quan và của Vũ trụ nói chung. Nghiên cứu về việc tạo ra màu sắc và sự phong phú của các sắc thái của chúng trong bột gắn liền với lý thuyết về các tính chất và nguyên tắc quan trọng nhất của chúng. Nhiều hiện tượng trong số này sẽ giúp chúng ta hình thành ý tưởng về tự nhiên và nguồn ánh sáng nói chung.”

Người ta cho rằng ánh sáng hoặc bao gồm một dòng gồm các hạt chất phát sáng rất nhỏ, sự tồn tại của chúng bị phủ nhận (những hạt này chuyển động với tốc độ ánh sáng), hoặc là sự kích thích của chuyển động giống như sóng trong môi trường ánh sáng và đàn hồi lấp đầy Vũ trụ, tương ứng với âm thanh. Ý kiến ​​​​của các nhà khoa học ở mọi thế kỷ đều bị chia rẽ khi cần phải ưu tiên một trong những phán đoán này. Ngoài ra, có những trường hợp buộc những người có cùng quan điểm thứ nhất phải tin, cùng với Newoton, rằng sự bức xạ của các hạt luôn đi kèm với chuyển động giống như sóng của môi trường etheric, hoặc tin rằng bản thân các hạt nhỏ nhất tại thời điểm bức xạ nhận được những chuyển động quay và dao động nhất định mà chúng duy trì trong suốt toàn bộ thời gian chuyển động được cho là của chúng. Những thông điệp bổ sung này, được phát minh ra để giải thích một số hiện tượng cụ thể, chưa bao giờ được xem xét hoặc chấp nhận nói chung, mặc dù không có nỗ lực nào được thực hiện nhằm điều chỉnh lý thuyết để giải thích những hiện tượng này theo bất kỳ cách nào khác.

Giả sử rằng ánh sáng có màu sắc nhất định bao gồm các dao động có chiều dài nhất định hoặc của một hạt nhất định, chúng ta kết luận rằng những chuyển động sóng này là nguyên nhân gây ra những hiệu ứng mà chúng ta đã nghiên cứu trong trường hợp sóng nước và xung âm thanh. Người ta đã chứng minh rằng hai nhóm sóng bằng nhau, nhận được từ hai trung tâm nằm gần nhau, tại một số điểm nhất định có thể triệt tiêu ảnh hưởng của nhau, và tại những điểm khác, nó có thể nhân đôi ảnh hưởng của nhau; nhịp đập của hai âm thanh được giải thích bằng một giao diện tương tự. Bây giờ chúng ta sẽ áp dụng những nguyên tắc này cho việc thêm và tắt các màu có thể thay đổi.

Để hoạt động của hai luồng ánh sáng được kết hợp theo cách này, chúng cần phải được tạo ra bởi cùng một nguồn và chúng phải đến cùng một điểm bằng các đường khác nhau theo các hướng không khác nhau nhiều *). Sự khác biệt về đường đi này có thể đạt được bằng nhiễu xạ, phản xạ, khúc xạ hoặc bằng

*) Như người ta nói bây giờ, dòng ánh sáng phải chính xác.

15

sức mạnh của bất kỳ sự kết hợp nào của những hiện tượng này. Trường hợp đơn giản nhất là khi một luồng ánh sáng đồng nhất rơi trên màn hình có hai lỗ hoặc khe rất nhỏ (Hình 1), đây có thể được coi là tâm phân kỳ và từ đó ánh sáng nhiễu xạ theo mọi hướng *). Trong trường hợp này, khi hai luồng mới hình thành rơi xuống các bề mặt nơi chúng chồng lên nhau, ánh sáng của chúng bị ngăn cách bởi các sọc tối, có kích thước gần bằng nhau, nhưng trở nên rộng hơn khi màn hình di chuyển ra khỏi lỗ. Phần giữa của hai luồng luôn sáng và các sọc sáng ở mỗi bên cách nhau đến mức ánh sáng tới chúng từ lỗ này phải truyền một đường dài hơn từ lỗ kia, một lượng bằng chiều dài của một, hai, ba hoặc nhiều sóng, trong khi các sọc tối nằm giữa chúng tương ứng với sự khác biệt về đường đi của các bước sóng 1/2, 3/2, 5/2, ….

Từ việc so sánh kết quả của nhiều thí nghiệm khác nhau, người ta suy ra rằng bước sóng của ánh sáng đỏ phải là 1/36.000 inch trong không khí, và đối với ánh sáng phylote là 1/60.000 inch; giá trị trung bình trên toàn bộ phổ là khoảng 1/45000 inch **). Dựa trên các kích thước này và tính đến giá trị đã biết ở trên của tốc độ ánh sáng, có thể tính được rằng ngay cả đối với ánh sáng có bước sóng dài, 500.000.000.000 sóng như vậy đi vào mắt trong một giây.

Một minh chứng thậm chí còn đơn giản và thuận tiện hơn về định luật giao thoa ánh sáng nói chung được thể hiện bằng màu sắc của màng mỏng của các chất dẫn xuất. Ở đây người ta có thể quan sát sự giao thoa của ánh sáng phản xạ một phần từ bề mặt trên và dưới của màng, hoặc khi nhìn trong

*) Thí nghiệm nổi tiếng của Nam về nhiễu xạ từ hai khe.
**) Vùng ánh sáng khả kiến ​​thực tế chỉ nằm ngoài phạm vi này một chút. Quan sát phía Nam đã có điểm nhìn thấy được.

Các vân giao thoa trong không khí nóng bốc lên từ ngọn lửa nến.

16

màu vàng, sau đó là đỏ, đỏ sẫm và xanh lam, sau đó hiệu ứng biến mất do màng chuyển sang trạng thái mờ đục.

Tuy nhiên, thông thường, sự xen kẽ của các màu thu được trong ánh sáng phản xạ có phần khác nhau. Mật độ của màng oxit lớn hơn mật độ của không khí và mật độ của kim loại lớn hơn mật độ của oxit; nhưng nếu mật độ của môi trường bên trên và bên dưới màng đồng thời lớn hơn hoặc nhỏ hơn mật độ của màng, thì các bề mặt khác nhau sẽ thay đổi trạng thái sóng khác nhau và một lớp mỏng của màng trở nên tối thay vì sáng, một luồng ánh sáng sẽ phá hủy một luồng ánh sáng khác thay vì hợp nhất với nó *).

Nếu bạn lấy một màng xà phòng và giữ nó thẳng đứng, mép trên của màng sẽ trở nên rất mỏng và gần như đen, trong khi các vùng phía dưới sẽ có các đường ngang thành một loạt sọc màu (Hình 2).

Khi hai chiếc kính, trong đó một chiếc hơi lồi, được ép vào nhau bằng một lực nào đó, lớp không khí giữa chúng gây ra sự xuất hiện của các vòng màu, bắt đầu bằng một điểm tối ở trung tâm và ngày càng hẹp hơn khi độ cong của kính tăng nhanh độ dày của lớp không khí giữa các kính. Đốm đen nhường chỗ cho một màu tím nhạt đến mức khó nhận thấy; tiếp theo là màu vàng cam, đỏ sẫm và xanh lam (Hình 3).

Nếu bạn thay thế không khí giữa các ly bằng nước hoặc chất lỏng khác, thì các vòng sẽ xuất hiện ở độ dày làm thay đổi độ dày của lớp không khí, vì mật độ của chất lỏng lớn hơn. Điều này suy ra trực tiếp từ tỉ số tốc độ mà ánh sáng,

*) Điều này sẽ xảy ra do sự thay đổi pha ngược lại khi phản xạ từ một chất có chiết suất cao.
**) Cái gọi là “Vòng Newton”.

Cơm. 2. Hình ảnh giao thoa thu được bằng cách phản xạ ánh sáng từ một màng xà phòng mỏng. Ảnh được chụp: dưới ánh sáng trắng; trong đèn đỏ; cũng vượt đèn đỏ nhưng có phần muộn hơn lần trước.