تجربة الشق المزدوج ليونج

أن شعبتي الشوكة الرنانة يمكن أن يحدثا تداخلاً في موجات الصوت وتفسير هذه الظاهرة شبيه يوصف موجات الماء المتداخلة فيما عدا أن الموجات الصوتية طويلة بدلاً من أن تكون مستعرضة. وأية موجات مماثلة، سواء أكانت مستعرضة أم طولية قادرة على إحداث ظواهر تداخلية.

وقد اعتقد نيوتن أن الضوء مكون من جسيمات. لقد صور الضوء على أنه تيار من الجسيمات المنطلقة من مصادر الضوء، والتي تنتقل في خطوط مستقيمة. وعلى الرغم من أن العالم الإيصالي جريمالدى قد أثبت مبكراً عام 1660 أن الضوء يمكن أن يعاني من الحيود، إلا أن نيوتن تمكن من تفسير تلك المشاهدات في إطار جسيمات الضوء. ولم تكن تلك التفسيرات مقتنعة تماماً إلا أن معظم الناس تقبلوها نظراً لاحترامهم الشديد لشخص نيوتن. وظل الأمر كذلك حتى عام 1803 عندما أصبحت الطبيعة الموجية للضوء مقبولة على نطاق واسع.

ثم نشر العالم الإنجليزي توماس يونج (1829 – 1773) نتائج تجاربه عامي 1803 و 1807 والتي أوضح فيها تداخل الموجات الضوئية. فقد سمح لحزمة دقيقة من ضوء الشمس أن تمر خلال ثقب في مغلق نافذة ثم تسقط على شقين ضيقين ومتوازيين ثم عملهما في قطعة من الورق المقوى كما هو موضع في الشكل 1)). وقد شاهد نمطاً للتداخل مكوناً من مناطق متبادلة مضيئة ومظلمة تسمى الهدبات (أو الأهداب) على حائل موضوع خلف الشقين. وقد أتاحت له مشاهداته لهذه الأهداب وكذا تفسيره بأن الضوء ظاهرة موجية، أن يحسب الطول الموجي للضوء للمرة الأولى. وسنتعرف الآن على الأسلوب الذي اتبعه لعمل ذلك.

وتكون قمم موجات الماء عالية عند النقط المميزة بالحرف B، أما حيث تلتقى الخطوط المميزة بالحرف D بالجدار فإن الماء يكون ساكناً. والاهداب المضيئة في الشكل (1) تناظر المواقع المميزة بالحرف B في نمط تداخل الموجات المائية(المتخيل). والمواقع المميزة بالحرف D تناظر الأهداب المظلمة في نمط الشق المزدوج ليونج.

الشكل 1)): يعمل الشعاعان s₁ و s₂ كمصدرين للموجتين المتزامنتين في الطور. وبالنسبة للموجات الضوئية فإن هدبات التداخل عادة ما يفصل بين كل اثنتين منها بضع مليمترات قليلة.

يمكننا الآن تفسير نمط يونج مستخدمين التناظر مع تجربة تداخل موجات الماء كما يلي: فالشقان يعملان عمل مصدري الضوء اللذين يبعثان موجات متماثلة. والهدبة المميزة بالحرف O تكون مضيئة لأن الموجات التي تصل إلى هذا الموقع تقوى إحداها الأخرى ويكون التخلف النسبي بينها صفراً.

(1)                    nλ = d sin θ₀

وهكذا تمكن يونج من استخدام المعادلة (1) في حساب الطول الموجي للضوء. وكان الضوء المستخدم في التجارب هو ضوء الشمس الذي يحتوي على الأطوال الموجبة المرئية. وحيث ان المعادلة ((1 تقتضي أن يحدث كل طول موجي هدبة مضيئة عند زاوية مختلفة ، لذا فإن هدبات يونج كانت عبارة عن شرائح مكونة من كل الوان الضوء المرئي حيث الحافة الزرقاء لشريط أقرب ما تكون في المنتصف بينما تكون الحافة الخارجي حمراء. أما إذا كان الضوء أحادي اللون ( أي ذا طول موجي واحد) مثل الذي يوفره الليزر، فإن الهدبات الناتجة تكون ذات لون واحد ومحددة بشكل واضح كما يبين ذلك الشكل (2).

سنبين نتائج تجربة نموذجية حيث كانت L في الشكل (1) 120 cm، وكانت المسافة d بين الشقين d = 0.025 cm، اما المسافة بين مركز نمط التداخل إلى

الشكل 2)): هدبات التداخل الناتجة عن نظام شق مزدوج باستخدام ضوء أحادي اللون (طول موجي منفرد).

المركز التقريبي للهدبة رقم 2 هو 0.50 cm. ولكي نحسب ₂θ فإننا نرجع إلى الشكل (1) أن:

ومنها نجد أن θ₂=  0.24^o.

وقد استخدم يونج مثل هذه البيانات لكي يحسب الطول الموجي للضوء بالقرب من مركز هدبة نموذجية، وقد نحصل عند التعويض في المعادلة (1) على:                     

وعندئذ أصبح قادراً على استنتاج أن الطول الموجي للضوء المرئي يبلغ نحو 500 nm حيث يكون الطول الموجي للضوء الأزرق أقصر نوعاً ما من هذا وللضوء الأحمر أطول قليلاً من هذا.

من الصعب علينا أن نغالي في أهمية التداخل وخاصة في حالة الضوء؛ فموجات التردد الواحد، تمتلك في طولها الموجي" اداة ذاتية" لقياس الطول. فنحن غير قادرين على اكتشاف شكل الموجة عندما نرى الضوء ولكن نمط التداخل هو الذي يكشف عن الطول الموجي. والأطوال الموجية للضوء المرئي صغير جداً إذا قورنت بدقة أجهزة القياس العادية المستخدمة لقياس الأطوال، ولذلك يصبح استخدام الضوء كمعيار قياسي ذا فوائد عظيمة. وتسمى الأجهزة التي تستخدم أنماط التداخل لتعيين الاطوال " أجهزة قياس التداخل" بواسطتها أمكن الحصول على أدق القياسات للأطوال.

لقد استخدمنا في وصف تأثيرات المتداخل موجات متشابهة، تتماثل في الشكل وفي الطول الموجي. كما أننا اعتبرنا دائماً أن للموجة علاقات طور محددة مع غيرها من الموجات. ويقال لموجتين من تلك الموجات إنهما متماسكتان أو مترابطتان.

للموجات المترابطة نفس الشكل والطول الموجي كما أن بين بعضها البعض علاقات طور محددة.

ويطلق على مصادر الموجات المترابطة اسم المصادر المترابطة.