ヤングの干渉実験

図のように,光源から出て単スリット S を通った波長 λ の単色光は,複スリット S1 , S2 で回折し,光波は S1 , S2 を新たな2つの波源として干渉し,スクリーン上の点 P で回折像(明暗の干渉縞)を生じる.

複スリットの間隔 S1S2 ¯ =d ,複スリットからスクリーンまでの距離 QO¯ =l ,スクリーン上の原点 O から点 P までの距離 OP¯ =x を用いて,明線と暗線の位置は次式で表される.

明線の位置: x=mlλd
暗線の位置: x= m+12 lλd

(整数 m=0,  ±1,  ±2,  ⋯ )

ここで, SS1 ¯ = SS2 ¯ , S1O ¯ = S2O ¯ である.また,実際の距離は概ね d≈1 mm , x≈1 mm  − 1 cm , l≈1 m 程度であり, l≫d, x なので,図では平行に見えないが線分 S1P と S2P はほぼ平行とみなせる.

スクリーン上の原点 O の位置は明るい縞模様となる.原点 O から m 番目, m+1 番目までの明線の位置を xm , xm+1 とすると,明線の間隔は

Δ x = xm+1 − xm = m+1 lλd − m lλd =lλd = 一定

となる.したがって, l , d , Δx を測定すれば,

λ=dΔxl

より光の波長 λ が求まる.


光路差 Δ l = l1 − l2 を求め,干渉条件(明線と暗線が生じる条件)を考えよう.三平方の定理より

S1P ¯ =l1 = l2 + x+d2 2 = l 1+ x+d/2l 2 12   ---(1)
S2P ¯ = l2 = l2 + x−d2 2 = l 1+ x−d/2l 2 12   ---(2)

であり, a≪1 のときの近似式* (1+a) 12 ≈ 1 + 12 a を用いると,式(1),(2)は

(1) ⇒ l1 ≈ l 1 + 12 x+d/2l 2 = l + 12l x2 + x d + d24   ---(3)
(2) ⇒ l1 ≈ l 1+12 x−d/2l 2 = l + 12l x2 − x d + d24   ---(4)

と近似できる.したがって,(3)-(4)より光路差は

Δ l = l1 − l2 ≈ xd2l − −xd2l = dl x

と求まる.光路差が半波長の偶数倍であれば強め合って明線となり,奇数倍であれば弱め合って暗線となる.よって,干渉条件( m :整数)

明線: Δ l = 2 m ⋅ λ2 = m λ
暗線: Δ l = ( 2 m + 1 ) ⋅ λ2 = m+12 λ

から,上述の明線と暗線の位置が求まる.


<光路差 Δl の別の求め方>

[a]

  式(1),(2)の2乗の差
     l12 − l22 = l2 + x+d2 2 − l2 + x−d2 2 =2xd
  ⇒   ( l1 + l2 ) ( l1 − l2 ) =2xd
       ∴Δ l = l1 − l2 = 2xd l1+l2 ≈ 2xd2l = dl x ( l≫d ,  x より l1≈l2 )


[b]

  l≫d ,  x より S1P , S2P , QP は平行線とみなせるので ∠OQP=θ とすると ∠ S1 S2 H ≈θ である.また, θ≪1 なので sinθ≈tanθ =x/l と近似できる.したがって
  ∴Δl = l1−l2 ≈ dsinθ ≈ dtanθ = dlx


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最終更新日: 2025年10月24日