Interferencia résen, réseken, rácson

13808

A 19. század elején már több évszázada tartó vita volt, hogy a fény vajon hullám-e vagy részecske. Mivel a nagy tekintélyű Newton a részecsketermészet képviselői közé tartozott, ezért a hullámtermészet hívei voltak gyengébb pozícióban. Young 1801-ben végezte el híres kísérletét, mely egyértelműen bizonyította, hogy a fény egyértelműen hullámként viselkedik. Huygens a nevezetes elve segítségével a hullámok és a fény számos tulajdonségét sikeresen értelmezte, így ő a fényt hullámnak tartotta, szemben Newton elképzelésével, aki a fényt apró, repülő részecskéknek gondolta. Később aztán, 1905-ben Einstein úgy tudta értelmezni a fotoeffektust, hogy a fényt az energiahordozás szempontjából adagosnak, darabosnak tekintette, emiatt a fény részecskéit elnevezte fotonoknak. Ma azt gondoljuk, hogy a fénynek, és minden mozgó objektumnak, egyszerre vannak hullámtulajdonségai és részecsketulajdonsága is. 
 

 Young, az úttörő 

Thomas Young brit kutató az eredeti kétréses interferenciakísérletében a redőnyre kis lyukat fúrt, amin keresztül a napfényből egy vékony sugár jött be a besötétített terembe. A fénysugár útjába élével berakott egy kártyalapot, melynek vastagsága \(\displaystyle \frac{1}{30}\ \mathrm{inch}=0,85\ \mathrm{mm}\approx 1\ \mathrm{mm}\) volt. A fénysugár átmérője a kártyalap vastagságánál nagyobb volt, így a kártya, mint egy kés, "kettévágta" az eredeti nyalábot két egymáshoz közel haladó, párhuzamos nyalábra:

Ma ugyanezt a kísérletet napfény helyett inkább lézerrel és kártyalap helyett kettős réssel végezzük el, ami egy vékony fémlemezbe mart két vágást jelent. Taneszközként különböző távolságú kettős réseket alakítanak ki egyetlen lapkára:

Ha a Young-kísérlethez hűen fehér fényt bocsátunk kettős résre, akkor a mögé helyezett ernyőn a következő interferenciakép lesz látható:

Ha a fehér fénysugár kicsi átmérőjű, és ezt kettősrésre, szimpla résre bocsájtjuk, akkor az alábbi interferenciaképet tapasztaljuk:

Manapság egy vékony, párhuzamos nyalábot sokkal könnyebb lézerrrel előállítani, mint fehér fényből, a lézerek nagy része pedig monokromatikus (egyszínű). Ha ilyet bocsátunk kettős résre, az ernyőn tapasztalható interferenciajelenség hasonló lesz a fehérhez:

Bár a kettős résnél egyszerűbb elrendezés a szimpla rés (az alábbi kép bal oldalán), mégis ez utóbbival csak később végeztek kísérleteket. Illetve ennek "inverze" is meglehetősen egyszerű elrendezés, vagyis amikor a fénysugár útjába vékony "egydimenziós" akadályt helyezünk, magyarán egy szál vékony drótot vagy hajszálat (az alábbi kép jobb oldalán).

Ha ezekre bocsátunk pontszerű lézerfényt: akkor is fényes és sötét sötét zónák váltakozását kapjuk. Az alábbi képen felül a szimpla rés, alatta a kettős rés interferenciaképe látható, azonos résszélesség esetén:

Ha azonos szélességű résból egyre több darabot teszünk egymás mellé azonos távolságban, akkor az alábbi interferenciaképeket tapasztaljuk ( a képen konkrétan \(50\ \mathrm{\mu m}\) résszélesség és \(150\ \mathrm{\mu m}\) rések közötti távolságok esetén):