Junga dubultsprauga. Ievads
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
Young's double slit introduction
Transkripts:
00:01
- [Instruktors] Junga dubultspraugas eksperiments
00:02
izskatījās apmēram šādi.
00:04
Ir barjera, kurā ir divi atvērumi,
00:06
bet šie atvērumi ir tik mazi un tik tuvu viens otram,
00:09
ka mēs tos saucam par spraugām,
00:12
un dubultsprauga, jo to ir divas.
00:14
Jungs bija angļu fiziķis, kurš pirmais
00:16
veica šāda veida eksperimentu.
00:17
Mūsdienās mēs ņemam lāzeru,
00:19
un spīdinām šo lāzeru uz dubultspraugu.
00:23
Lāzeram jābūt pietiekami platam, lai tas trāpītu abās spraugās.
00:27
Tu varētu nodomāt, ak, Dievs, vajag lielu lāzeru.
00:29
Nē, šīs spraugas izveido ļoti tuvu vienu otrai.
00:31
Tāpēc tās izveido ļoti tuvu vienu otrai,
00:33
vai vismaz tas ir viens no iemesliem.
00:35
Otrs iemesls ir tas, ka attālumam starp
00:37
šīm spraugām jābūt salīdzināmam.
00:39
Tam nav jābūt tāda paša izmēra vai mazākam,
00:41
bet tam jābūt apmēram tādam.
00:42
Tas nevar būt triljons reižu lielāks
00:44
par šīs lāzera gaismas viļņa garumu,
00:47
ko tu šeit raidi.
00:48
Tam jābūt apmēram tāda paša izmēra,
00:49
citādi tu neredzēsi to, par ko mēs šeit runāsim.
00:52
Tu neredzēsi interesanto ainu,
00:53
kas parādīsies.
00:54
Tev varētu rasties jautājums, ko es te esmu uzzīmējis?
00:55
Kas tas ir?
00:57
Tas taču nav vilnis!
00:58
Šis ir vilnis, tieši šeit.
01:00
Es domāju, ka tie bija viļņi.
01:01
Ko mēs darām tagad?
01:02
Kāpēc mums ir šāds atšķirīgs attēlojums?
01:04
Iemesls ir tāds, ka, zīmējot šo,
01:06
es varu parādīt vilni tikai vienā dimensijā.
01:09
Bet ar to nepietiek.
01:10
Šis process būs fundamentāli divdimensionāls.
01:13
Šis vilnis izplatīsies divās dimensijās,
01:15
tāpēc es to nevaru zīmēt šādi,
01:17
man tas jāzīmē šādi.
01:18
Ko attēlo visa šī līnija?
01:19
Tā attēlo viļņa virsotni.
01:21
Visur šeit ir viļņa virsotne,
01:23
tātad šis vilnis aizpilda visu šo apgabalu.
01:26
Šīs līnijas attēlo vietas, kur katrs punkts
01:29
ir viļņa virsotne.
01:31
Kas ir pa vidu? Jā.
01:32
Pa vidu būtu viļņa ieplaka,
01:34
jeb ieleja.
01:36
Tieši to es izmantošu.
01:37
Es izmantošu šo viļņa attēlojumu.
01:39
Tas man ļaus parādīt šī viļņa izplatīšanos
01:41
divās dimensijās labāk, nekā to varētu izdarīt šis attēlojums.
01:44
Ar šo es to nevarētu ļoti labi uzzīmēt.
01:46
Kas notiek?
01:47
Šis vilnis nāk šeit, šī lāzera gaisma nāk šeit.
01:50
Tā daļa trāpa barjerā, tā netiek cauri.
01:53
Šī daļa trāpa barjerā, tā netiek cauri.
01:54
Šī daļa trāpa barjerā, tā netiek cauri.
01:56
Vienīgā daļa, kas tiks cauri,
01:58
būtībā ir šī daļa šeit un šī daļa šeit.
02:02
Tās būs tās, kas tiks cauri.
02:04
Kas notiek?
02:05
Ko tu redzi uz sienas šeit?
02:07
Ja šis būtu ekrāns, uz kura tu varētu projicēt
02:09
gaismu, ko tu redzētu?
02:11
Naivi domājot, es būtu iedomājies:
02:13
labi, gaisma iziet cauri – uz ekrāna būs vienkārši spilgta josla.
02:16
Gaisma nāk caur šejieni, gaiša josla.
02:18
Tu vienkārši redzēsi divas gaišas joslas, vai ne?
02:20
Nu, nē, tas nav tas, ko tu redzēsi.
02:21
Tāpēc šis eksperiments ir interesants,
02:23
jo tu neiegūsti tikai divas gaišas joslas.
02:26
Šeit tu iegūsti noteiktu ainu,
02:27
jo viļņi neiziet taisni caur šo spraugu.
02:31
Kad vilnis sastopas ar spraugu vai stūri,
02:34
tas apliecas ap to.
02:35
Šo apliekšanos mēs saucam par difrakciju.
02:38
Vilnis aplieksies, izejot no apakšējās spraugas.
02:41
Tas neizplatīsies taisnā līnijā.
02:42
Tas izplatās divās dimensijās.
02:44
Tāpēc man bija jāizmanto šis viļņa zīmēšanas veids.
02:47
Tas aplieksies, izejot arī no augšējās spraugas.
02:49
Paskaties, kas notiks.
02:51
Divi viļņi pārklāsies.
02:53
Šie divi viļņi sāks pārklāties,
02:55
un tur, kur tie pārklājas konstruktīvi,
02:57
tu iegūsi gaišu punktu,
02:58
un tur, kur tie pārklājas destruktīvi,
03:00
tu iegūsi tumšu punktu.
03:01
Kur tas ir daļēji konstruktīvi, daļēji destruktīvi,
03:04
tu varētu iegūt vidēji gaišu punktu.
03:07
Kā lai mēs noskaidrojam, kas notiks?
03:08
Es nevaru to uzzīmēt pietiekami precīzi,
03:10
lai tev to parādītu, tāpēc ļauj man atbrīvoties
03:13
no visa šī jucekļa.
03:16
Kas nāktu ārā no apakšējās spraugas?
03:18
Tu iegūtu šo, jauku sfērisku ainu, kas nāk no šejienes.
03:22
Intensitāte varētu nebūt precīzi vienāda visur šeit,
03:26
bet es nevaru to uzzīmēt ar precīzi pareizu intensitāti.
03:29
Šeit augšā šīs daļas intensitāte
03:31
būtu mazāka nekā šīs daļas šeit,
03:33
tas ir, pakāpe, kādā tas izplatās,
03:35
bet tas man palīdzēs to vizualizēt.
03:37
Ir šis vilnis, kas izplatās,
03:39
no apakšējās spraugas.
03:40
Ir arī vilnis, kas izplatās no augšējās spraugas.
03:43
Tagad tie pārklāsies.
03:44
Uzzīmēsim abus, bum.
03:46
Viļņi pārklājas.
03:47
Tajā pašā reģionā būs
03:48
konstruktīva un destruktīva interference.
03:51
Ja tu paskatīsies, atceries, šīs līnijas attēlo viļņu virsotnes,
03:54
tāpēc katru reizi, kad viļņa virsotne sakrīt ar citu viļņa virsotni,
03:59
vai pa vidu, ieplaka ar ieplaku,
04:02
katru reizi, kad vilnis ir precīzi fāzē,
04:05
kad tas nonāk tajā pašā punktā,
04:06
šie visi ir konstruktīvi punkti,
04:08
tāpēc tieši pa vidu tu iegūtu gaišu joslu.
04:11
Tas ir nedaudz dīvaini.
04:13
Tieši starp šīm spraugām būtu liela, gaiša josla.
04:15
Kur vēl?
04:16
Nu, paskaties uz šo.
04:17
Šis ir konstruktīvs, konstruktīvs, viss ir konstruktīvs.
04:21
Tie veido līniju, rodas šīs līnijas,
04:23
konstruktīvas interferences līnijas.
04:25
Tas pats ar šo līniju, konstruktīva, konstruktīva,
04:29
visu ceļu līdz šejienei.
04:31
Uz sienas tu redzētu vairākas gaišas joslas.
04:34
Šeit apakšā, šie visi ir konstruktīvi,
04:36
jo viļņu virsotnes perfekti sakrīt.
04:39
Es iegūtu vēl vienu šeit.
04:41
Tu turpinātu iegūt šīs gaišās joslas uz sienas.
04:44
Tās neveidotos mūžīgi.
04:45
Kādā brīdī tās sāktu izgaist.
04:48
Būtu grūti saskatīt, bet tu redzētu
04:49
šos gaišos punktus, kas turpinās.
04:52
Kādā brīdī tie ir tik blāvi, ka tu tos nevari redzēt.
04:55
Pa vidu, nu, lai kur...
04:58
Paskatīsimies, uz kuru punktu būtu labi paskatīties?
04:59
Visur, kur viļņa virsotne sakrīt ar ieplaku,
05:02
šim vilniim virsotne ir tieši šeit,
05:04
bet otram vilnim, paskat,
05:06
mēs esam starp divām zaļajām līnijām,
05:08
tātad tajā punktā būs destruktīva interference,
05:11
jo viļņa virsotne sakrīt ar ieplaku.
05:13
Šis būtu destruktīvs un šis būtu destruktīvs,
05:15
tāpēc starp tiem tu iegūsti destruktīvu punktu.
05:19
Tas pats ir spēkā, starp katru no šiem
05:21
perfekti konstruktīvajiem punktiem,
05:23
tu iegūtu perfekti destruktīvu punktu,
05:25
un starp tiem būtu daļēji konstruktīva,
05:27
daļēji destruktīva, tie saplūstu viens ar otru,
05:29
un tas, ko tu iegūtu, dažreiz fiziķi
05:31
zīmē nelielu grafiku, lai to attēlotu,
05:34
tu iegūsti gaišu punktu vidū.
05:36
Tas it kā attēlo grafiku
05:37
ar intensitāti nulle, un tad vēl viens gaišs punkts,
05:41
un tā atkal nokrītas līdz nullei, vēl viens gaišs punkts.
05:44
Tie kļūst vājāki un vājāki, ejot uz ārmalu.
05:45
Kādā brīdī to ir grūti saskatīt.
05:48
Tas pats ir šajā pusē.
05:49
Nulle, gaišs punkts, nulle, gaišs punkts.
05:53
Šī ir klasiskā dubultspraugas aina,
05:56
ko tu redzēsi uz sienas,
05:57
un to izraisa viļņu interference divās dimensijās.
06:01
Kāds ir viļņu interferences noteikums divās dimensijās?
06:03
Tas pats noteikums, kas viļņu interferencei vienā dimensijā.
06:07
Atceries, tas bija šāds.
06:08
Vienai dimensijai delta X, ceļa garumu starpībai
06:12
jābūt 0, lambda, 2 lambda, 3 lambda,
06:16
un tā tālāk, tas mums dotu konstruktīvu interferenci.
06:19
Tagad, ja tu uzmanīgi klausies,
06:21
tu varētu teikt: "Pagaidi, bija taču nosacījums."
06:24
Atceries, tas bija spēkā tikai tad, ja nebija
06:26
nekādu dīvainību ar skaļruņa aizmuguri.
06:30
Mums bija jāpārliecinās, ka šie divi avoti
06:32
sākumā bija fāzē.
06:34
Vai tas attiecas uz šiem gaismas viļņiem? Jā.
06:37
Patiesībā, tāpēc mēs izmantojam dubultspraugu šādā veidā.
06:40
Tāpēc mēs ņemam vienu vilni, mēs ļaujam vienam vilnim
06:43
nākt caur šejieni.
06:45
Tādā veidā mēs to sadalām divās daļās. Kāpēc?
06:47
Jo mēs zinām, ja viļņa virsotne ieiet augšējā spraugā,
06:50
tad tas pats vilnis ieiet arī apakšējā spraugā,
06:52
te arī ir virsotne.
06:54
Tas ir gudrs veids, ātrs un viegls veids,
06:57
kā pārliecināties, ka tavi divi avoti, kas nāk ārā
06:59
no šiem diviem caurumiem, ir precīzi fāzē.
07:02
Tev nav jāuztraucas par fāžu
07:04
starpību, ko rada avots.
07:07
Tev ir jāuztraucas tikai par fāžu starpību,
07:09
ko rada fakts, ka šie viļņi
07:11
veiks dažādus attālumus līdz dažādiem punktiem.
07:14
Ko es ar to domāju?
07:15
Ko šeit nozīmē ceļa garumu starpība?
07:17
Nu, ja es skatos no šīs augšējās līnijas,
07:20
vai šīs augšējās spraugas, tas būtībā ir kā mūsu skaļrunis,
07:22
viens avots šeit un otrs avots šeit,
07:23
bet tie ir gaismas, nevis skaņas viļņi,
07:26
no šejienes līdz centrālajai gaišajai joslai,
07:29
vilnim no augšējās spraugas bija jāveic
07:31
noteikts attālums, un no apakšējās spraugas
07:34
līdz tam punktam vilnim bija jāveic noteikts attālums.
07:37
Būtībā šo mēs varam saukt par X1, šo garumu par X2.
07:41
Gājumu diference būtu X1 - X2.
07:45
Šo garumu starpība, un tu vari vienkārši
07:47
ņemt absolūto vērtību, ja vēlies,
07:48
bet starpības lielums starp
07:50
šiem diviem ceļa garumiem, kāds tas būs?
07:52
Tieši centrā tas
07:54
ir vienkārši delta X = 0,
07:56
jo viļņi veic vienādu attālumu,
07:59
lai nonāktu tajā punktā.
08:01
Tam ir jēga.
08:02
Tas ir konstruktīvs punkts, jo nulle
08:03
dod konstruktīvu punktu,
08:05
kad ceļa garumu starpība ir nulle.
08:07
Kā ar nākamo punktu?
08:10
Vilnim no apakšas jāveic šāds attālums.
08:13
Vilnim no augšējās spraugas jāveic šāds attālums.
08:16
Šoreiz tie neveic vienādu attālumu.
08:18
Vilnis no apakšējās spraugas veic lielāku attālumu.
08:20
Cik lielāku?
08:22
Tam jābūt nākamajam,
08:22
tam jābūt lambda.
08:24
Šis vilnis veiks...
08:26
apakšējais vilnis veiks par vienu viļņa garumu lielāku attālumu,
08:29
lai nokļūtu šajā punktā, nekā vilnis no augšējās spraugas,
08:32
jo tā ir nākamā iespēja
08:33
konstruktīvai interferencei.
08:35
Ievēro, ka no šejienes līdz turienei nav viens viļņa garums.
08:41
Tas ir izplatīts nepareizs priekšstats.
08:42
Šis attālums uz sienas starp konstruktīvajiem punktiem
08:45
nav viens viļņa garums.
08:48
Gājumu diference, ko viens vilnis
08:50
veic, lai tur nokļūtu, salīdzinot ar otru vilni,
08:52
ir viens viļņa garums.
08:54
Varu saderēt, ka tu vari uzminēt nākamo.
08:55
Nākamais, delta X, būtu vienkārši divi viļņu garumi,
08:58
un tā var turpināt.
09:00
Kā ar destruktīvajiem punktiem?
09:01
Protams, tu zini, kā to izdarīt.
09:03
Tie būs pusviļņa garumi,
09:04
lambda dalīts ar 2.
09:06
Šis būs 3 lambda dalīts ar 2,
09:10
un tā tālāk.
09:11
Šeit apakšā, ko tu iegūtu?
09:12
Nu, ja tu atbrīvotos no absolūtās vērtības zīmes,
09:15
tu varētu sākt runāt par to, ka
09:18
šis delta X būtu mīnus viens lambda.
09:21
Šis būtu mīnus divi lambda, un tā tālāk.
09:25
Tu varētu izmantot negatīvas vērtības, ja gribētu
09:27
norādīt uz to, ka tās varētu būt zemāk
09:29
vai augstāk atkarībā no tā, kur tu atrodies
09:31
šajā interferences ainā.
Eksperta komentārs
Video tiek aplūkots angļu zinātnieka Tomasa Junga dubultspraugas eksperiments un skaidrota interferences ainas veidošanās, gaismai izplatoties caur divām šaurām spraugām.
Sākumā tiek parādīts, kāpēc spraugām jābūt ļoti tuvu viena otrai un attālumam starp tam jābūt salīdzināmam ar gaismas viļņa garumu.
Video vizuāli uzskatāmi parādīta viļņu izplatīšanās pēc iziešanas cauri spraugām un to interference. Analizēti konstruktīvās un destruktīvās interferences nosacījumi, skaidrojot, kā ekrānā rodas gaišās un tumšās joslas.
Tālāk tiek ieviests gājumu diferences jēdziens un parādīts, kā interferences maksimumu un minimumu novietojumu nosaka starpība starp attālumiem, ko viļņi no abām spraugām veic līdz konkrētam punktam uz ekrāna. Tiek uzsvērts, ka konstruktīva interference rodas, ja gājumu diference ir vesels viļņa garumu skaits, bet destruktīva interference – ja gājumu diference ir nepāra skaits pusviļņa garumu.
Noslēgumā tiek skaidrots, kāpēc dubultspraugas eksperiments automātiski nodrošina, ka abi viļņu avoti ir vienā fāzē, jo abi viļņi rodas no viena un tā paša sākotnējā gaismas viļņa.
Piezīme par terminoloģiju. Video subtitros un nosaukumā angļu fiziķa Thomas Young (1773–1829), viena no gaismas viļņu teorijas pamatlicējiem, uzvārds tulkots kā Jungs, jo šāda forma atbilst angļu uzvārda izrunai. Tomēr mācību materiālos latviešu valodā sastopamas abas formas. Centralizētā eksāmena indikatoros, kā arī Ervīna Šiltera mācību grāmatā lietota forma Jangs, savukārt portālos Uzdevumi.lv un FIZMIX biežāk sastopama forma Jungs. Abi nosaukuma varianti attiecas uz vienu un to pašu fiziķi un eksperimentu.