ヤングの実験 わかりやすく
光を二つの狭い隙間に通すと、スクリーンに明るい暗い縞が規則正しく現れます。二つの隙間から出た波が出会い、山と山が重なれば明るく、山と谷が重なれば暗くなるからです。明るい縞の条件は、二つの経路の長さの差が波長の整数倍のとき、つまり d sinθ = mλ で、画面上の縞の間隔は Δy = λL/dで決まります。この講は光を連続した波と見る古典的な見方です。光子が一つずつこの模様をどう積み上げるかは、量子力学の qm-wave-particle の講で扱います。その式の二行に、縞の間隔がすべて入っています。
スリットの間隔 dを広げると、縞は細かくなります。縞の間隔が Δy = λL/dなので、間隔が大きくなるほど分母が大きくなるからです。可視光は波長がとても短く、縞を目に見えるほど広げるには、スリットの間隔をミリメートルより小さくしなければなりません。間隔を大きくすると、スクリーンの明るい帯は互いに近づき、縞の間隔も一緒に縮みます。広げるほど、縞は近づきます。分母がそこでよく効いてきます。
ここでは波長を変えます。縞の間隔の分子に波長があるので、波長が長いほど縞の間隔は広くなります。だから赤い光は縞が広く開き、青い光は細かく集まります。いくつかの色が混ざった光では、中央の縞はすべての色が同じ場所に重なって白く見えますが、両脇の縞は色ごとに場所が違って虹のようににじみます。色を変えると、同じ装置でも波長に従って模様の幅が変わります。長い波長が広い縞を作ります。
スリットとスクリーンの距離を伸ばすと、模様全体が大きくなります。Δy = λL/dでは距離が分子にあるので、遠いほど縞の間隔が比例して開くからです。角度はそのままで、遠くへ行くほど同じ角がより大きな間隔に開きます。ただし距離を伸ばすと模様は広がる代わりに、同じ光がより大きな面積に散って、明るさはその分だけ暗くなります。距離を伸ばすと模様が拡大するのが見えます。広がる分だけ暗くなります。面積が増えます。
スクリーン上の探針を上下に動かすと、各位置で二つのスリットまでの経路の長さの差 d sinθ が計算されます。この差が波長の整数倍とぴったり合うとその場所が明るい縞で、半整数倍なら暗い縞です。経路差が半波長だけずれた (m+½)λ の場所では、一方の波の山が他方の波の谷と重なって打ち消されるので、暗い縞になります。探針を動かして次数 mが 0, 1, 2 と変わる場所を探すと、明るい帯に合うかどうか確かめられます。次数が縞の場所を指します。
スリットを一つに変えると、広くて柔らかい明るさの山が一つだけ残ります。これが一つの広い隙間が作る回折模様です。再び二つの隙間に戻すと、その山の内側が細かい干渉縞に分かれます。二つの隙間の模様は、一つの隙間が作った包絡線の中で踊っているわけです。隙間一つの幅が狭いほど、回折の山はより広く広がり、その中により多くの干渉縞が入ります。この包絡線の話は、次の講の回折へ続きます。一つの隙間の幅が、多くの縞の家を決めます。