二つのスリットがスクリーンに縞模様を描く
光を二つの狭い隙間に通すと、スクリーンに明暗の縞が規則正しく現れます。二つの隙間から出た波が重なり、山と山が合うところは明るく、山と谷が合うところは暗くなるからです。明るい縞は二つの経路の長さの差が波長の整数倍になるとき、すなわち d sinθ = mλ のところに並び、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して見る古典的な見方です。光子が一つずつ、それでも同じ模様を積み上げていく様子は、量子力学の領域の qm-wave-particle の講で扱います。
スリットの間隔 d を広げると縞が密になります。縞の間隔は Δy = λL/d なので、d が大きくなるほど分母が大きくなり間隔が狭まります。可視光は波長が非常に短いため、縞を目に見えるほど広げるには、スリットの間隔 d をミリメートルより小さくしなければなりません。スライダーで d を大きくして、スクリーンの明るい帯どうしが近づき、Δy の値もいっしょに小さくなるのを確かめましょう。
今度は波長 λ を変えます。λL/d では λ が分子にあるので、波長が長いほど縞の間隔が広がります。だから赤い光は縞が広く開き、青い光は密に詰まります。白色光を使うと、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、両側の縞は色ごとに位置が違うため虹のように広がります。スライダーで色を変え、同じ装置でも波長によって縞の幅が変わるのを見ましょう。
スリットとスクリーンの距離 L を伸ばすと、模様全体が大きくなります。Δy = λL/d では L が分子にあるので、距離が遠いほど縞の間隔が比例して広がります。角度は同じでも、遠くへ行くほど同じ角がより大きな間隔に広がるわけです。ただし L を伸ばすと模様は広がりますが、同じ光がより大きな面積に広がるため、明るさはその分だけ暗くなります。スライダーで L を伸ばして模様が拡大するのを見ましょう。
スクリーン上の探針を上下にドラッグしてみましょう。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 mλ にちょうど一致すればそこが明るい縞、半整数倍なら暗い縞です。経路差が半波長ずれた (m+½)λ の位置では、一方の波の山が他方の波の谷と重なって打ち消し合うため、暗い縞になります。探針を動かして次数 m が 0、1、2 に変わる位置を探し、明るい帯と合うことを確かめましょう。
スリットを一つに切り替えると、広くてなめらかな明るさの山が一つだけ残ります。これが一つの広いスリットが単独で作る回折模様です。二つのスリットに戻すと、その山の内側が細かい干渉の縞に刻まれます。つまり二つのスリットの縞は、一つのスリットが定める包絡線の中で踊っているのです。一つのスリットの幅が狭いほど回折の山は広く広がり、その中により多くの干渉縞が収まります。この包絡線の話は次の講の回折へと続きます。