Esperimento di Young

Schema del fenomeno rappresentato da Young

In fisica l'esperimento di Young, realizzato da Thomas Young nel 1801, dimostrò la natura ondulatoria della luce.

Esperimento originale

Due onde cilindriche partono dai quadrati rossi: a causa dell'interferenza, i punti neri sulla destra non ricevono mai luce, mentre quelli rossi hanno intensità massima

Si basa su una singola sorgente che illumina uno schermo opaco con due fenditure parallele (poste a distanza $d$) di larghezza sufficientemente piccola in confronto alla lunghezza d'onda $\lambda$ della luce incidente. In questo modo, per il principio di Huygens, le fenditure diventano due sorgenti lineari di luce coerente che generano su uno schermo posto a distanza $L$ una figura d'interferenza formata da bande alternatamente scure e luminose.

A grande distanza i due raggi luminosi sono pressoché paralleli, per cui la differenza di cammino ottico fra essi corrisponde al tratto $\Delta$.

A grandissima distanza dalle fenditure ($L\gg d$), le rette che congiungono le fenditure con un certo punto $P$ sullo schermo sono all'incirca parallele e formano un angolo $\vartheta$ con la normale della congiungente le fenditure stesse; la differenza di cammino ottico è con buona approssimazione $\Delta \simeq d\sin {\vartheta }$. Sullo schermo si verifica quindi interferenza costruttiva quando $k\Delta =2m\pi$ (con $k={\frac {2\pi }{\lambda }}$ modulo del vettore d'onda ed $m\in \mathbb {Z}$ che indica l'ordine di tale massimo), ovvero quando è soddisfatta la condizione

$\sin {\vartheta _{max}}={\frac {m\lambda }{d}}$

dove $\vartheta _{max}$ indica l'angolo in corrispondenza del quale si ha il massimo d'interferenza. In modo completamente analogo si otterrà un'interferenza distruttiva quando $k\Delta =\pi +2m\pi$, cioè

$\sin {\vartheta _{min}}=(2m+1){\frac {\lambda }{2d}}$

Infine, per angoli "piccoli" ($\vartheta \sim \sin {\vartheta }\sim \tan {\vartheta }$), e quindi anche $m$ piccoli, si può ricavare la distanza tra il punto mediano dello schermo ed i punti di massimo:

$y_{max}\simeq {\frac {m\lambda L}{d}}$

Infatti

$y_{max}=L\tan {\vartheta _{max}}\sim L\sin {\vartheta _{max}}\sim L{\frac {m\lambda }{d}}$

Esperimenti con doppia fenditura "alla Young"

Per analogia, esperimenti simili svolti in altri campi della fisica per lo studio di fenomeni di interferenza, in cui un fascio di particelle (ad es. elettroni) viene fatto passare da due o più fenditure, si indicano con il termine di "esperimenti alla Young".

Il verificarsi dell'interferenza anche utilizzando fasci corpuscolari confermò il dualismo onda-particella, aspetto fondamentale della meccanica quantistica.

Bibliografia

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• Philipp Frank, Philosophy of Science, Prentice-Hall, 1957.
• John Gribbin, Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z, Weidenfeld & Nicolson, 1999, ISBN 0-7538-0685-1.
• A.F. and Edwin F. Taylor French, An Introduction to Quantum Physics, Norton, 1978, ISBN 0-393-09106-6.
• Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage, 2000, ISBN 0-375-70811-1.
• Brian Greene, The Fabric of the Cosmos, Vintage, 2005, ISBN 0-375-72720-5.
• Tony Moy, The New Quantum Universe, Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-56457-3.
• Francis Weston Sears, Optics, Addison Wesley, 1949.
• Paul Tipler, Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics, 5th ed., W. H. Freeman, 2004, ISBN 0-7167-0810-8.

Voci correlate

• Esperimento della doppia fenditura
• Interferenza (fisica)

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Collegamenti esterni

• Simple Derivation of Interference Conditions, su schools.matter.org.uk. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 25 giugno 2008).
• The Double Slit Experiment, su physicsweb.org.
• Double-Slit in Time, su physicsweb.org.
• Keith Mayes explains the Double Slit Experiment in plain English, su thekeyboard.org.uk.
• Carnegie Mellon department of physics, photo images of Newton's rings, su physdemo.phys.cmu.edu. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 3 aprile 2009).
• Java demonstration of double slit experiment, su falstad.com. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 12 ottobre 2008).
• Java demonstration of Young's double slit interference, su vsg.quasihome.com.
• Double-slit experiment animation (GIF), su homepage.univie.ac.at.
• Electron Interference movies from the Merli Experiment (Bologna-Italy, 1974), su bo.imm.cnr.it. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale l'8 gennaio 2008).
• Freeview video 'Electron Waves Unveil the Microcosmos' A Royal Institution Discourse by Akira Tonomura provided by the Vega Science Trust, su vega.org.uk.
• Movie showing single electron events build up to form an interference pattern in the double-slit experiments. (File size = 3.8 Mb)(Movie Length = 1m 8s) (WMV), su hqrd.hitachi.co.jp. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 27 novembre 2007).
• Hitachi website that provides background on Tonomura video and link to the video, su hqrd.hitachi.co.jp. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 25 luglio 2008).
• "Single-particle interference observed for macroscopic objects", su physorg.com.
• Huygens and interference, su acoustics.salford.ac.uk. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 28 ottobre 2007).
• Huygens and interference (PDF), su strings.ph.qmw.ac.uk. URL consultato il 2 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 26 luglio 2011).
• Caltech: The Mechanical Universe, chapter 50 – Particles and Waves, su video.google.com (archiviato dall'url originale il 9 aprile 2009).