Dispozitivul lui Young: Experimentul Care a Prins Lumina – Materie BAC

Bun, hai să vorbim despre unul dintre cele mai elegante, simple și decisive experimente din istoria științei, dispozitivul lui Young (Experimentul cu dubla fantă). Nu e doar o schemă dintr-un manual, este arma perfectă cu care Thomas Young a dovedit în 1801 că lumina se comportă ca o undă. În fața acestui experiment, teoria corpusculară a lui Newton a trebuit să se retragă. De ce? Pentru că particulele nu pot să facă ce a făcut lumina aici: să se combine cu ea însăși pentru a produce benzi de întuneric.

Hai să reconstruim împreună acest experiment revoluționar, pas cu pas.

---

1. Scenariul: Ce Vedeai în Camera Întunecată a lui Young?

Imaginează-ți o cameră întunecată. Într-un perete este o fantă îngustă S, iluminată de o sursă de lumină monocromatică (o singură culoare, deci o singură lungime de undă λ). La câțiva centimetri în spate, un alt ecran are două fante foarte înguste și foarte apropiate, S1 și S2, paralele cu S. În spatele lor, la câțiva metri, este un ecran de observație.

Ceea ce Young a văzut pe ecran NU a fost două pete luminoase simple (cum ar fi proiectat două fascicule de particule). A văzut ceva uimitor: un șir de benzi paralele, alternativ luminoase și întunecoase, perfect regulate, numite franje de interferență.

Franja centrală era cea mai luminoasă, iar pe măsură ce te îndepărtai de ea, franjele deveneau din ce în ce mai puțin luminoase.
Asta era marea mister! Cum pot două fante să producă benzi de întuneric? Răspunsul: interferența.

2. Logica din Spate: De unde Vin Franjele?

Pasul 1: Crearea Coerenței
Fantă S are un rol esențial: ea este iluminată de o sursă extinsă (o flacără în epoca lui Young). Fiecare punct al sursei ar produce lumină incoerentă. Dar S, fiind foarte îngustă, se comportă ca o sursă punctiformă secundară. Lumina care trece prin S este coerentă – are o fază bine definită. Această lumină coerentă ajunge simultan la cele două fante S1 și S2.

Pasul 2: Fantele Devin Surse Coerente
Fantele S1 și S2 sunt atât de înguste și așezate atât de aproape încât lumina de la S le lovește în același timp. Ele devin două surse secundare de lumină perfect coerente. Acestea sunt cele două surse care vor produce interferența.

Pasul 3: Suprapunerea și Condițiile de Interferență
Undele sferice care pleacă din S1 și S2 se suprapun în spațiul din fața lor, în special pe ecranul îndepărtat. În fiecare punct P de pe ecran, lumina ajunge după ce a parcurs două drumuri diferite: d1 de la S1 la P și d2 de la S2 la P.

• Dacă diferența de drum δ = d2 - d1 este un multiplu întreg al lungimii de undă (δ = k * λ, cu k = 0, ±1, ±2...), undele ajung în fază. O creastă întâlnește o creastă. Rezultat: Interferență constructivă → FRANJĂ LUMINOASĂ.
• Dacă diferența de drum δ este un multiplu impar al semiundei (δ = (2k+1) * λ/2), undele ajung în opoziție de fază. O creastă întâlnește un gol. Rezultat: Interferență distructivă → FRANJĂ ÎNTUNECATĂ.

Așa se nasc benzi de întuneric din două surse de lumină! Anularea perfectă a luminii. Acest lucru e imposibil în modelul corpuscular. Două fluxuri de particule ar produce pur și simplu o zonă mai luminată unde se suprapun. Niciodată întuneric.

3. Geometria și Formulele Cheie

Să notăm:

• d = distanța dintre cele două fante (S1S2). Foarte mică (~mm).
• D = distanța de la planul fantelor la ecran. Mare (~m).
• x = distanța de pe ecran față de punctul central O (opus mijlocului dintre fante).
• λ = lungimea de undă a luminii folosite.

Pentru D >> d și x mic, geometria devine simplă. Diferența de drum se aproximează elegant:
δ ≈ (d / D) * x

Acum putem scrie condițiile pentru franje:

A) Poziția Maximelor (Franje Luminoase):
δ = k * λ → (d/D) * x_max = k * λ
Deci: x_max = k * (λ * D) / d

B) Poziția Minimelor (Franje Întunecate):
δ = (2k+1) * λ/2 → (d/D) * x_min = (2k+1) * λ/2
Deci: x_min = (2k+1) * (λ * D) / (2d)

k se numește ordinul de interferență. k=0 este maximul central. k=±1 sunt primele maxime laterale, etc.

4. Mărimea Magică: Interfranja (i)

Cea mai ușor de măsurat și cea mai importantă mărime este interfranja.

Definiție: Interfranja (i) este distanța dintre două maxime (sau două minime) consecutive.

Din formula lui x_max, distanța dintre maximul de ordinul k și maximul de ordinul k+1 este:
i = x_(k+1) - x_k = [ (k+1) * (λD/d) ] - [ k * (λD/d) ]

Formula de Aur a lui Young:

i = (λ * D) / d

Ce ne spune această formulă simplă despre lume?

1. i este direct proporțional cu λ. Cu cât lumina este mai roșie (lungime de undă mai mare), cu atât franjele sunt mai late. Cu cât lumina este mai violetă (lungime de undă mai mică), cu atât franjele sunt mai înguste. Dacă ai folosi lumină albă (toate culorile), maximul central va fi alb (toate culorile se adună în fază), dar maximele laterale vor fi curcubeie – albastrul va fi mai aproape de centru, roșul mai departe. Asta se numește dispersionă.
2. i este direct proporțional cu D. Cu cât ecranul este mai depărtat, cu atât modelul de interferență este mai larg (mai ușor de măsurat).
3. i este invers proporțional cu d. Cu cât fantele sunt mai apropiate (d mic), cu atât franjele sunt mai late! Asta pare contraintuitiv, dar e adevărat. Când fantele sunt foarte apropiate, diferențele de drum δ variază foarte lent pe ecran, deci benzi largi.

5. Importanța și Moștenirea Experimentului

De ce a fost atât de revoluționar?

1. A dovedit natura undelor a luminii în mod incontestabil.
2. A oferit prima metodă precisă de măsurare a lungimilor de undă ale luminii. Dacă măsori i, D și d, poți calcula λ = (i * d) / D. Young a făcut chiar asta, obținând valori foarte apropiate de cele moderne.
3. A deschis calea către întreg domeniul opticii fizice (interferență, difracție, polarizare).

Unde îl mai întâlnim azi?

• În laboratoarele de fizică ca experiment didactic fundamental.
• În principiul holografiei.
• În analiza calității suprafețelor prin interferometrie.
• În teoria cuantică (unde a reapărut cu o semnificație și mai profundă: experimentul cu dubla fantă pentru electroni arată că și particulele se pot comporta ca unde!).

---

În concluzie:

Dispozitivul lui Young este un monument al simplității și al puterii demonstrației experimentale. El ia o problemă profundă (natura luminii) și o rezolvă cu o schemă care poate fi construită pe un birou.

El ne învață că:

1. Adăugarea a două surse de lumină nu dă neapărat mai multă lumină, poate da și întuneric.
2. Fenomenele de interferență sunt sensibile la lungimi de undă de ordinul nanometrilor.
3. Un model elegant și predictibil (i = λD/d) poate naște dintr-un aranjament ingenios.

Data viitoare când vei vedea un curcubeu pe un CD sau DVD (care e un tip de rețea de difracție), să-ți amintești de Young și de cele două fante simple care au arătat că lumina, în esența ei, dansează.