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ヤングの実験と薄膜干渉md 7bca122
lecture/physics/optics/young-double-slit-experiment-and-thin-film-interference.lecture.n.md
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ヤングの実験じっけん薄膜干渉はくまくかんしょう

date2026-07-14document_iddoc_e12aabb170be21e10a7d389cd96ff6afdescriptionヤングの二重スリットと薄膜干渉を光路差と位相差から整理し、明線・暗線条件と薄膜条件を証明する講義である。prerequisites干渉と回折 / スネルの法則の基本 / 三角関数type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/waves/interference-and-diffraction.lecture.n.md / data/lecture/physics/optics/optics-portal.lecture.n.md
physicsopticsinterferenceyoung-experimentthin-filmlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、ひかり干渉かんしょうを「あかるい・くらいの模様もよう」ではなく、光路差こうろさ位相差いそうさめる現象げんしょうとして解説かいせつする。

2 つのひかりおな位相いそうとどけばつよい、逆位相ぎゃくいそうとどけばよわう。したがって中心ちゅうしんになるりょうは、距離差きょりさまたは屈折率くっせつりつふくめた光路差こうろさである。

2用語ようご定義ていぎ

光路長こうろちょうoptical path lengthとは、屈折率くっせつりつ n媒質ばいしつ距離きょり L すすむときの

nL

である。

光路差こうろさoptical path differenceとは、2 つのひかり観測点かんそくてんとどくまでの光路長こうろちょうである。

3方針ほうしん

干渉かんしょうではさき光路差こうろさ Δく。

  1. Δ=mλ ならつよう。
  2. Δ=(m+12)λ ならよわう。
  3. 反射はんしゃ位相いそうπ ずれる場合ばあいは、λ/2追加ついかする。

4条件じょうけん 1:ヤングの明線条件めいせんじょうけん暗線条件あんせんじょうけん

2 つのスリットの間隔かんかくd観測方向かんそくほうこう中心方向ちゅうしんほうこうとなすかくθ とすると、光路差こうろさ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ=dsinθ

である。明線めいせん条件じょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dsinθ=mλ

暗線あんせん条件じょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dsinθ=(m+12)λ

である。

4.1証明しょうめい

2 つのスリットからとおてん観測かんそくする。観測点かんそくてん十分じゅうぶんとおければ、2 つのスリットから観測点かんそくてんかう光線こうせんはほぼ平行へいこうとみなせる。

スリット間隔かんかく d を、観測方向かんそくほうこう射影しゃえいしたながさが経路差けいろさである。したがって

Δ=dsinθ

である。

2 つのひかりつようには、位相差いそうさ2π整数倍せいすうばいであればよい。光路差こうろさ λ位相差いそうさ 2π対応たいおうするので、

Δ=mλ

明線めいせん条件じょうけんである。よわうには位相差いそうさπ だけずれればよいので、

Δ=(m+12)λ

暗線あんせん条件じょうけんである。

5関係式かんけいしき 2:干渉縞かんしょうじま間隔かんかく

スクリーンまでの距離きょりL、スリット間隔かんかくd とし、Ld角度かくどちいさいとする。明線めいせん位置いち ym

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ym=mλLd

であり、とな明線めいせん間隔かんかく

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δy=λLd

である。

5.1証明しょうめい

明線条件めいせんじょうけん

dsinθ=mλ

である。小角近似しょうかくきんじにより

sinθtanθ=yL

である。したがって

dymL=mλ

となり、

ym=mλLd

る。とな明線めいせんでは m が 1 だけわるので、

Δy=ym+1-ym=λLd

である。

6関係式かんけいしき 3:薄膜干渉はくまくかんしょう光路差こうろさ

屈折率くっせつりつ nあつt薄膜はくまくにほぼ垂直すいちょくひかり入射にゅうしゃすると、膜内まくない往復おうふくする光路差こうろさ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ=2nt

である。

6.1証明しょうめい

薄膜はくまくなかすす距離きょりは、しためんまでってもどるので

2t

である。媒質ばいしつ屈折率くっせつりつn なので、光路長こうろちょう距離きょりnける。したがって光路差こうろさ

Δ=2nt

である。

7境界条件きょうかいじょうけんから使つか事実じじつ反射はんしゃでの位相反転いそうはんてん

屈折率くっせつりつちいさい媒質ばいしつからおおきい媒質ばいしつ反射はんしゃすると、反射波はんしゃは位相いそうπ ずれる。屈折率くっせつりつおおきい媒質ばいしつからちいさい媒質ばいしつ反射はんしゃすると、位相反転いそうはんてんこらない。

7.1位置いちづけ

これはなみ境界きょうかい反射はんしゃするときの境界条件きょうかいじょうけんから結果けっかである。このページでは境界条件きょうかいじょうけんからの詳細しょうさい導出どうしゅつあつかわず、薄膜干渉はくまくかんしょう前提ぜんていとして使つかう。固定端こていたん反射はんしゃするなみ反転はんてんし、自由端じゆうたん反射はんしゃするなみ反転はんてんしないことと対応たいおうする。ひかりでは、屈折率くっせつりつおおきいがわでの反射はんしゃ固定端反射こていたんはんしゃ対応たいおうする。

8条件じょうけん 4:反射光はんしゃこう薄膜干渉条件はくまくかんしょうじょうけん

空気くうき薄膜はくまく空気くうきのように、上面じょうめんでだけ位相反転いそうはんてんこる場合ばあい反射光はんしゃこうつよ条件じょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]2nt=(m+12)λ

であり、よわ条件じょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]2nt=mλ

である。

8.1証明しょうめい

2 つの反射光はんしゃこうくらべる。1 つは薄膜はくまく上面じょうめん反射はんしゃし、もう 1 つは膜内まくない往復おうふくして下面かめん反射はんしゃしてもどる。

膜内まくない往復おうふくすることによる光路差こうろさ

2nt

である。上面じょうめんでだけ位相いそうπ ずれるので、これは光路差こうろさ λ/2追加ついかされたこととおなじである。

つようには、全体ぜんたいλ整数倍せいすうばいであればよい。したがって

2nt+λ2=kλ

である。これを

2nt=(k-12)λ

き、m=k-1 とおけば

2nt=(m+12)λ

である。

よわうには、全体ぜんたい(k+12)λ であればよいので、

2nt+λ2=(k+12)λ

より

2nt=kλ

る。m=kけば

2nt=mλ

である。

9見分みわかた

  • ヤングの実験じっけんΔ=dsinθ
  • 小角近似しょうかくきんじでは ym=mλL/d
  • 薄膜はくまくさき2ntく。
  • 反射はんしゃ位相反転いそうはんてんが 0 かいか 1 かいか 2 かいかを確認かくにんする。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dsinθ=mλ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δy=λLd
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δfilm=2nt

11一言ひとこと

ひかり干渉かんしょうは、明暗めいあんではなく、光路差こうろさ位相差いそうさめる問題もんだいである。

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