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干渉と回折md 92da0b7
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干渉かんしょうと回折かいせつ

date2026-07-14document_iddoc_e72d2960a3ed1d7a9252c738111f5712description干渉を重ね合わせと位相差から導き、経路差による強め合い・弱め合い、二重スリット条件、回折の見方を証明付きで整理する講義である。prerequisites波の基本 / 三角関数 / 定常波の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/waves/waves-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/optics/huygens-principle-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/optics/young-double-slit-experiment-and-thin-film-interference.lecture.n.md
physicswavesinterferencediffractionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、干渉かんしょうも回折かいせつも波なみの重かさね合あわせとして解説かいせつする。

山やまと山やまが重かさなれば強つよめ合あい、山やまと谷たにが重かさなれば弱よわめ合あう。この違ちがいを決きめるのは、波なみが観測点かんそくてんへ届とどくまでにどれだけ位相いそうがずれたかである。位相差いそうさは経路差けいろさから決きまる。

2用語ようごと定義ていぎ

干渉かんしょうinterferenceとは、複数ふくすうの波なみが重かさなり、振幅しんぷくが大おおきくなったり小ちいさくなったりする現象げんしょうである。

経路差けいろさpath difference Δl とは、2 つの波なみが観測点かんそくてんへ届とどくまでの道みちの長ながさの差さである。

位相差いそうさphase difference δ とは、2 つの波なみの位相いそうの差さである。

回折かいせつdiffractionとは、波なみが障害物しょうがいぶつの端はしを回まわり込こんだり、狭せまい開口かいこうを通とおったあとに広ひろがったりする現象げんしょうである。

3方針ほうしん

干渉かんしょうでは、経路差けいろさを波長はちょうと比くらべる。

  1. 経路差けいろさ Δl を求もとめる。
  2. 位相差いそうさ δ=2πΔl/λ に直なおす。
  3. δ が 2π の整数倍せいすうばいなら強つよめ合あい、π ずれなら弱よわめ合あいである。

回折かいせつでは、開口幅かいこうはばや障害物しょうがいぶつの大おおきさを波長はちょうと比くらべる。

4関係式かんけいしき 1:経路差けいろさと位相差いそうさ

波長はちょう λ の波なみで、経路差けいろさが Δl なら、位相差いそうさは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]δ=2πΔlλ

である。

4.1証明しょうめい

1 波長はちょう λ だけ進すすむと、位相いそうは 2π だけ進すすむ。したがって、距離きょり Δl に対応たいおうする位相いそうの進すすみは比例ひれいで

δ=2πΔlλ

である。

5条件じょうけん 2:強つよめ合あいと弱よわめ合あいの条件じょうけん

同おなじ振幅しんぷく、同おなじ振動数しんどうすうの 2 波なみでは、

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

なら強つよめ合あい、

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

なら弱よわめ合あいである。ただし m は整数せいすうである。

5.1証明しょうめい

2 つの波なみを

y1=Acosωt,y2=Acos(ωt+δ)

と書かく。和積公式わせきこうしきより

y1+y2=2Acosδ2cos(ωt+δ2)

である。合成波ごうせいはの振幅しんぷくは

2A|cosδ2|

である。

δ=2mπ なら |cos(δ/2)|=1 なので振幅しんぷくは最大さいだいになる。関係式かんけいしき 1 より、これは

Δl=mλ

に等ひとしい。

δ=(2m+1)π なら cos(δ/2)=0 なので振幅しんぷくは 0 になる。関係式かんけいしき 1 より、これは

Δl=(m+12)λ

に等ひとしい。

6条件じょうけん 3:二重にじゅうスリットの明線条件めいせんじょうけん

スリット間隔かんかくを d、観測方向かんそくほうこうの角度かくどを θ とする。遠方えんぽうで観測かんそくするなら、明線めいせんの条件じょうけんは

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

である。

6.1証明しょうめい

遠方えんぽうの観測点かんそくてんへ向むかう 2 本ほんの光線こうせんは、ほぼ平行へいこうとみなせる。このとき 2 つのスリットから観測点かんそくてんまでの経路差けいろさは、スリット間隔かんかく d の観測方向かんそくほうこうへの射影しゃえいである。

Δl=dsinθ

である。明線めいせんは強つよめ合あいなので、条件じょうけん 2 より

Δl=mλ

である。したがって

dsinθ=mλ

を得える。

7条件じょうけん 4:回折かいせつが目立めだつ条件じょうけん

開口幅かいこうはば a が波長はちょう λ と同程度どうていどになると、回折かいせつは目立めだつ。

7.1証明しょうめい

厳密げんみつな強度分布きょうどぶんぷではなく、回折かいせつが目立めだつ目安めやすを示しめす。開口かいこうの各点かくてんを二次波にじはの起点きてんと見みると、観測方向かんそくほうこうが少すこし変かわるだけで、開口かいこうの端はしどうしから来くる波なみに経路差けいろさが生しょうじる。開口幅かいこうはば a が λ に近ちかいほど、この経路差けいろさが位相差いそうさとして効ききやすい。したがって波なみは広ひろい角度かくどへ回まわり込こむ。

a≫λ なら、多おおくの二次波にじはが横方向よこほうこうで打うち消けし合あい、直進方向ちょくしんほうこうが強つよく残のこる。そのため回折かいせつは目立めだちにくい。

8単位たんいの確認かくにん

dsinθ=mλ では、sinθ と m は無次元むじげんである。したがって左辺さへんも右辺うへんも長ながさの単位たんいをもつ。

9見分みわけ方かた

  • 明暗めいあん、縞しま、経路差けいろさが出でたら干渉かんしょうを考かんがえる。
  • 隙間すきま、障害物しょうがいぶつ、広ひろがりが出でたら回折かいせつを考かんがえる。
  • 干渉かんしょうでは Δl/λ を見みる。
  • 回折かいせつでは a/λ を見みる。

10どこまで成立せいりつするか

dsinθ=mλ は、遠方えんぽうで観測かんそくし、2 つのスリットから来くる波なみの振幅しんぷくがほぼ等ひとしい場合ばあいの式しきである。近距離きんきょりでは幾何きかを正確せいかくに扱あつかう必要ひつようがある。回折かいせつの詳細しょうさいな強度分布きょうどぶんぷには、開口かいこうの形かたちに応おうじた積分せきぶんが必要ひつようである。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]δ=2πΔlλ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δl=mλ強め合い
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δl=(m+12)λ弱め合い
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dsinθ=mλ

12一言ひとこと

干渉かんしょうでは経路差けいろさを波長はちょうで割わる。回折かいせつでは開口かいこうの大おおきさを波長はちょうと比くらべる。

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