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L’esperimento di Young

Cenni storici:

 

Thomas Young proveniva da una famiglia quacchera del Somerset (Inghilterra), dove nacque nel 1773, primogenito di 10 fratelli. A quattordici anni gli venne impartita un’istruzione prettamente classica, con nozioni anche di francese, italiano, ebraico e arabo. Nel 1792 iniziò gli studi di medicina a Londra. Nel 1794, si trasferì ad Edimburgo, e un anno dopo andò a Göttingen, dove si laureò in fisica nel 1796. Nel 1797 Young ereditò i beni di Richard Brocklesby, un suo prozio, conseguendo così l’indipendenza economica. Nel 1799 iniziò a lavorare come medico nello studio al n. 48 di Welbeck Street a Londra (oggi contrassegnato da una targa). Nel periodo in cui esercitò la professione di medico,Young pubblicò molti dei suoi saggi in modo anonimo per evitare di mettere a repentaglio la propria reputazione.Nel 1801 venne nominato docente di filosofia naturale presso la Royal Institution, dove tenne 91 lezioni. In questo stesso anno concepì un esperimento che provava la natura ondulatoria della luce. Nel 1803 rassegnò le dimissioni da professore ritenendo che i relativi obblighi potessero interferire con la sua professione di medico. Le lezioni tenute presso la Royal Insitution vennero pubblcate nel 1807 con il titolo di Course of Lectures on Natural Philosophy. Nel 1811 Young iniziò ad esercitare come medico presso il St. George’s Hospital e tre anni dopo partecipò ai lavori di una commissione incaricata di studiare i pericoli derivanti dall’uso generalizzato del gas per illuminazione a Londra. Nel 1816 fu segretario di una commissione incaricata di accertare l’unità di lunghezza basata sulla regolare oscillazione di un pendolo, nel 1818 divenne segretario del Consiglio preposto alla soluzione del problema della longitudine e fu anche Sovrintendente presso il Reale Annuario Nautico. Pochi anni prima della sua morte, Young si interessò della problematica collegata all’assicurazione sulla vita. Nel 1827 divenne, infine, uno degli otto membri stranieri dell’Accademia delle scienze francese. Thomas Young morì a Londra il 10 maggio.

L’esperimento di Young

A differenza di quanto affermato dallo scienziato britannico Isaac Newton, all’inizio dell’Ottocento prese piede nella comunità scientifica l’idea che la luce non fosse di natura corpuscolare, bensì di natura ondulatoria. Per questa ragione nel 1801 Young concepì un esperimento, basato su due sorgenti luminose e due fenditure, in maniera da provare inequivocabilmente la natura ondulatoria della luce. L’idea fondamentale è che due fenditure, colpite da un’onda piana proveniente da una sorgente puntiforme,si comportino come due come sorgenti di luce indipendenti generando due onde circolari in fase. Accade che si generi, su uno schermo a distanza, una figura di interferenza formata da bande alternativamente scure e luminose.

 

Figura 1

 La realizzazione dell’apparato di Young

Prendendo spunto da quanto detto di sopra, ho cercato di realizzare un apparato simile a quello realizzato da Young.

Materiali utilizzati:

- Un supporto in truciolato 56x2x23 cm

- Due chiodi

- Sei dorsetti di plastica lunghi 30 cm

- Tre cartoncini neri opachi 50x35 cm

 

Gli strumenti adoperati:

- Una torcia elettrica da 75W / 2.000.000 cd

- Una taglierina da balsa

- Una macchina fotografica

 

Procedimento:

- Ho fissato i due chiodi sul supporto in truciolato a una distanza di 50,5 cm. (La distanza è stata volontariamente aumentata, cosicché il foglio che verrà in seguito posizionato rimanga teso.)

- Con la taglierina ho realizzato su ciascun foglio una coppia di fessure identiche. Queste differiscono da foglio a foglio per altezza, larghezza e distanza.

- Ho assicurato due dorsetti ai lati opposti di ciascun foglio.

- E’ necessario ricreare un ambiente il più possibile buio.

- Si posizionano i dorsetti sui chiodi del supporto, in modo che il foglio a cui sono stati assicurati e su cui sono state ritagliate le fessure rimanga teso.

- Utilizzando la torcia elettrica si proietta un fascio di luce sulle fessure.

- Si esegue lo stesso procedimento con gli altri due fogli.

 

Osservazioni:

- In primo luogo si osserva che lo schermo non è illuminato in maniera uniforme.

- Si denotano delle frange d’interferenza: una striscia centrale brillante e ai suoi lati altre strisce scure e brillanti alternate.

- A seconda del foglio utilizzato varia la distanza tra la fascia luminosa centrale e la prima fascia luminosa laterale.

 

  • Fig. 2  Strumentazione
  • Fig. 3  Fessura 3mm x 5cm Distanza 2mm                                                
  • Fig. 4  Fessura 5mm x 4.5cm Distanza 1cm
  • Fig. 5  Fessura 5mm x 4.5cm Distanza 5mm
 

   

 

Dimostrazione: Proponiamoci di misurare la lunghezza d’onda ldel fascio di luce. Per fare questo consideriamo la distanza l fra la frangia centrale e la prima frangia successiva, la distanza h fra le fessure e la distanza L fra le fessure e lo schermo. Troveremo allora l in funzione di l, h, L, che si misurano direttamente dall’esperimento, per cui sarà immediato ricavare matematicamente di conseguenza l.

Fig. 6

 

Nel punto P , sede della frangia centrale, si ha l’interferenza costruttiva perché F1P=F2P  e quindi i due raggi giungono in fase.

Nel punto P1 , sede della prima frangia, si ha ancora l’interferenza costruttiva perché i due cammini F1P1 e F2P2 hanno per differenza una intera lunghezza d’onda e quindi giungono in fase.

Abbiamo anche costruito il segmento F1Q in modo che sia F1P1=QP1 , cioè che il triangolo F1P1Q sia isoscele. In questo modo, la differenza dei cammini che la luce compie fra le fessure e lo schermo, quando costituisce la prima frangia, vale F2Q .

La misura della lunghezza d’onda l si riduce quindi alla misura del segmento F2Q, ovvero ad un semplice problema di geometria.

Le dimensioni in gioco sono tali per cui l ed h ed sono molto minori di L.

Nel nostro caso abbiamo : h = 2 mm      l = 0.3 mm      L= 1 m .

Poiché L è molto grande rispetto alle altre dimensioni dell’esperimento, le rette F1P1 e F2P1 sono praticamente parallele e gli angoli P1F1Q e P1QF1 sono praticamente retti. Di conseguenza, anche l’angolo F1QF2 è praticamente retto.

Fig. 7

 

 

 

 

 

Notiamo che l’angolo  P1PO è anch’esso retto.

Consideriamo ora gli angoli F1F2Q e F2P1P . Essi sono uguali perché angoli alterni interni delle rette F1F2  e P1P parallele e tagliate dalla retta F2P1.

Fig. 8

 

Possiamo infine anche affermare che gli angoli F2P1P e OP1P sono praticamente uguali.

Abbiamo allora che i triangoli  F1F2Q e OP1P sono simili (hanno la "stessa forma") perché anno gli angoli corrispondenti uguali (ricordiamo che la somma degli angoli interni di un triangolo è un angolo piatto).

 

Se due triangoli sono simili essi hanno i lati in proporzione. Per esempio :

Fig. 9

 

Nicola Fadda  IV E





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