光 は 波の性質 をもつことが知られています。しかし、光の波長は非常に短いため、19世紀までは光の波動性が証明されていませんでした。そんな中、1807年、狭いスリットを用いた実験で、光が波であることを証明したのが、イギリスの物理学者・ ヤング です。今回はヤングがどんな実験を行ったかについて解説していきます。

ヤングの実験で用いられたのは、次の図のような装置です。

図の左端に光源があり、そこから光が送り出されています。光はスリット(すき間)S₀を通ったあと、S₀から等距離にあるスリットS₁、S₂に到達します。さらにS₁、S₂を通過した光はスクリーンに届くのですが、このとき スクリーン上に明暗の干渉縞 が現れるのです。

ヤングの実験では、波特有の2つの現象を確認することができます。

1つ目は 回折 です。光はS₀を通り抜けた後、直進するのではなくS₁とS₂に到達しましたね。これは光が S₀を波源として同心円状に波が広がった からだと考えられます。狭いすき間を通るとき、波が障害物の背後にまわりこむように広がる現象を回折といいます。

2つ目は 干渉 です。S₁、S₂を通過した光はスクリーンに届き、 明暗の干渉縞 をつくりました。スクリーン上で光が 強め合ったり、弱め合ったりする干渉 を起こしていると考えられます。

光を波と考えた場合、本当にスクリーン上で強め合い・弱め合いが起こるのかを確認してみましょう。S₁とS₂の距離をd、2つのスリットから右にL離れた位置にスクリーンがあるとし、スクリーンの中心Oからxだけ離れた点Pにおける干渉の条件を考えます。

S₀から出た光の波は、回折によってS₁、S₂に届きます。 S₀からS₁、S₂までの距離は等しいので、 同位相の波 が届きますね。したがって、S₁、S₂は 同位相の波 を送り出す2つの波源だと見ることができます。

このとき、 スクリーン上の点Pにおける干渉の条件 は、 2つの波源との距離差|S₁P-S₂P|によって決まる ことになります。

|S₁P-S₂P|の値は、上図で d,x,θの値が十分小さい ことを利用して求めましょう。 d,xの値が十分小さい ことから、S₁PとS₂Pは ほぼ平行とみなす ことができますね。したがって、|S₁P-S₂P|は下図の dsinθ とみますことができます。

さらに、 θの値が十分小さい ことから、 sinθはtanθとほぼ等しい と近似することができます。つまり、
|S₁P-S₂P|
=dsinθ
≒dtanθ
= d×x/L

d×x/L が光の半波長の偶数倍か奇数倍かで、スクリーン上の点Pでの干渉条件が定まることがわかりました。 光の半波長の偶数倍 ならば、 強め合い、明るくなる ということです。スクリーン上にできる明るい線を 明線 といいます。逆に 光の半波長の奇数倍 のときは、 弱め合い、暗くなる のです。このときできる暗い線を 暗線 といいます。