Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе света, соотношение неопределенностей имеет место и для фотонов - квантов электромагнитного излучения. Его можно установить из опыта с дифракцией света на щели.
Пусть плоская волна падает- на щель шириной a - (рис.1). После щели плоская волна превратится в набор плоских волн, идущих во всевозможных направлениях. На экране Э вследствие интерференции этих волн получится дифракционная картина. Угловое положение первого минимума φ1 подчиняется интерференционному условию:
(2)
Угловое положение произвольного минимума φm (m = 1, 2, 3…) определяется из равенства:
(3)
Это означает, что разность хода Δm между лучами, идущими от краев щели, должна составлять целое число длин волн. Так как в дифракционной картине чередуются несколько максимумов и минимумов, диапазон углов φ на которые "рассеивается" излучение, превышает φ1 (т.е. )
(4)
Выражение (4) есть соотношение неопределенностей для волн любой физической природа (электромагнитной, волн де Бройля, и т.п.). Так как наибольшая интенсивность, т.е. большая часть энергии прошедшей волны, будет в центральном дифракционном максимуме (нулевого порядка), максимумами высших порядков можно пренебречь и считать, что неопределенность определяется углом т.е.
(5)
Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки приведена на рис 1.
Испускаемый лазером пучок фотонов проходит через калиброванную щель и попадает на экран Э (лист миллиметровой бумаги). Неопределенность положения фотона после прохождения щели шириной "а" равна Δx - размеру центрального дифракционного максимума. Выразив угол φ через , Δx получим:
(6)
Соотношение неопределенностей с учетом выражения (5) имеет вид:
или
(7)
Оно связывает неопределенность положения фотона при прохождёнии щели, равную размеру щели a , с неопределенностью его импульса, равную примерно
т.е. через угловой размер центрального дифракционного максимума. Его можно записать также в виде:
(8)
где
Порядок выполнения работы
1. Изучить техническое описание (ТО) и инструкцию по эксплуатации (ИЭ) используемого в работе лазера.
2. Включить лазер в соответствии с порядком включения по ИЭ.
3. Установить на пути луча вблизи лазера щель переменной ширины, а за ней - экран.
4. Измерить ширину центрального дифракционного максимума в зависимости от размера щели:
а)Съюстировать установку таким образом, чтобы луч лазера проходил через щель на экран. При этом для увеличения точности эксперимента экран установить на расстоянии около 1 метре щели.
б) Изменяя размер щели “а” с помощью барабана, определить нижнюю и верхнюю границы amin и amax при которых наблюдается дифракционная картина и возможно измерение ширины центрального дифракционного максимума.
в) Изменяя размер щели “a” в пределах от amin до amax сделать не менее 15 измерений ширины центрального максимума.
Результаты измерений внести в таблицу.
г) Измерить линейкой расстояние L от щели до экрана (не менее 3-х раз).
5. Рассчитать величину , принимая λ = 0,633 мкм, и сравнить с теоретической величиной.