DIY实验课堂：激光微米尺

DIYer:	TheHomebrewGuru
制作时间:	1小时
制作难度:	★★★☆☆
GEEK指数:	★★★★★

编译来源

双向电梯

• 1   了解实验原理
• 2   材料
• 3   制作狭缝
• 4   设置激光器
• 5   记录测量结果
• 6   代入公式
• 7   扩展阅读

1   了解实验原理

• 这是一个非常简单的实验，但背后的概念可能会引起一些混乱（毕竟这是量子物理嘛）。基本上我们知道物质表现的像实在的固体，但是当到达粒子的尺度时，它们的行为将趋向于海浪和声音那样的波动。这里的波动简单而言就像池塘中的涟漪，具有波动性质的粒子移动时它们像涟漪一样从源向外辐射。

• 我们知道任何实在的固体都只应该存在于一个位置，而不应该同时在多个地方出现，但是涟漪这样的波动能够同时穿过多个物体。问题是如果一个物质具有波动特性，当它们与其它物体互动时波动特性会消失并表现出粒子性。换句话说，当我们想看到它的波动性质，同时在多个位置观察到它时，这家伙会对自己说“噢，他们会抓到我！我要赶紧表现的像个实体粒子一样！”
• 尽管它们有这样的行为特征，我们还是能够设法捕捉到它们的波动性质。双缝干涉实验能帮我们做到这一点。如果一个实体粒子穿过屏障上的两个狭缝，我们知道它会像固体颗粒一样穿过并击中后面的屏幕。而如果是波穿过这样的狭缝，它们会互相干涉，在后面的屏幕上形成复杂的图样。

2   材料

● 现在你需要去弄个激光笔。如果你有多种颜色的激光笔，你就可以用它们做出丰富多彩的实验！任何颜色的激光笔都能用。

○ 胶带

○ 强力胶

○2个订书钉

○ 橡皮筋

○ 1些硬卡纸

○ 1条细绳

○ 1张纸

○ 1支铅笔

○ 1条皮尺

○ 以及1根头发。黑色的头发最好，其他的也行，但是在测量头发宽度的时候会有少许误差。

3   制作狭缝

• 首先要做的是用钉书机和一小片纸板做个结构将发丝支撑在空中。你可以让头发垂直或水平于地面，这个并不重要。但是重点在于发丝需要平直，并且悬在空中。这里的头发起了双缝的作用，光波可以从发丝的上方或下方通过，但是会被中间的发丝阻挡。这就像双缝实验中，物体可以从任何一个缝经过，但是无法通过双缝之间的阻挡物。

4   设置激光器

• 在这个实验中我们将要射向狭缝的“物体”是一束光。光到底是一种波还是分开的粒子呢？答案是两者都是。光子足够小，以至于它既能表现出波动性又能表现出实体粒子一样的特性。将橡皮筋在开关按钮上缠紧，这样即使你不按着开关激光指示器也会产生激光。现在将你的“狭缝”放在桌面的尽头，然后让激光直射在发丝上。你可能已经在墙上看到光波的波纹了！如果你想看到的就只有这些，那么这样就够了。
• 现在我们要用这个方法，经过神秘的大宇宙的启示（作者的笔记里如是说）来获得那根发丝的宽度。用一小片纸垫高激光笔，使它发出的光线不用手持也能刚好能照射在发丝上，然后用胶带固定住。

5   记录测量结果

• 你的装置离墙面越远，获得的结果就更为准确，所以将桌子拉远一些是个明智的选择。将细绳的一端粘在墙上中间那个最亮的光斑上，然后将它拉直到激光与头发的交汇点。在这里剪断细绳并测量长度，最后将细绳粘在墙上的一端取下来。
• 在墙上的光斑处贴上一条胶带，然后用铅笔标记出每个光斑的位置。
• 请记住激光越亮，波长越短，装置到墙的距离越远，最后你对发丝宽度的测量就越准确。

6   代入公式

• 我已经完成了所有的数学运算，所以你需要做的就是把测量结果代入公式，然后发丝的宽度立等可取！
• 你可能需要知道你用的激光器波长，这通常可以在激光笔外面的小标签读到。激光波长以纳米为单位，不同颜色的激光波长不同，绿激光和红激光有着不同的波长（常见的：红光650nm，绿光532nm，蓝光450nm/405nm）。确保把所有的单位换算成米，不这么做的话结果会相差很多个数量级！如果只想量出头发的宽度，那么这个实验就完成了。大多数人的头发宽度在10um~200um之间。得出这个结果表示，你已经成功做出了自己的“量子千分尺”。
• 我第一次和朋友佩德罗一起做这个实验时，计算出了点问题（计算出来的头发宽度远比预计的大）。我们不知道究竟是哪里出了问题，但是我们用了网上找到的双缝干涉公式，它们和其他的实验结果不甚符合。看起来许多网上的公式都只是双缝干涉图样的近似模型，结果中所有的亮点距离彼此相等，这是不够准确的。为了修正这一点，我们推导了一个能尽可能准确计算测量结果的公式，参数包括光点个数n，波长λ（lambda），首尾光点之间的距离x和中心光斑到激光照射点的距离L，如果你想知道它的名字，我们将之命名为奈斯特-阿梅尔方程或者奈斯特-阿梅尔推导。
• 不要害怕数学公式，所有你要做的事就是把需要的数字代入其中。注意当我说最大值的时候，我指的是光斑中心亮度最大的地方。此外，变量x是最大的光点到最外侧的光点的距离，变量m指的是从中心的亮斑开始数起的光点数，不包括中心亮斑本身。

7   扩展阅读

查找以下概念的相关知识有助于进一步了解量子力学。

1．德布罗意波（物质波）

2．相对论质量（质能方程）

3．量子超距作用（量子纠缠）

4．海森堡测不准原理

5．量子擦除实验

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