DIY实验课堂：激光微米尺手工电子DIY教程

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

 

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。