INTERFERENCIA Y DIFRACCION

INTERFERENCIA Y DIFRACION

1.- RESUMEN

Este experimento consiste en el estudio de los fenómenos de interferencia y difracción en rendijas de un láser de luz monocromática. A partir de la medida de las distancias en la pantalla donde se observa el patrón de interferencias se puede calcular la Longitud de onda de la luz empleada, resultado que se puede comparar con el que aparece inscrito en el láser. Asimismo, este experimento hace evidente la naturaleza ondulatoria de la luz debido a las propiedades de interferencia y difracción en rendijas de anchura milimétrica y sustentan la descripción de la luz como onda electromagnética.

2.- OBJETIVOS

Calcular la longitud de onda experimentalmente de un laser de luz color rojo a utilizando una rejilla de difracción

Calcular experimentalmente la constante (d) de una rejilla de difracción con luz (ultravioleta y rojo) de rayo laser

Observar los efectos de interferencias a través de fuentes de luz monocromática. Observar el fenómeno de interferencia por una red.

Determinar la longitud de onda de emisión del láser basándose en el fenómeno de difracción de una onda

Aprender a usar las redes de difracción como instrumentos de medida de longitudes de onda de líneas espectrales.

3.- FUNDAMENTO TEORICO

En está parte de nuestro de nuestro informe los describimos en dos partes cada una para cada experimento lo cual lo consideramos como Experimento Nº I y Experimento

Nº II. Lo cual para esto establecemos algunas definiciones necesarias tales como la difracción, red de difracción e interferencia de una rejilla.

Alrededor del año 1800, Thomas Young realizó un experimento que produjo un fenómeno inexplicable en términos de la teoría “corpuscular” de la luz. Observó la imagen que producía la luz al pasar primero a través de una rendija y luego a través de dos rendijas muy cercanas entre sí, una paralela a la otra. Utilizó luz filtrada de un arco de mercurio para asegurase de trabajar con luz lo más monocromática posible. De este modo Young observó una serie de áreas iluminadas y oscuras, y observó además que un cierto punto en la pantalla se iluminaba cuando una de las rendijas era tapada mientras que se convertía en un punto oscuro cuando ambas rendijas estaban descubiertas. En otras palabras observó que “luz + luz” a veces produce una zona iluminada y otras una zona oscura. Si la luz tuviese una naturaleza corpuscular, como sostenían la mayoría de los físicos de entonces, el fenómeno descubierto por Young no tendría una explicación acertada.

3.1.- INTERFERENCIA.- El término interferencia se refiere a cualquier situación en la que dos o mas ondas se traslapan en el espacio. Cuando esto ocurre, la onda total en cualquier punto y en cualquier instante esta gobernada por el principio de superposición.

3.2.- DIFRACCION.- La difracción es un fenómeno característico de las ondas (y de las partículas cuando manifiestan su carácter ondulatorio) que se da siempre que el frente de onda se encuentra un obstáculo en su propagación. Este fenómeno se manifiesta claramente cuando las dimensiones del obstáculo se acercan a las de la longitud de onda de la perturbación. La difracción se puede entender fácilmente a partir del principio de Huygens, en el que se considera que cada punto del frente de ondas se puede tratar como un emisor puntual. De esta forma, en ausencia de obstáculo las interferencias de las distintas ondas emitidas reconstruyen el frente con la misma geometría

3.3.- EXPERIMENTO Nº1

CALCULAR EXPERIMENTALMENTE LA LONGUITUD DE ONDA DE UN LASER DE LUZ COLOR ROJO A TRAVEZ DE UNA REGUILLA DE DIFRACCION

En esta primera parte del experimento se hace incidir un haz de rayo láser monocromático

de 650 nm en una pantalla a través de una rendija simple de anchura a. Se mide la distancia D entre la pantalla y la rendija, que deben colocarse paralelamente y perpendicular al rayo. Además, el rayo debe pasar preferiblemente por el centro de la rendija. Hay que señalar que dichas condiciones son difíciles de garantizar, con lo que podría haberse cometido un error sistemático no contemplado que se puede ver reflejado en los valores finales. En la pantalla, tras la difracción en la rendija, se forma un patrón de interferencias con puntos luminosos (interferencia constructiva) y otros oscuros (destructiva) debido a la naturaleza ondulatoria de la luz. Se coloca en dicha pantalla un papel milimetrado de forma que la línea imaginaria que resulta de unir los puntos coincida con alguna de las líneas del papel milimetrado. Posteriormente se fija el papel con celo sobre la pantalla y se procede a medir la distancia entre el punto luminoso central y cada mínimo de intensidad, procurando no mirar el láser directamente con los ojos, pues podría provocar daños en la retina. Se puede indicar que es indiferente hacia qué lado se tomen las medidas, pues los puntos deben estar simétricamente dispuestos a uno y otro lado del punto central, siempre que la pantalla sea plana y que esté situada paralela a la rendija y perpendicular al rayo.

Sea un foco de luz monocromática (=compuesta de una única longitud de onda ) que emite frente de ondas de cualquier forma. Cuando esta luz atraviesa un agujero cuyo tamaño sea del orden de o menor que la longitud de onda, independientemente de la forma del frente de ondas que está incidiendo sobre el agujero, éste se convierte en un foco emisor de ondas (casi) semiesféricas. A este fenómeno se llama difracción, y no debe ser confundido con la refracción. Si en cambio ser un agujero es una rendija muy alargada de anchura del orden de la longitud de onda , la rendija se convierte en una foco emisor de ondas (casi) semicilíndricas. Una onda cilíndrica, así como una onda esférica, se propaga en todas las direcciones. Se llama red de difracción a la sucesión de rendijas muy estrechas separadas entre sí por la misma distancia d.

Veamos el caso de la figura 1, donde hay representadas una rendijas de una red de difracción; la anchura de cada rendija se toma igual a “d”, de tal forma que podamos considerar que cada rendija es una fuente de frente de ondas cilíndricas perfectas. Supongamos que ahora sobre la red incide perpendicularmente no una luz monocromática (=compuesta de muchas longitudes de onda distintas). Cada rendija emite en todas las direcciones cada una de las longitudes de onda de la luz roja. Tomemos una dirección, determinada por el ángulo medido con respecto a la perpendicular a la rendija: en esta dirección llegan los rayos de cada longitud de onda a nuestro ojo situado a distancia “x” a la pantalla , por lo que podemos considerar que los rayos llegan paralelos . En el ojo se enfocan todos los rayos en punto P de esta forma se llevan todos los rayos a interferir entre sí. Para cada longitud de onda, esta interferencia será constructiva o destructiva dependiendo de si los rayos que llegan desde cada rendija están o no en fase entre sí.

FIG Nº1 a)

------- x ------

P

FIG. Nº1ª) Muestra esquema como incide la luz del laser sobre la rendija de difraccion

Ilustración 1 Es equivalente a la Fig. Nº1 a y b) es nuestro caso real

FIG Nº1 b

Para la dirección de la figura 1 consideremos primero los dos rayos rojos. La diferencia en el camino recorrido entre el primer y el segundo rayo es, por simple trigonometría, : si esta diferencia corresponde exactamente a una longitud de onda del color rojo entonces la interferencia entre los dos rayos cuando lleguen al ojo será completamente constructiva ya que ambos rayos van exactamente en fase. Lo misma interferencia constructiva ocurriría si en cambio de cumplirse se cumpliera que

ó ≈ .

De acuerdo al numero de rayos que se estén tomando

Además una red de difracción no consta sólo de dos o tres rendijas sino de varias decenas de miles de ellas, y desde cada una de ellas llega al ojo un rayo por cada una de las longitudes de onda

Resumiendo: si para la longitud de onda que llega a nosotros en una dirección determinada , la diferencia entre el camino recorrido por dos rayos consecutivos no corresponde exactamente a un número entero de veces , entonces en esa dirección habrá interferencia destructiva y el color correspondiente a tal longitud de onda no se verá. O lo que es lo mismo, para una red de difracción veremos sólo las longitudes de onda que cumplan , entonces en general para m rendijas tendremos en caso general que esta dado por la siguiente expresión

dsenθ=mλ ……..(m=0,±1,±2,±3,………….)…………(1)

3.4.- EXPERIMENTO Nº2

CALCULAR EXPERIMENTALMENTE EL ANCHO (D) O CONTANSTANTE DE DIFRACCION DE UNA REGILLA CON LONGUITUD DE ONDA CONOCIDA (Λ) DE UN LASER DE LUZ COLOR ROJO Y LUZ ULTRAVIOLETA A TRAVEZ DE UNA REGILLA DE DIFRACCION

Thomas Young, en 1810, demostró la naturaleza ondulatoria de la luz. Encontró que la luz que pasa por dos agujeros próximos delgados, produce un patrón de interferencia. Sin embargo, los patrones de interferencia no se limitan a una o dos rendijas. Una multitud de rendijas muy cercanas forma una red de difracción.

La difracción es junto con la

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