Interferenza e diffrazione

L'interferenza e la diffrazione sono fenomeni caratteristici di tutte le onde, dalle onde d'acqua alle onde elettromagnetiche come la luce.

L'interferenza si riferisce al fenomeno in cui due onde dello stesso tipo si sovrappongono per produrre un'onda risultante di ampiezza maggiore, inferiore o uguale.

La diffrazione è definita come la flessione di un'onda attorno agli angoli di un ostacolo o di un'apertura. In questo caso, parti differenziali dell'onda possono interferire e dare origine a un'alternanza spaziale di grande e piccola ampiezza.

Questo video dimostrerà la natura ondulatoria della luce osservando i modelli di diffrazione e interferenza.

Un'onda è un'oscillazione nell'ampiezza di una certa quantità fisica nello spazio e/o nel tempo. L'interferenza è uno dei fenomeni più caratteristici associati alle onde.

Diverse parti delle onde possono sovrapporsi e "interferire" per produrre un'alternanza spaziale di ampiezze d'onda forti e deboli, chiamata modello di interferenza. Quando le ampiezze delle onde interferenti si sommano, si parla di interferenza costruttiva; mentre, quando le loro ampiezze si sottraggono l'una dall'altra, si parla di interferenza distruttiva.

Ora, se la luce di lunghezza d'onda lamda, viene proiettata su una singola fenditura stretta, l'intensità lontana dalla fenditura si alterna tra valori grandi e piccoli o quasi nulli, corrispondenti a regioni "chiare" e "scure", note anche come "frange". Il centro di questo modello è sempre luminoso, lungo l'asse y della fessura.

Questa alternanza è nota come "modello di diffrazione" della luce attraverso una piccola apertura. È un fenomeno caratteristico delle onde. In particolare, punti tra i due bordi dell'apertura?" "ri-emettere", ovvero "diffratto" l'onda luminosa verso direzioni diverse.

L'interferenza tra le diverse parti delle onde luminose diffratte provoca la formazione del modello di diffrazione.

Nel caso di due fenditure ravvicinate, il modello formato, notoriamente noto come "modello di interferenza a doppia fenditura di Young", è dovuto all'interferenza della luce diffratta da entrambe le fenditure. Il protocollo seguente illustra come configurare gli esperimenti a fessura singola e doppia e a interpretarne i risultati.

Raccogli i materiali e gli strumenti necessari per l'esperimento, tra cui un puntatore laser elio-neon con lunghezza d'onda ~ 633 nm, alcune lame di rasoio sottili, foglio di alluminio, cartone, un righello, un paio di forbici, un blocco di legno e occhiali di sicurezza laser.

Usando un paio di forbici, taglia il foglio di alluminio in due pezzi quadrati di circa 2 pollici per 2 pollici. Inoltre, taglia il cartone in due pezzi quadrati di circa 3 pollici per 3 pollici con un foro di circa 1 pollice di diametro al centro.

Quindi, prendi un pezzo di carta stagnola e, usando una lama di rasoio, taglia una fessura dritta lunga circa 1 centimetro al centro della pellicola. Fissa la pellicola su un cartoncino con la fessura posizionata all'interno del foro.

Ora, fissa un bordo del cartone al blocco di legno e fai scorrere la parete bianca a circa 30 centimetri di distanza dalla fessura. Assicurati che il cartone sia perpendicolare alla superficie del tavolo e che il foro e la fessura verticale siano esposti e rivolti verso il muro.

Posiziona il puntatore laser sull'altro lato del cartone montato, assicurandoti che il raggio laser sia parallelo al tavolo. Ora indossa gli occhiali di sicurezza laser, accendi il puntatore laser e illumina il raggio laser sulla fessura.

Spegni la luce della stanza e osserva il modello di luce sul muro dall'altra parte della pellicola. Spegnere il puntatore laser e rimuovere gli occhiali di sicurezza laser.

Quindi, impila tre lame di rasoio in modo che la lama centrale sia incassata. Prendi l'altro foglio di alluminio e usando la pila di lamette da barba e un righello taglia due fessure parallele diritte ravvicinate, lunghe circa 1 centimetro al centro del foglio. Ora fissa la pellicola sull'altro cartone e poi fissala al blocco di legno come prima.

Indossare la maschera di sicurezza laser, accendere il puntatore laser e puntare il raggio laser sulla doppia fessura. Spegni la luce della stanza e osserva il modello di luce sul muro dall'altra parte della pellicola. Infine, spegni il puntatore laser.

Una volta completato il protocollo, esaminiamo ora i risultati degli esperimenti a singola fenditura e a doppia fenditura. Nell'esperimento a fessura singola, il modello di luce osservato sulla parete mostra le caratteristiche frange di diffrazione. La frangia luminosa centrale è larga circa il doppio, in direzione y, rispetto alle altre frange luminose che sono tutte della stessa larghezza.

Inoltre, l'intensità delle frange luminose decade dal centro alle frange periferiche lungo l'asse y. Questo è previsto per il modello di diffrazione a fessura singola, poiché i raggi di luce paralleli provenienti dal laser si piegano alla fessura e si sovrappongono in modo costruttivo, formando le frange luminose e formando in modo distruttivo le bande scure intermedie.

Nell'esperimento della doppia fenditura, il modello di luce osservato sulla parete mostra le caratteristiche frange di interferenza.

Queste frange di interferenza sono molto più strette delle regioni luminose del modello di diffrazione. Ciò è dovuto al fatto che la separazione tra fenditure 'd' è molto più grande della larghezza della fenditura 'a', ed è il reciproco della separazione tra fenditure che controlla la larghezza delle frange di interferenza. Tuttavia, è il reciproco della larghezza della fessura 'a' che controlla la larghezza delle frange di diffrazione.

La diffrazione e l'interferenza della luce hanno svolto un ruolo essenziale nello stabilire che la luce è un'onda elettromagnetica. Pertanto, questi effetti sono importanti in molte tecnologie basate sull'ottica e sulla fotonica.

La spettroscopia di diffrazione laser è una tecnologia che utilizza i modelli di diffrazione di un raggio laser passato attraverso qualsiasi oggetto, di dimensioni che vanno dai nanometri ai millimetri, per misurare rapidamente le dimensioni geometriche di una particella.

Un sensore viene utilizzato per rilevare l'angolazione della luce laser e un computer viene quindi utilizzato per rilevare le dimensioni delle particelle dell'oggetto dall'energia luminosa prodotta e dalla sua disposizione.

L'interferometria è una tecnica che utilizza la sovrapposizione e l'interferenza delle onde per la misurazione precisa di distanze, piccoli spostamenti, variazioni dell'indice di rifrazione e irregolarità della superficie.

Qui due onde della stessa frequenza, ma di diversa lunghezza del percorso, interferiscono, il che si traduce in un modello di interferenza. Questo modello può quindi essere utilizzato per effettuare una misurazione precisa del parametro sconosciuto. Questa stessa tecnica di interferometria viene utilizzata nel LIGO o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, che sono enormi rivelatori costruiti per rilevare le onde gravitazionali.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla diffrazione e all'interferenza della luce. Ora dovresti essere in grado di comprendere la teoria alla base della formazione di modelli di luce di diffrazione e interferenza, che è stata dimostrata utilizzando gli esperimenti a fenditura singola e doppia. Grazie per l'attenzione!