Interferentie en diffractie

Interferentie en diffractie zijn karakteristieke fenomenen van alle golven, van watergolven tot elektromagnetische golven zoals licht.

Interferentie verwijst naar het fenomeen waarbij twee golven van hetzelfde soort elkaar overlappen om een resulterende golf met een grotere, kleinere of dezelfde amplitude te produceren.

Diffractie wordt gedefinieerd als het buigen van een golf rond de hoeken van een obstakel of opening. In dit geval kunnen differentiële delen van de golf interfereren en zorgen voor een ruimtelijke afwisseling van grote en kleine amplitude.

Deze video zal de golfaard van licht demonstreren door diffractie- en interferentiepatroon te observeren.

Een golf is een oscillatie in de amplitude van een fysische grootheid in ruimte en/of tijd. Interferentie is een van de meest karakteristieke fenomenen geassocieerd met golven.

Verschillende delen van golven kunnen overlappen en "interfereren" om een ruimtelijke afwisseling van sterke en zwakke golfamplitudes te produceren, genoemd een interferentiepatroon. Wanneer de amplituden van de interfererende golven zich optellen, wordt dit constructieve interferentie genoemd; terwijl, wanneer hun amplituden zich van elkaar aftrekken, dit destructieve interferentie wordt genoemd.

Als nu licht met golflengte lambda op een enkele smalle spleet wordt geschenen, varieert de intensiteit ver weg van de spleet tussen grote en kleine of bijna nul waarden, corresponderend met "heldere" en "donkere" gebieden, ook bekend als "franjes". Het centrum van dit patroon is altijd helder, langs de y-as van de spleet.

Deze afwisseling staat bekend als het "diffractiepatroon" van het licht door een kleine opening. Het is een karakteristieke verschijnsel voor golven. Specifiek, punten tussen de twee randen van de opening "re-emitten", of met andere woorden "diffracteren" de lichtgolf naar verschillende richtingen.

Interferentie tussen verschillende delen van de gediffracte lichtgolven resulteert in de vorming van het diffractiepatroon.

In het geval van twee nauw geplaatste spleten, is het gevormde patroon, bekend als het "Young's dubbelspleet interferentiepatroon", te wijten aan de interferentie van het gediffracte licht van beide spleten. Het volgende protocol toont hoe de enkele-spleet- en dubbelspleet-experimenten worden opgezet en hun resultaten worden geïnterpreteerd.

Verzamel de noodzakelijke materialen en instrumenten voor het experiment, inclusief een helium-neon laserpointer met golflengte ~633nm, een paar dunne scheermessen, aluminiumfolie, karton, een?liniaal, een paar schaar, een houten blok en laserveiligheidsbril.

Gebruik een paar schaar om het aluminiumfolie in twee ongeveer 5 centimeter bij 5 centimeter grote vierkante stukken te snijden. Snijd ook het karton in twee ongeveer 7,5 centimeter bij 7,5 centimeter grote vierkante stukken met een gat van ongeveer 2,5 centimeter diameter in het midden.

Neem vervolgens een stuk aluminiumfolie en gebruik een scheermes om een rechte spleet van ongeveer 2,5 centimeter lang in het midden van het folie te snijden. Plak het folie op een karton met de spleet gepositioneerd in het gat.

Kleef nu een rand van het karton op het houten blok en schuif de witte muur ongeveer 75 centimeter van de spleet af. Zorg ervoor dat het karton loodrecht staat op het tafeloppervlak, en het gat en verticale spleet zijn blootgesteld en gericht naar de muur.

Plaats de laserpointer aan de andere kant van het gemonteerde karton, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de laserstraal parallel aan de tafel zal zijn. Draag nu de laserveiligheidsbril, zet de laserpointer aan en laat de laserstraal op de spleet schijnen.

Schakel het kamerlicht uit en observeer het lichtpatroon op de muur aan de andere kant van het folie. Zet de laserpointer UIT en verwijder de laserveiligheidsbril.

Stapel vervolgens drie scheermessen zodat het middelste mes verzonken is. Neem het andere aluminiumfolie en gebruik de stapel scheermessen en een liniaal om twee nauw geplaatste rechte parallelle spleten, ongeveer 2,5 centimeter lang in het midden van het folie, te snijden. Plak nu het folie op het andere karton en plak het vervolgens op het houten blok zoals eerder.

Draag de laserveiligheidsbril, zet de laserpointer aan en laat de laserstraal op de dubbele spleet schijnen. Schakel het kamerlicht uit en observeer het lichtpatroon op de muur aan de andere kant van het folie. Schakel tenslotte de laserpointer uit.

Met het protocol voltooid, laten we nu de resultaten van zowel het enkele-spleet- als het dubbelspleet-experiment bekijken. In het enkele spleet experiment, vertoont het lichtpatroon dat op de muur wordt waargenomen de karakteristieke diffractiefranjes. De centrale heldere franje is ongeveer twee keer zo breed, in de y-richting, als de andere heldere franjes die allemaal ongeveer dezelfde breedte hebben.

Bovendien neemt de intensiteit van de heldere franjes af van het centrum naar de perifere franjes langs de y-as. Dit wordt verwacht voor het enkele spleet diffractiepatroon, omdat de parallelle lichtstralen van de laser bij de spleet buigen en constructief overlappen, de heldere franjes vormen en destructief de donkere banden daartussen vormen.

In het dubbelspleet experiment, vertoont het lichtpatroon dat op de muur wordt waargenomen de karakteristieke interferentiefranjes.

Deze interferentiefranjes zijn veel smaller dan de heldere gebieden van het diffractiepatroon. Dit komt omdat de interspleetseparatie 'd' veel groter is dan de spleetbreedte 'a', en het is de kerende van de interspleetseparatie die de breedte van de interferentiefranjes regelt. Echter, het is de kerende van de spleetbreedte 'a' die de breedte van de diffractiefranjes regelt.

De diffractie en interferentie van licht heeft een essentiële rol gespeeld bij het vaststellen dat licht een elektromagnetische golf is. Dus zijn deze effecten belangrijk in veel technologieën gebaseerd op optica en fotonica.

Laserdiffractiespectroscopie is een technologie die diffractiepatronen van een laserstraal die door elk object wordt gepasseerd -- variërend van nanometers tot millimeters in grootte --