Interferência e Difração

Interferência e difração são fenômenos característicos de todas as ondas, desde ondas de água até ondas eletromagnéticas, como a luz.

Interferência refere-se ao fenômeno em que duas ondas do mesmo tipo se sobrepõem para produzir uma onda resultante de maior, menor ou igual amplitude.

A difração é definida como a curvatura de uma onda nos cantos de um obstáculo ou abertura. Nesse caso, partes diferenciais da onda podem interferir e dar origem a uma alternância espacial de grande e pequena amplitude.

Este vídeo demonstrará a natureza ondulatória da luz observando os padrões de difração e interferência.

Uma onda é uma oscilação na amplitude de alguma quantidade física no espaço e/ou no tempo. A interferência é um dos fenômenos mais característicos associados às ondas.

Diferentes partes das ondas podem se sobrepor e "interferir" para produzir uma alternância espacial de amplitudes de ondas fortes e fracas, chamada de padrão de interferência. Quando as amplitudes das ondas interferentes se somam, isso é chamado de interferência construtiva; ao passo que, quando suas amplitudes se subtraem, isso é chamado de interferência destrutiva.

Agora, se a luz do comprimento de onda lamda, é brilhada em uma única fenda estreita, a intensidade longe da fenda alterna entre valores grandes e pequenos ou quase zero, correspondendo a regiões "claras" e "escuras", também conhecidas como "franjas". O centro desse padrão é sempre brilhante, ao longo do eixo y da fenda.

Essa alternância é conhecida como "padrão de difração" da luz através de uma pequena abertura. É um fenômeno característico das ondas. Especificamente, pontos entre as duas bordas da abertura?" reemitir", ou em outras palavras, "difratar" a onda de luz em diferentes direções.

A interferência entre diferentes partes das ondas de luz difratadas resulta na formação do padrão de difração.

No caso de duas fendas bem espaçadas, o padrão formado, conhecido como "padrão de interferência de dupla fenda de Young", é devido à interferência da luz difratada de ambas as fendas. O protocolo a seguir demonstra como configurar os experimentos de fenda única e dupla e interpretar seus resultados.

Reúna os materiais e instrumentos necessários para o experimento, incluindo um ponteiro laser de hélio-neon com comprimento de onda ~ 633 nm, algumas lâminas de barbear finas, papel alumínio, papelão, uma régua, tesoura, um bloco de madeira e óculos de segurança a laser.

Usando uma tesoura, corte a folha de alumínio em dois pedaços quadrados de aproximadamente 2 polegadas por 2 polegadas. Além disso, corte o papelão em dois pedaços quadrados de aproximadamente 3 polegadas por 3 polegadas com um orifício de cerca de 1 polegada de diâmetro no centro.

Em seguida, pegue um pedaço de papel alumínio e, usando uma lâmina de barbear, corte uma fenda reta com cerca de 1 centímetro de comprimento no meio do papel alumínio. Cole o papel alumínio em um papelão com a fenda posicionada dentro do orifício.

Agora, cole uma borda do papelão no bloco de madeira e deslize a parede branca a cerca de 30 centímetros de distância da fenda. Certifique-se de que o papelão esteja perpendicular à superfície da mesa e que o orifício e a fenda vertical estejam expostos e voltados para a parede.

Coloque o ponteiro laser do outro lado do papelão montado, garantindo que o feixe de laser fique paralelo à mesa. Agora use os óculos de segurança do laser, ligue o ponteiro laser e aponte o feixe de laser para a fenda.

Apague a luz da sala e observe o padrão de luz na parede do outro lado da folha. DESLIGUE o ponteiro laser e remova os óculos de segurança do laser.

Em seguida, empilhe três lâminas de barbear de forma que a lâmina do meio fique rebaixada. Pegue a outra folha de alumínio e, usando a pilha de lâminas de barbear e uma régua, corte duas fendas paralelas retas bem espaçadas, com cerca de 1 centímetro de comprimento no meio da folha. Agora cole o papel alumínio no outro papelão e cole-o no bloco de madeira como antes.

Use os óculos de segurança a laser, ligue o ponteiro laser e aponte o feixe de laser para a fenda dupla. Apague a luz da sala e observe o padrão de luz na parede do outro lado da folha. Por fim, desligue o ponteiro laser.

Com o protocolo concluído, vamos agora revisar os resultados dos experimentos de fenda simples e dupla. No experimento de fenda única, o padrão de luz observado na parede exibe as franjas de difração características. A franja brilhante central é aproximadamente duas vezes mais larga, na direção y, que as outras franjas brilhantes que têm a mesma largura.

Além disso, a intensidade das franjas brilhantes decai do centro para as franjas periféricas ao longo do eixo y. Isso é esperado para o padrão de difração de fenda única, pois os raios de luz paralelos do laser se curvam na fenda e se sobrepõem construtivamente, formando as franjas brilhantes e formando destrutivamente as faixas escuras entre elas.

No experimento de dupla fenda, o padrão de luz observado na parede exibe as franjas de interferência características.

Essas franjas de interferência são muito mais estreitas do que as regiões brilhantes do padrão de difração. Isso ocorre porque a separação entre fendas 'd' é muito maior que a largura da fenda 'a', e é o recíproco da separação entre fendas que controla a largura das franjas de interferência. No entanto, é o recíproco da largura da fenda 'a' que controla a largura das franjas de difração.

A difração e interferência da luz desempenhou um papel essencial no estabelecimento de que a luz é uma onda eletromagnética. Assim, esses efeitos são importantes em muitas tecnologias baseadas em óptica e fotônica.

A espectroscopia de difração a laser é uma tecnologia que utiliza padrões de difração de um feixe de laser passado por qualquer objeto - variando de nanômetros a milímetros de tamanho - para medir rapidamente as dimensões geométricas de uma partícula.

Um sensor é usado para detectar a inclinação da luz do laser e um computador é usado para detectar os tamanhos das partículas do objeto a partir da energia luminosa produzida e seu layout.

A interferometria é uma técnica que usa superposição e interferência de ondas para a medição precisa de distâncias, pequenos deslocamentos, mudanças no índice de refração e irregularidades da superfície.

Aqui, duas ondas da mesma frequência, mas com comprimentos de caminho diferentes, interferem, o que resulta em um padrão de interferência. Esse padrão pode então ser usado para fazer uma medição precisa do parâmetro desconhecido. Essa mesma técnica de interferometria é usada no LIGO ou Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, que são enormes detectores construídos para detectar ondas gravitacionais.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à difração e interferência de luz. Agora você deve ser capaz de entender a teoria por trás da formação de padrões de luz de difração e interferência, que foi demonstrada usando os experimentos de fenda simples e dupla. Obrigado por assistir!