Interferencia y difracción

Physics II

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Overview

Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN

Interferencia y la difracción son fenómenos característicos de las ondas, desde ondas de agua a las ondas electromagnéticas como la luz. Interferencia se refiere al fenómeno de cuando se superponen dos ondas de la misma clase para dar una variación espacial alterna de amplitud de onda de grandes y pequeños. Difracción se refiere al fenómeno de cuando una onda pasa a través de una abertura o va alrededor de un objeto, diferentes partes de la onda pueden interferir y también dar lugar a una alternancia espacial de amplitud grande y pequeño.

Este experimento demostrará la naturaleza de onda de la luz mediante la observación de la difracción y la interferencia de la luz láser pasa a través de una sola ranura y las aberturas doble, respectivamente. Las ranuras se cortan simplemente utilizando cuchillas de afeitar en una lámina de aluminio y los patrones de difracción y la interferencia característicos se manifiestan como patrones de alternancia de franjas claras y oscuras en una pantalla colocada después de la hoja, cuando la luz se brilla a través de la slit(s) en la hoja. Históricamente, la observación de la difracción y la interferencia de la luz jugaron papeles importantes en el establecimiento de que la luz es una onda electromagnética.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la física II. Interferencia y difracción. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Procedure

1. adquirir los componentes necesarios para el experimento

  1. Obtener gafas láser y vestir durante este experimento antes de encender el láser.
  2. Obtener un pedazo de papel de aluminio y utilizar tijeras para cortar en dos trozos cuadrados de 2 x 2 (aproximadamente).
  3. Obtener dos cartulinas, cada uno de aproximadamente 3 x 3, con un agujero (diámetro de aproximadamente 1 en) cortadas en el medio.
  4. Obtener un dispositivo que puede sujetar la cartulina o un block para que el cartón puede ser grabado.
  5. Obtener unas finas hojas de afeitar.
  6. Obtener un puntero de láser de He-Ne con longitud de onda de ~ 633 nm o verde puntero de láser con longitud de onda de 532 nm.

2. solo raja difracción

  1. Tomar un cuadrado de papel de aluminio y utilice una cuchilla para cortar una ranura alrededor de 1 cm de largo en el centro de la hoja. Use una regla para ayudar a guiar la afeitadora para obtener un corte recto.
  2. Pegue la lámina sobre un cuadrado de cartón con la abertura orientada horizontalmente dentro del agujero abierto (esquemáticamente se muestra en la figura 3a). Poner cinta en las esquinas de la lámina (no cubra la ranura). El cartón ayuda a estabilizar la hoja durante este experimento. Sujete un extremo de la cartulina con el dispositivo (el cartón debe ser perpendicular a la superficie de la mesa), con el agujero y ranura horizontal expuesto y frente a una pared blanca (que será la pantalla) unos 30 cm de distancia.
  3. Encender el puntero láser y el brillo del haz de láser (propagación en dirección normal a la lámina) en la ranura. Observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Apagar la sala de luz para mejor visibilidad del patrón.

3. doble ranura interferencia

  1. Tomar el otro papel de aluminio. Apilar las hojas de afeitar 3 juntos pero con la hoja media del borde empotrado de los bordes de los otros dos blades. Utilice esta pila para cortar dos ranuras de espaciamiento en el centro de la hoja (de cada uno de aproximadamente 1 cm). Utilice una regla para ayudar a guiar la maquinilla de afeitar y un corte recto.
  2. Cinta de papel sobre el otro cartón (esquemáticamente se muestra en la figura 4a) y otra vez la ayuda la cartulina con el vice o el bloque, similar al paso 2.2.
  3. Encender el puntero láser y brillar el rayo láser sobre la doble rendija. Observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Apagar la sala de luz para mejor visibilidad del patrón.

Interferencia y la difracción son fenómenos característicos de todas las ondas, de ondas a las ondas electromagnéticas como la luz del agua.

Interferencia se refiere al fenómeno donde dos ondas de la misma clase superposición para producir una onda resultante de mayor, menor, o la misma amplitud.

Difracción se define como la flexión de una onda en las esquinas de un obstáculo o abertura. En este caso, partes de diferencial de la onda pueden interferir y dar lugar a una alternancia espacial de amplitud grande y pequeño.

Este video demuestra la naturaleza de onda de la luz mediante la observación de patrones de difracción y la interferencia.

Una onda es una oscilación de la amplitud de alguna cantidad física de espacio o tiempo. La interferencia es uno de los fenómenos más característicos asociados a las ondas.

Diferentes partes de las ondas pueden superponerse y "interferir" para producir una alternancia espacial de amplitud de onda fuerte y débil, llamado un patrón de interferencia. Cuando se suman las amplitudes de las ondas que interfieren, se llama interferencia constructiva; Considerando que, cuando sus amplitudes restarán uno del otro, se denomina interferencia destructiva.

Ahora, si luz de longitud de onda lamda, se brilla en una sola hendidura estrecha, la intensidad de la hendidura alterna entre grandes y pequeños o casi cero valores, correspondientes a las regiones "brillantes" y "oscuras", también conocido como "flecos". El centro de este modelo siempre es brillante, a lo largo del eje y de la raja.

Esta alternancia es conocida como el "patrón de difracción" de la luz a través de una abertura pequeña. Es un fenómeno característico de las ondas. En concreto, los puntos entre los dos bordes de la abertura "volver a emitir", o en otras palabras "difractar" la onda de la luz hacia diferentes direcciones.

Interferencia entre las distintas partes de los resultados de difracción de las ondas de luz en la formación del patrón de difracción.

En el caso de dos ranuras espaciadas, el patrón formado, famosamente conocido como el "patrón de interferencia de la doble rendija de Young", es debido a la interferencia de la luz difractada de ambas ranuras. El protocolo siguiente muestra cómo configurar los solo-abertura y doble rendija experimentos e interpretar sus resultados.

Reunir los materiales necesarios y los instrumentos para el experimento incluye un puntero láser de helio-neon con longitud de onda ~ 633nm, unas delgadas hojas de afeitar, papel de aluminio, cartón, una regla, tijeras, un bloque de madera y la seguridad de laser gafas.

Con un par de tijeras, corte la lámina de aluminio en dos trozos cuadrados de aproximadamente 2 pulgadas por 2 pulgadas. También, cortar la cartulina en dos trozos cuadrados de aproximadamente 3 pulgadas por 3 pulgadas con un agujero de diámetro 1 pulgada en el centro.

A continuación, tomar un pedazo de papel de aluminio y con una cuchilla de afeitar, corte una raja recta aproximadamente 1 centímetro de largo en el centro de la hoja. Con la ranura colocada en el agujero con cinta adhesiva la hoja sobre una cartulina.

Ahora, con cinta un extremo de la cartulina para el taco de madera y deslice la pared blanca de unos 30 centímetros de la raja. Asegúrese de que el cartón es perpendicular a la superficie de la mesa, y el agujero y ranura vertical están expuestos y mirando hacia la pared.

Coloque el puntero láser en el otro lado de la cartulina montada, asegurando que el rayo láser será paralelo a la mesa. Ahora el láser gafas de seguridad, encender el puntero láser y brillar el rayo láser en la raja.

Apagar la luz de la habitación y observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. El puntero láser y quitar las gafas de seguridad láser.

A continuación, apilar tres hojas de afeitar que empotrar la hoja media. Tomar el otro papel de aluminio y utilizando la pila de hojas de afeitar y una regla corta dos ranuras rectas paralelas espaciadas, cerca de 1 centímetro de largo en el centro de la hoja. Ahora la cinta la hoja sobre la otra cartulina y luego péguela en el taco de madera como antes.

Usar los anteojos de seguridad láser, encender el puntero láser y brillar el rayo láser sobre la doble rendija. Apagar la luz de la habitación y observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Por último, desactivar el puntero láser.

Con el protocolo completado, ahora revisemos los resultados de la solo-ranura y los experimentos de doble rendija. En el sencillo experimento de la raja, el patrón de luz observado en la pared exhibe las franjas de difracción característico. La franja brillante central es aproximadamente dos veces tan amplia, en la dirección y, como las franjas brillantes que son todo el mismo ancho.

Además, la intensidad de la decadencia de flecos brillantes del centro a los márgenes periféricos a lo largo del eje y. Se espera para el patrón de difracción de la raja sola, como los rayos de luz paralelos del láser doblan en la raja y se solapan constructivamente, las franjas brillantes y destructivamente las bandas oscuras en el medio.

En el experimento de doble rendija, el luz patrón observado en la pared exhibe las franjas de interferencia característico.

Estas franjas de interferencia son mucho más estrechos que las regiones brillantes del patrón de difracción. Esto es porque la separación entre raja tenía ' es mucho más grande que la anchura de la raja 'a' y es el recíproco de la separación de la raja que controla la anchura de las franjas de interferencia. Sin embargo, es el recíproco de la anchura de rendija 'a' que controla la anchura de las franjas de difracción.

La difracción y la interferencia de la luz ha desempeñado un papel esencial en el establecimiento de que la luz es una onda electromagnética. Así, estos efectos son importantes en muchas tecnologías basadas en la óptica y la fotónica.

Espectroscopia de la difracción del laser, es una tecnología que utiliza patrones de difracción de un rayo láser pasa a través de cualquier objeto: desde nanómetros hasta milímetros de tamaño, para rápidamente medir dimensiones de una partícula.

Un sensor se utiliza para detectar el ángulo de la luz laser y una computadora se usa para detectar tamaños de partícula del objeto de la energía de la luz producida y su disposición.

Interferometría es una técnica que utiliza la superposición e interferencia de ondas para la medición precisa de distancias, pequeños desplazamientos, cambios de índice de refracción y las irregularidades superficiales.

Aquí interfieran dos ondas de la misma frecuencia, pero diferente longitud, que se traduce en un patrón de interferencia. Este patrón puede utilizarse entonces para hacer una medida exacta del parámetro desconocido. Se utiliza esta misma técnica de interferometría en la LIGO u Observatorio de ondas gravitacionales interferómetro láser, que son enormes detectores diseñados para detectar las ondas gravitacionales.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la difracción y la interferencia de la luz. Ahora debe ser capaz de entender la teoría detrás de la formación de difracción y la interferencia de patrones de luz, que fue demostrada con los experimentos de la solo-abertura y doble rendija. ¡Gracias por ver!

Results

Paso 2.3, un patrón de luz representativo que se puede observar en la pared se muestra en la figura 3b, exhibiendo las franjas de difracción característico. Tenga en cuenta que la franja brillante central es aproximadamente dos veces tan amplia (en la y-dirección) como las otras franjas brillantes (que son casi lo mismo en anchura) y la sobre intensidad de la decadencia de flecos brillantes desde el centro a lo largo de la y-eje, como se esperaba para el patrón de difracción de la raja solo.

Paso 3.3, un patrón de luz representativo que se puede observar en la pared se muestra en la Figura 4b. Hay un patrón general de modulación de intensidad similar del patrón de difracción observado en el paso 2.3. Este hecho es el patrón de difracción debido a cada una de las ranuras estrechas. Dentro de las regiones brillantes del patrón de difracción, se pueden observar aproximadamente igualmente espaciados rayas brillantes. Estas son las franjas de interferencia de la doble rendija. Estas franjas de interferencia son mucho más estrechos que las regiones brillantes del patrón de difracción debido a la separación entre raja d es mucho más grande que la abertura ancho un (el recíproco de estas longitudes controlar el ancho de las franjas de interferencia o difracción, respectivamente).

Figure 3

Figura 3. Esquema: (un) un haz de láser brillante en un solo corte en papel de aluminio, que se fija en la cartulina con un agujero abierto; y (b) franjas de difracción representante observaron en una pantalla después de la abertura.Figure 4

Figura 4. Esquema: (un) un laser viga en doble aberturas en aluminio, que se fija en la cartulina con un agujero abierto; y (b) franjas de interferencia representante observaron en una pantalla tras las rendijas dobles.

Applications and Summary

En este experimento, hemos demostrado el patrón de difracción de la raja sola y el patrón de interferencia de doble rendija de luz, con un rayo láser. Observando estos fenómenos característicos de la onda demuestra la naturaleza de onda de la luz.

La difracción y la interferencia de la luz jugaron papeles esenciales en el desarrollo de la óptica como ayudaron a establecer que la luz es una onda electromagnética. Estos efectos también son importantes en muchas tecnologías basadas en la óptica y la fotónica. Por ejemplo, la difracción se utiliza habitualmente para medir el tamaño de un objeto pequeño o pequeños agujeros, y es también un aspecto importante a considerar al diseñar microscopios ópticos y sistemas de imágenes. Medición de interferencia óptica (los llamados "interferometría") puede ser utilizado para la medición de distancias (como las fuentes de luz o espejos) y han encontrado aplicaciones de mecanizado, la geología y la astronomía (tal como en el proyecto LIGO que detectar las ondas gravitacionales).

El autor del experimento agradece la ayuda de Gary Hudson para la preparación de material y Chuanhsun Li para la demostración de los pasos en el video.

1. adquirir los componentes necesarios para el experimento

  1. Obtener gafas láser y vestir durante este experimento antes de encender el láser.
  2. Obtener un pedazo de papel de aluminio y utilizar tijeras para cortar en dos trozos cuadrados de 2 x 2 (aproximadamente).
  3. Obtener dos cartulinas, cada uno de aproximadamente 3 x 3, con un agujero (diámetro de aproximadamente 1 en) cortadas en el medio.
  4. Obtener un dispositivo que puede sujetar la cartulina o un block para que el cartón puede ser grabado.
  5. Obtener unas finas hojas de afeitar.
  6. Obtener un puntero de láser de He-Ne con longitud de onda de ~ 633 nm o verde puntero de láser con longitud de onda de 532 nm.

2. solo raja difracción

  1. Tomar un cuadrado de papel de aluminio y utilice una cuchilla para cortar una ranura alrededor de 1 cm de largo en el centro de la hoja. Use una regla para ayudar a guiar la afeitadora para obtener un corte recto.
  2. Pegue la lámina sobre un cuadrado de cartón con la abertura orientada horizontalmente dentro del agujero abierto (esquemáticamente se muestra en la figura 3a). Poner cinta en las esquinas de la lámina (no cubra la ranura). El cartón ayuda a estabilizar la hoja durante este experimento. Sujete un extremo de la cartulina con el dispositivo (el cartón debe ser perpendicular a la superficie de la mesa), con el agujero y ranura horizontal expuesto y frente a una pared blanca (que será la pantalla) unos 30 cm de distancia.
  3. Encender el puntero láser y el brillo del haz de láser (propagación en dirección normal a la lámina) en la ranura. Observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Apagar la sala de luz para mejor visibilidad del patrón.

3. doble ranura interferencia

  1. Tomar el otro papel de aluminio. Apilar las hojas de afeitar 3 juntos pero con la hoja media del borde empotrado de los bordes de los otros dos blades. Utilice esta pila para cortar dos ranuras de espaciamiento en el centro de la hoja (de cada uno de aproximadamente 1 cm). Utilice una regla para ayudar a guiar la maquinilla de afeitar y un corte recto.
  2. Cinta de papel sobre el otro cartón (esquemáticamente se muestra en la figura 4a) y otra vez la ayuda la cartulina con el vice o el bloque, similar al paso 2.2.
  3. Encender el puntero láser y brillar el rayo láser sobre la doble rendija. Observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Apagar la sala de luz para mejor visibilidad del patrón.

Interferencia y la difracción son fenómenos característicos de todas las ondas, de ondas a las ondas electromagnéticas como la luz del agua.

Interferencia se refiere al fenómeno donde dos ondas de la misma clase superposición para producir una onda resultante de mayor, menor, o la misma amplitud.

Difracción se define como la flexión de una onda en las esquinas de un obstáculo o abertura. En este caso, partes de diferencial de la onda pueden interferir y dar lugar a una alternancia espacial de amplitud grande y pequeño.

Este video demuestra la naturaleza de onda de la luz mediante la observación de patrones de difracción y la interferencia.

Una onda es una oscilación de la amplitud de alguna cantidad física de espacio o tiempo. La interferencia es uno de los fenómenos más característicos asociados a las ondas.

Diferentes partes de las ondas pueden superponerse y "interferir" para producir una alternancia espacial de amplitud de onda fuerte y débil, llamado un patrón de interferencia. Cuando se suman las amplitudes de las ondas que interfieren, se llama interferencia constructiva; Considerando que, cuando sus amplitudes restarán uno del otro, se denomina interferencia destructiva.

Ahora, si luz de longitud de onda lamda, se brilla en una sola hendidura estrecha, la intensidad de la hendidura alterna entre grandes y pequeños o casi cero valores, correspondientes a las regiones "brillantes" y "oscuras", también conocido como "flecos". El centro de este modelo siempre es brillante, a lo largo del eje y de la raja.

Esta alternancia es conocida como el "patrón de difracción" de la luz a través de una abertura pequeña. Es un fenómeno característico de las ondas. En concreto, los puntos entre los dos bordes de la abertura "volver a emitir", o en otras palabras "difractar" la onda de la luz hacia diferentes direcciones.

Interferencia entre las distintas partes de los resultados de difracción de las ondas de luz en la formación del patrón de difracción.

En el caso de dos ranuras espaciadas, el patrón formado, famosamente conocido como el "patrón de interferencia de la doble rendija de Young", es debido a la interferencia de la luz difractada de ambas ranuras. El protocolo siguiente muestra cómo configurar los solo-abertura y doble rendija experimentos e interpretar sus resultados.

Reunir los materiales necesarios y los instrumentos para el experimento incluye un puntero láser de helio-neon con longitud de onda ~ 633nm, unas delgadas hojas de afeitar, papel de aluminio, cartón, una regla, tijeras, un bloque de madera y la seguridad de laser gafas.

Con un par de tijeras, corte la lámina de aluminio en dos trozos cuadrados de aproximadamente 2 pulgadas por 2 pulgadas. También, cortar la cartulina en dos trozos cuadrados de aproximadamente 3 pulgadas por 3 pulgadas con un agujero de diámetro 1 pulgada en el centro.

A continuación, tomar un pedazo de papel de aluminio y con una cuchilla de afeitar, corte una raja recta aproximadamente 1 centímetro de largo en el centro de la hoja. Con la ranura colocada en el agujero con cinta adhesiva la hoja sobre una cartulina.

Ahora, con cinta un extremo de la cartulina para el taco de madera y deslice la pared blanca de unos 30 centímetros de la raja. Asegúrese de que el cartón es perpendicular a la superficie de la mesa, y el agujero y ranura vertical están expuestos y mirando hacia la pared.

Coloque el puntero láser en el otro lado de la cartulina montada, asegurando que el rayo láser será paralelo a la mesa. Ahora el láser gafas de seguridad, encender el puntero láser y brillar el rayo láser en la raja.

Apagar la luz de la habitación y observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. El puntero láser y quitar las gafas de seguridad láser.

A continuación, apilar tres hojas de afeitar que empotrar la hoja media. Tomar el otro papel de aluminio y utilizando la pila de hojas de afeitar y una regla corta dos ranuras rectas paralelas espaciadas, cerca de 1 centímetro de largo en el centro de la hoja. Ahora la cinta la hoja sobre la otra cartulina y luego péguela en el taco de madera como antes.

Usar los anteojos de seguridad láser, encender el puntero láser y brillar el rayo láser sobre la doble rendija. Apagar la luz de la habitación y observar el patrón de luz en la pared en el otro lado de la hoja. Por último, desactivar el puntero láser.

Con el protocolo completado, ahora revisemos los resultados de la solo-ranura y los experimentos de doble rendija. En el sencillo experimento de la raja, el patrón de luz observado en la pared exhibe las franjas de difracción característico. La franja brillante central es aproximadamente dos veces tan amplia, en la dirección y, como las franjas brillantes que son todo el mismo ancho.

Además, la intensidad de la decadencia de flecos brillantes del centro a los márgenes periféricos a lo largo del eje y. Se espera para el patrón de difracción de la raja sola, como los rayos de luz paralelos del láser doblan en la raja y se solapan constructivamente, las franjas brillantes y destructivamente las bandas oscuras en el medio.

En el experimento de doble rendija, el luz patrón observado en la pared exhibe las franjas de interferencia característico.

Estas franjas de interferencia son mucho más estrechos que las regiones brillantes del patrón de difracción. Esto es porque la separación entre raja tenía ' es mucho más grande que la anchura de la raja 'a' y es el recíproco de la separación de la raja que controla la anchura de las franjas de interferencia. Sin embargo, es el recíproco de la anchura de rendija 'a' que controla la anchura de las franjas de difracción.

La difracción y la interferencia de la luz ha desempeñado un papel esencial en el establecimiento de que la luz es una onda electromagnética. Así, estos efectos son importantes en muchas tecnologías basadas en la óptica y la fotónica.

Espectroscopia de la difracción del laser, es una tecnología que utiliza patrones de difracción de un rayo láser pasa a través de cualquier objeto: desde nanómetros hasta milímetros de tamaño, para rápidamente medir dimensiones de una partícula.

Un sensor se utiliza para detectar el ángulo de la luz laser y una computadora se usa para detectar tamaños de partícula del objeto de la energía de la luz producida y su disposición.

Interferometría es una técnica que utiliza la superposición e interferencia de ondas para la medición precisa de distancias, pequeños desplazamientos, cambios de índice de refracción y las irregularidades superficiales.

Aquí interfieran dos ondas de la misma frecuencia, pero diferente longitud, que se traduce en un patrón de interferencia. Este patrón puede utilizarse entonces para hacer una medida exacta del parámetro desconocido. Se utiliza esta misma técnica de interferometría en la LIGO u Observatorio de ondas gravitacionales interferómetro láser, que son enormes detectores diseñados para detectar las ondas gravitacionales.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la difracción y la interferencia de la luz. Ahora debe ser capaz de entender la teoría detrás de la formación de difracción y la interferencia de patrones de luz, que fue demostrada con los experimentos de la solo-abertura y doble rendija. ¡Gracias por ver!

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