A experiência de Young provou que a luz era uma onda, porque os fenômenos da difração e da interferência, por ele descobertos, eram características exclusivamente ondulatórias. Show De acordo com TORRES (2013), em 1801, o experimento de Young, a luz solar incidia sobre uma tela opaca, na qual havia duas fendas estreitas, como na FIGURA 07. FIGURA 08 - FEIXE LUMINOSO ATRAVESSANDO UM ANTEPARO COM DUAS FENDAS Disponível em: <http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec13.html>. Ao contrário do que esperava, ao invés de observar o surgimento de apenas 2 linhas brilhantes, Young observou uma série de linhas brilhantes, com intensidades variáveis, resultado que era condizente com o comportamento ondulatório da luz e com o fenômeno da interferência de ondas, como podemos observar na FIGURA 08: FIGURA 09 - FORMAÇÃO DE UM PERFIL DE INTERFERÊNCIA EM UM ANTEPARO Disponível em: <http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec13.html>. Considere agora uma fonte luminosa emitindo um feixe luminoso em um anteparo com apenas uma fenda, como na FIGURA 09. FIGURA 10 - FEIXE LUMINOSO ATRAVESSANDO UM ANTEPARO COM UMA FENDA Disponível em: <http://www.kshitij-iitjee.com/Young%E2%80%99s-double-slit-experiment>. Adaptado pelo autor. Após passar pela primeira fenda, a luz sofre DIFRAÇÃO e nesse momento, um novo anteparo é posto diante dela, como podemos observar na FIGURA 10. FIGURA 11 - PERFIL DE INTERFERÊNCIA FORMADO NO ANTEPARO, INDICANDO QUANDO OCORRE IC (max) E QUANDO OCORRE ID (min) O que Young esperava? Que logo atrás do 2º anteparo não chegaria nenhuma luz, já que naquele momento, a teoria corpuscular da luz ainda era a mais aceita. Para sua surpresa, o que se formou logo atrás do anteparo foi algo próximo com a FIGURA 11. FIGURA 12 - FOTO DAS FRANJAS DE INTERFERÊNCIA FORMADO EM UM ANTEPARO Disponível em: <http://www.kshitij-iitjee.com/Young%E2%80%99s-double-slit-experiment>. Esse experimento deixou evidente a natureza ondulatória da luz e possibilitou explicar de maneira mais adequada o fenômeno da interferência de ondas. VÍDEO 01 - EXPERIMENTO DE YOUNG 1 – INTRODUÇÃODifração é o nome genérico dado aos fenômenos associados a desvios da propagação da luz em relação ao previsto pela óptica geométrica.O efeito de difração é observado para todos os tipos de ondas. Nas condições rotineiras raramente observamos a difração da luz. Entretanto, a difração das ondas sonoras é difícil de ser evitada. O som contorna obstáculos de tamanhos razoáveis tais como as mobílias de uma sala e preenchem todo o ambiente de maneira mais ou menos uniforme. Esta diferença observada entre a difração das ondas sonoras e ondas luminosas é devida à diferença entre os respectivos comprimentos de onda. O comprimento de onda do som é da ordem de 1 m, enquanto que o da luz visível é da ordem de 5 x 10-7 m.Os efeitos de difração são apreciáveis quando os obstáculos ou aberturas são de dimensões comparáveis ao comprimento de onda. a) Difração de fenda simples Fig.1 – Difração de fenda simples. Na fig.1 um feixe de luz monocromática passa por uma fenda de largura b e atinge um anteparo a uma distância z.As ondas de Huygens originárias em cada ponto da abertura interferem entre si e produzem o padrão de difração ilustrado nesta figura. Observamos um máximo central e pontos onde a intensidade luminosa é nula. b) Difração de Fenda duplaUm arranjo semelhante pode ser feito para se observar a difração de fenda dupla. O efeito de difração observado quando a luz passa por cada uma das fendas é o mesmo discutido anteriormente, mas o resultado final em qualquer direção depende da diferença de caminho entre as duas contribuiçõesFig. 3 – Difração de N fendas de largura b período d. A linha serrilhada representa a função de difração (sinb/b)2 . Utilizando a relação apresentada no parágrafo anterior para o caso da fenda dupla, e a relação trigonométrica, I = Io cos² γ (sen² β/β²) (4) onde γ = 1/2 kh sen Θ .c.2 – Simule no computador o padrão para λ = 633 nm, b = 0.2 mm, z = 3 m e h = 0.5 mm. Determine a posição dos máximos e mínimos de interferência e de difração..d – Generalize o modelo para o caso de N fendas.d.1 – Mostre que : I = Io ( senβ/β)² (senNγ/Nsenγ)² (5).Verifique que a eq.(5) coincide com a eq. (4) para N = 2.d.2 – Simule no computador o padrão previsto para N = 3, 4, 5, 10.Que acontece com a largura dos máximos de interferência, à medida que aumenta N ?Quantos mínimos de interferência ha dentro do máximo central de difração ( i. é, –p < b < p ) ?4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL (veja o resumo das atividades para este semestre) Os experimentos serão realizados com um Laser de λ desconhecido (cuidado, no laboratório tem laser vermelho, laranja, azul e verde). As fendas foram feitas em um filme de cromo sobre vidro. A largura das fendas b e a separação entre elas d são desconhecidos, mas da ordem de: 30 < b < 60 μm e 60 < d μmAlinhamento Para que as medidas sejam feitas com precisão, é fundamental que a máscara com as fendas seja colocada perpendicular ao feixe do Laser, isso pode ser facilmente feito enviando o feixe do Laser refletido na superfície do slide, novamente para a saída do Laser. Medida do espectro angular de espalhamento para 3 situações: Fenda única, fio de cabelo, e rede de difração.Medir o espectro ângular, significa medir a intensidade da luz em função do ângulo de observação.Para esta medida o detector se movimentará linearmente sobre um trilho graduado e perpendicular à direção da incidência do feixe laser. A medida do ângulo ( na posição dos máximos ou mínimos) correspondente à cada posição do fotodetector no trilho, pode ser feita por triangulação ( Distancia Z conhecida).Usando o microscópio, medir a largura da fenda , a espessura do fio de cabelo , o período e a largura das fendas da rede de difração. Com as informações das 3 situações diferentes ( fenda única, fio de cabelo e grade de difração) determinar o comprimento de onda do laser utilizado. Roteiro sugerido: 1 – Montar o conjunto Laser, fenda e detetor no trilho. Projete o padrão de difração/interferência sobre o detetor e registre as intensidades ( Trabalhar sempre na região de linearidade do detector, para evitar que a curva fique achatada pela saturação) e distâncias do máximo central.2 – Caracterize os padrões de difração/interferência para: 1 fenda, 1 fio de cabelo e N fendas ( N é desconhecido), ou seja, meça as posições dos máximos ou mínimos. 3 – No caso de 1 fenda, caracterize os padrões de difração obtidos para várias distâncias fenda-anteparo (z) e verifique se a eq. 2 é válida.4 – Meça diretamente com o microscópio, as dimensões b e d.5 – À partir dos seus dados experimentais, traçar a curva de intensidade difratada para cada uma das 3 situações em função do ângulo de observação.6 –Usando os valores de b e d para as 3 situações, determine o l do Laser para as 3 situações. 7– Pode-se concluir que a difração/interferência é um método preciso para medir l? Qual é a precisão do método?Obs. O prof. definirá os ítens a fazer.5 – BIBLIOGRAFIA1 – G. R. Fowles, “Introduction to Modern Optics“, Holt, Rinehart and Winston, second edition, New York (1975).2* – John P. McKelvey and H. Grotch, “Fisica 4 “, Harbra – Harper & Row do Brasil, São Paulo, cap26 (1981).3 – Francis A. Jenkins and Harvey White,” Fundamental of Optics“, MacGraw Hill. (1976).4 – Hecht, Eugene, “Optics“. Adelphi University, Addison-Wesley Publishing Company (1990)* melhor livro .Fig. 14.4 – Figuras de difração produzidas por diferentes números de fendas d = 3b and N = 1 (superior), N = 2 (centro), and N = 10 (Inferior).Z (eixo de intensidade) = log[G(y)I(x)/I0 + 10-5] + 5, onde G(y) é a função gaussiana que determina o contorno do feixe laser.A escala log de intensidade simula a resposta do ôlho para luz intensa. (Simulações: Paulo Dainese e Hugo Fragnito, Nov. 2004)..6 – APÊNDICE :.a) – DIFRAÇÃO DE UM FIO DE CABELOSe no lugar de uma fenda simples, colocarmos um fio de cabelo, o padrão de difração produzido por um feixe laser, é muito similar ao da fenda, exceto na pequena região dentro do feixe.Isto pode ser explicado a partir do principio de Babinet de máscaras complementares. Consideremos duas máscaras complementares como as da figura 14.5, iluminadas em idênticas condições por um feixe de luz.Sejam EA e EB os campos de difração no ponto P produzidos em cada caso: EA (P) = ∫ f(E)dsonde indica a integral de Huygens.Fig. 14.5 – A e B Máscaras complementares. .Portanto, EA+ EB = E Este resultado é o princípio de Babinet. Este princípio é útil principalmente nos pontos onde E(P) = 0, em cujo caso temos EA = -EB e portanto, a irradiância IA = IB .No caso do fio de cabelo iluminado por um feixe Laser, o padrão coincide com o da fenda em todos os pontos, exceto na região dentro do feixe (onde E ¹ 0)..b) – REGISTRO FOTOGRÁFICOTambém é possível registrar as figuras através do processo fotográfico, colocando-se um papel fotográfico para ser exposto durante um tempo bem controlado, à luz emitida e difratada pelas fendas.É preciso mencionar que neste caso, a distância papel-fenda deverá ser bem menor uma vez que as dimensões do papel fotográfico são menores, consequentemente a imprecisão nas medidas a serem feitas nas fotos aumenta, aumentando assim o erro das medidas das fendas.Lembrar também que a distribuição de luz, ao longo da figura de difração não é homogênea,resultando em uma imagem com muito contraste no centro e quase nada nas laterais. Essa limitação pode ser superada bloqueando a parte central da imagem, expondo mais tempo as regiões laterais da figura..c ) – PARAFUSO MICROMÉTRICO DO MICROSCÓPIO.Fig. 14.6 – Escala do microscópio. A figura 14.6 mostra a escala do parafuso micrométrico do microscópio usado para se medir as fendas.O parafuso é composto de 3 escalas:a) Tambor fixoi – escala vertical em mmii – escala horizontal em 0.001mmb) Tambor móveliii – em 0.01mm ( 1mm dividido em 100 partes)A cada volta completa do parafuso, a mesa se desloca 1,000 mm( Para maiores detalhes veja as fotos que estão no laboratório). d) DIFRAÇÃO DE UMA FENDA.Fig. 14.7a – Figura de difração de uma fenda.Fig. 14.7b – Figura de difração de uma fenda retangular. e) DISTRIBUIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA.Fig.14.8 – Figura da distribuição da intensidade luminosa..Fig.14.9 – Microscópio Metrológico e seus comandos. 1 – INTRODUÇÃODifração é o nome genérico dado aos fenômenos associados a desvios da propagação da luz em relação ao previsto pela óptica geométrica.O efeito de difração é observado para todos os tipos de ondas. Nas condições rotineiras raramente observamos a difração da luz. Entretanto, a difração das ondas sonoras é difícil de ser evitada. O som contorna obstáculos de tamanhos razoáveis tais como as mobílias de uma sala e preenchem todo o ambiente de maneira mais ou menos uniforme. Esta diferença observada entre a difração das ondas sonoras e ondas luminosas é devida à diferença entre os respectivos comprimentos de onda. O comprimento de onda do som é da ordem de 1 m, enquanto que o da luz visível é da ordem de 5 x 10-7 m.Os efeitos de difração são apreciáveis quando os obstáculos ou aberturas são de dimensões comparáveis ao comprimento de onda. a) Difração de fenda simplesFig.14.1 – Difração de fenda simples. Na fig.14.1 um feixe de luz monocromática passa por uma fenda de largura b e atinge um anteparo a uma distância z.As ondas de Huygens originárias em cada ponto da abertura interferem entre si e produzem o padrão de difração ilustrado nesta figura. Observamos um máximo central e pontos onde a intensidade luminosa é nula.b) Difração de Fenda duplaUm arranjo semelhante pode ser feito para se observar a difração de fenda dupla. O efeito de difração observado quando a luz passa por cada uma das fendas é o mesmo discutido anteriormente, mas o resultado final em qualquer direção depende da diferença de caminho entre as duas contribuiçõesFig. 14.2 – Difração de fenda dupla. A fig. 14.2 nos mostra que a luz difratada pelas duas fendas sofre efeito de interferência, de modo a se obter no anteparo máximos e mínimos de luz.A intensidade total é o produto de um fator devido à difração de fenda simples(sinb/b) vezes um fator devido à interferência de fenda dupla (cos (γ)). O fator de interferência tem um máximo (chamados de máximos principais) sempre que:onde m=0,1,2,3,4, ...denota a ordem do padrão. Já o fator de difração tem mínimos de intensidade sempre que: onde n=1,2,3,4, ... denota a ordem do mínimo. O padrão pode ser descrito dizendo-se que o fator de difração “modula” as variações do fator de interferência. Sempre que um máximo de interferência coincide espacialmente com um mínimo de difração, esse máximo de interferência é suprimido. Assim, sempre que, um máximo do padrão de interferência será eliminado c) Difração de fenda múltipla.Fig. 14.3 – Difração de N fendas de largura b período d a linha serrilhada representa a função de difração (sinb/b)2 Utilizando a relação apresentada no parágrafo anterior para o caso da fenda dupla, e a relação trigonométrica, o padrão de intensidades para a fenda dupla pode ser escrito como: A generalização desta expressão ao casso de Nfendas não é uma tarefa matemática simples. O resultado final, contudo, é bastante simples sendo obtido apenas substituindo-se por . Assim para a difração por um arranjo de múltiplas fendas, a distribuição de intensidades é dada por: 2 – OBJETIVOS :– Observar os efeitos de difração de Fraunhofer produzidos por uma fenda e os efeitos de interferência produzidos por duas ou mais fendas.– Elaborar um modelo que explique as principais características do padrão de interferência e/ou difração observado.Verificar quantitativamente as previsões do modelo.3 – PREPARAÇÃOa – Estude ou revise os conceitos de interferência e difração, principalmente os seguintes pontos:a.1 – Experimento de Young.a.2 – Difração.a.3 – Difração de Fraunhofer de uma fenda.a.4 – Difração e interferência por fendas múltiplas – rede de difraçãob – para explicar quantitativamente o padrão de difração de uma fenda de abertura b, observado em um anteparo a uma distância z, produzida por ondas incidentes planas, de comprimento de onda l e irradiância I0 .b.1 – Mostre que a condição para que o padrão de difração possa ser considerado como de Fraunhofer é :(1) (2)onde I0 é a irradiância em y = 0 e (3) com k=2p /l e tan q = y/z. Note que para y = 0 este modelo prevê o máximo absoluto (ou máximo central) da irradiância.b.3 – Se b é 1mm e l = 633 nm, à partir de qual distância z você espera que a eq. (2) seja válida ?b.4 – Baseado neste modelo, onde você espera achar os primeiros 4 mínimos de difração?b.5 – Utilizando algum software de sua preferência simule o experimento obtendo um gráfico de I/ I0 versus y para l = 633nm, b = 0.2mm e z = 3m.Quanto é aproximadamente a intensidade relativa dos primeiros 10 máximos ? c – Estude o modelo para a interferência de duas fendas com largura b e distância entre fendas h (Experimento de Young) levando em consideração os efeitos de difração.c.1 – Mostre que se a condição de difração de Fraunhofer for satisfeita, a incidência pode ser escrita como:.(4)onde . c.2 – Simule no computador o padrão para l = 633 nm, b = 0.2 mm, z = 3 m e h = 0.5 mm. Determine a posição dos máximos e mínimos de interferência e de difração..d – Generalize o modelo para o caso de N fendas.d.1 – Mostre que :(5). Verifique que a eq.(5) coincide com a eq. (4) para N = 2.d.2 – Simule no computador o padrão previsto para N = 3, 4, 5, 10.Que acontece com a largura dos máximos de interferência, à medida que aumenta N ?Quantos mínimos de interferência ha dentro do máximo central de difração ( i. é, –p < b < p ) ?.4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL (veja o resumo das atividades para este semestre) Os experimentos serão realizados com um Laser de l desconhecido (cuidado, no laboratório tem laser vermelho, laranja, azul e verde). As fendas foram feitas em um filme de cromo sobre vidro. A largura das fendas b e a separação entre elas d são desconhecidos, mas da ordem de: b@ 30 – 60 m m e d@ 60 – 120 m mAlinhamento Para que as medidas sejam feitas com precisão, é fundamental que a máscara com as fendas seja colocada perpendicular ao feixe do Laser, isso pode ser facilmente feito enviando o feixe do Laser refletido na superfície do slide, novamente para a saída do Laser. Medida do espectro angular de espalhamento para 3 situações: Fenda única, fio de cabelo, e rede de difração. Medir o espectro ângular, significa medir a intensidade da luz em função do ângulo de observação.Para esta medida o detector se movimentará linearmente sobre um trilho graduado e perpendicular à direção da incidência do feixe laser. A medida do ângulo ( na posição dos máximos ou mínimos) correspondente à cada posição do fotodetector no trilho, pode ser feita por triangulação ( Distancia Z conhecida).Usando o microscópio, medir a largura da fenda , a espessura do fio de cabelo , o período e a largura das fendas da rede de difração. Com as informações das 3 situações diferentes ( fenda única, fio de cabelo e grade de difração) determinar o comprimento de onda do laser utilizado. Roteiro sugerido: 1 – Montar o conjunto Laser, fenda e detetor no trilho. Projete o padrão de difração/interferência sobre o detetor e registre as intensidades ( Trabalhar sempre na região de linearidade do detector, para evitar que a curva fique achatada pela saturação) e distâncias do máximo central.2 – Caracterize os padrões de difração/interferência para: 1 fenda, 1 fio de cabelo e N fendas ( N é desconhecido), ou seja, meça as posições dos máximos ou mínimos. 3 – No caso de 1 fenda, caracterize os padrões de difração obtidos para várias distâncias fenda-anteparo (z) e verifique se a eq. 2 é válida.4 – Meça diretamente com o microscópio, as dimensões b e d.5 – À partir dos seus dados experimentais, traçar a curva de intensidade difratada para cada uma das 3 situações em função do ângulo de observação.6 –Usando os valores de b e d para as 3 situações, determine o l do Laser para as 3 situações. 7– Pode-se concluir que a difração/interferência é um método preciso para medir l? Qual é a precisão do método?Obs. O prof. definirá os ítens a fazer.5 – BIBLIOGRAFIA1 – G. R. Fowles, “Introduction to Modern Optics“, Holt, Rinehart and Winston, second edition, New York (1975).2* – John P. McKelvey and H. Grotch, “Fisica 4 “, Harbra – Harper & Row do Brasil, São Paulo, cap26 (1981).3 – Francis A. Jenkins and Harvey White,” Fundamental of Optics“, MacGraw Hill. (1976).4 – Hecht, Eugene, “Optics“. Adelphi University, Addison-Wesley Publishing Company (1990).* melhor livro .Fig. 14.4 – Figuras de difração produzidas por diferentes números de fendas d = 3b and N = 1 (superior), N = 2 (centro), and N = 10 (Inferior).Z (eixo de intensidade) = log[G(y)I(x)/I0 + 10-5] + 5, onde G(y) é a função gaussiana que determina o contorno do feixe laser.A escala log de intensidade simula a resposta do ôlho para luz intensa. (Simulações: Paulo Dainese e Hugo Fragnito, Nov. 2004)..6 – APÊNDICE :.a) – DIFRAÇÃO DE UM FIO DE CABELOSe no lugar de uma fenda simples, colocarmos um fio de cabelo, o padrão de difração produzido por um feixe laser, é muito similar ao da fenda, exceto na pequena região dentro do feixe.Isto pode ser explicado a partir do principio de Babinet de máscaras complementares. Consideremos duas máscaras complementares como as da figura 14.5, iluminadas em idênticas condições por um feixe de luz.Sejam EA e EB os campos de difração no ponto P produzidos em cada caso:onde indica a integral de Huygens.Fig. 14.5 – A e B Máscaras complementares. (ou, mais corretamente, a integral de Kirchoff – Fresnel, mas que de todos modos não é necessário especificar a forma desta integral) f(E) é uma função do campo E na superfície da máscara e ds o elemento de área.A soma das áreas das duas máscaras (A + B) é a superfície sem obstáculos, onde E(P) é o campo produzido na ausência de máximos..Portanto, EA+ EB = E Este resultado é o princípio de Babinet. Este princípio é útil principalmente nos pontos onde E(P) = 0, em cujo caso temos EA = -EB e portanto, a irradiância IA = IB .No caso do fio de cabelo iluminado por um feixe Laser, o padrão coincide com o da fenda em todos os pontos, exceto na região dentro do feixe (onde E ¹ 0)..b) – REGISTRO FOTOGRÁFICOTambém é possível registrar as figuras através do processo fotográfico, colocando-se um papel fotográfico para ser exposto durante um tempo bem controlado, à luz emitida e difratada pelas fendas.É preciso mencionar que neste caso, a distância papel-fenda deverá ser bem menor uma vez que as dimensões do papel fotográfico são menores, consequentemente a imprecisão nas medidas a serem feitas nas fotos aumenta, aumentando assim o erro das medidas das fendas.Lembrar também que a distribuição de luz, ao longo da figura de difração não é homogênea,resultando em uma imagem com muito contraste no centro e quase nada nas laterais. Essa limitação pode ser superada bloqueando a parte central da imagem, expondo mais tempo as regiões laterais da figura..c ) – PARAFUSO MICROMÉTRICO DO MICROSCÓPIO.Fig. 14.6 – Escala do microscópio. A figura 14.6 mostra a escala do parafuso micrométrico do microscópio usado para se medir as fendas.O parafuso é composto de 3 escalas:a) Tambor fixoi – escala vertical em mmii – escala horizontal em 0.001mmb) Tambor móveliii – em 0.01mm ( 1mm dividido em 100 partes)A cada volta completa do parafuso, a mesa se desloca 1,000 mm( Para maiores detalhes veja as fotos que estão no laboratório). d) DIFRAÇÃO DE UMA FENDA.Fig. 14.7a – Figura de difração de uma fenda.Fig. 14.7b – Figura de difração de uma fenda retangular. e) DISTRIBUIÇÃO DA INTENSIDADE LUMINOSA.Fig.14.8 – Figura da distribuição da intensidade luminosa..Fig.14.9 – Microscópio Metrológico e seus comandos. +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ Qual a contribuição do experimento de dupla fenda de Young?Por volta de 1801, uma bela experiência realizada por Thomas Young (1773-1829) resolveu a questão favoravelmente a Huygens. A experiência de Young provou que a luz era uma onda, porque os fenômenos da difração e da interferência, por ele descobertos, eram características exclusivamente ondulatórias.
O que ocorre com o padrão de difração de uma fenda quando a fenda fica mais estreita?Em geral, quanto mais estreita é a fenda, maior é a largura total da figura de difração.
Por que a experiência da dupla fenda e tão importante para a física quântica?A experiência da dupla fenda prova inequivocamente a chamada mecânica quântica, ou ondulatória, que deve basear-se em noções essencialmente diferentes da mecânica clássica. Pois na quântica não existe o conceito de trajetória da partícula.
Para que serve a dupla fenda?O experimento da dupla fenda é um dos mais conhecidos na área da Física. Nele, partículas são emitidas na direção de uma anteparo (barreira), onde foi feito uma dupla fenda (fendas vizinhas e verticais), atrás deste anteparo há um detector captando a chegada de cada partícula que passa pelas fendas.
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