Lab De Fisica4 Fime Practicas 6-9

No. de práctica: 6 Nombre de la práctica: Estudio del fenómeno de difracción de la luz.

Objetivo de la práctica:

Observar las características del patrón de difracción por una rendija y determinar el ancho de una rendija a partir de la posición de los mínimos de la intensidad

Introducción:

En Italia, posiblemente mientras Newton desarrollaba su famosa Óptica o Tratado de la reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz— un jesuita italiano, Francesco Grimaldi (1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651 dio los nombres que hasta ahora conservan los accidentes del lado visible de la Luna, descubría un importante fenómeno óptico llamado por él mismo difracción de la luz. Este fenómeno se presenta siempre que de la luz emitida por una fuente se separa una fracción interponiendo un cuerpo opaco y esto es lo que da origen a su nombre: división en fracciones.

La difracción se puede observar interponiendo, justo frente a un ojo, una ranura muy estrecha recortada en una lámina opaca; o bien, una ranura formada por los filos de dos hojas de afeitar pegadas con cinta sobre una ranura más ancha recortada en una tira de cartoncillo.

Mirando solamente por este ojo una luz distante, por ejemplo la flama de una vela colocada a unos metros de distancia, esperaríamos percibir la imagen de la flama como en la figura 2(a); sin embargo, si la ranura es suficientemente estrecha, se perciben varias imágenes como en la figura 2(b). Esto, desde luego, tampoco es lo que esperaríamos de acuerdo con la óptica geométrica.

Figura 2. La imagen de la flama de una vela según la percibe el ojo. (a) A través de una ranura ancha; (b) A través de una ranura delgada; de difracción.

La figura 3(a) muestra las regiones geométricas de iluminación y de sombra producidas por una ranura. Si colocáramos el ojo justo en el origen de estas regiones los rayos de la región de iluminación pasarían al interior del ojo y formarían una imagen, y sólo una, de la flama de la vela; esto es lo que vemos por una ranura ancha (Figura 2(a)). Las imágenes múltiples que se observan con la ranura delgada indican que, al pasar por la ranura, la luz forma varias regiones de iluminación a ambos lados de una región central iluminada que corresponde, más o menos, a la región geométrica de iluminación. El ojo forma imágenes con los rayos que recibe de cada una de estas regiones y las percibe como en la figura 2(b).

Figura 3. Las zonas de iluminación y de sombra producidas por una ranura delgada. (a) Según la óptica geométrica. (b) Según se observa en una ranura de difracción.

El fenómeno de la difracción de la luz y otros análogos se observan más nítidamente en un cuarto oscuro y si en vez de la flama de una vela empleamos como fuente de luz un solo punto luminoso. Se consigue uno fácilmente pasando luz de la flama de una vela por un orificio pequeño perforado en un cartoncillo grueso, negro de preferencia, en la forma que muestra la figura 4. Mirando la luz de la vela que pasa por el orificio a través de la ranura de difracción colocada justo frente al ojo se observa un conjunto de bandas luminosas, de intensidad decreciente respecto a la más intensa del centro, que se llama patrón de difracción de una ranura (Figura 4).

Figura 4. Arreglo para observar la difracción de un haz de luz que se forma haciendo pasar luz de la flama de una vela por un orificio pequeño perforado en un cartoncillo.

El patrón de difracción de una ranura parece negar la propagación rectilínea de la luz. Si pensamos en la luz simplemente como si fueran rayos, sin importar su naturaleza, las imágenes laterales parecerían provenir de rayos desviados de la dirección de los rayos centrales; es decir, de rayos que habrían torcido su rumbo al pasar los filos de las hojas y penetrado en la sombra geométrica. El fenómeno de la difracción de la luz, por lo tanto, contradice la hipótesis de los rayos rectos; es decir, contradice la hipótesis de la propagación rectilínea de la luz. Parece que la luz, después de todo, sí puede dar la vuelta a los objetos opacos.

Si pensamos en la luz como rayos formados por partículas, o corpúsculos, el fenómeno de la difracción de la luz nos lleva también a consecuencias muy interesantes. Podríamos, por ejemplo, imaginar un sencillísimo experimento para medir el "tamaño" de tales partículas; simplemente pasaríamos luz, como la proveniente de una vela, por ranuras más y más estrechas hasta alcanzar una que apenas permitiera su transmisión. El diámetro de las "partículas de luz" sería apenas superior a la anchura de esta ranura. Sin embargo, observando la flama de una vela a través de ranuras de difracción de diferentes anchuras, o con una ranura estrecha de anchura variable como la de la figura 5, se encuentra que todas producen imágenes múltiples; esto es, se comprueba que no es posible encontrar una ranura que "apenas permita el paso de la luz"; para conseguir esto es necesario cerrar la ranura completamente.

Las "partículas" que según Newton compondrían los rayos luminosos parecerían, pues, carecer de dimensiones definidas, ya que la luz pasa por las ranuras más estrechas. Este sorprendente resultado no demuestra, sin embargo, que la luz no está compuesta por partículas; sólo demuestra que, si lo estuviera, las partículas no serían como pequeñísimas canicas ni pelotas rígidas con dimensiones definidas.

Figura 5. Una ranura de difracción de anchura variable. Los filos de las hojas se ponen en contacto por un extremo y se separan en el otro por el espesor de un trocito de papel antes de fijarlos con cinta a la tira de cartón.

Desarrollo:

Para esta práctica de laboratorio se utilizará como fuente de luz un láser de He-Ne, por lo cual los estudiantes deben leer atentamente, antes de realizar la práctica, las medidas de seguridad orientadas para el trabajo con éste equipo. Este láser emite luz visible de color rojo con una longitud de onda de 632.8nm y una potencia de 1.5mw.

El esquema básico de la instalación experimental para la realización de esta práctica se muestra a continuación:

Para mostrar una de las aplicaciones que tiene el fenómeno de la difracción utilizaremos el mismo para calcular el ancho de una de las rendijas, seleccionando para ello la rendija que nos muestre el patrón de luz mas claro.

La fórmula para calcular la posición de los mínimos de difracción en el patrón

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