Young´s Experiment

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Experimento de Young

Difracción

Antes de hablar de la interferencia de cualquier onda que pasa por dos rendijas, comenzaremos dando un breve cocepto de que es la difracción.

Cuando las ondas luminosas pasan a través de una cobertura o por el borde de un obstáculo, siempre se flexionan en cierta medida hacia la región que no estas directamente expuesta a la fuente de luz. Este fenómeno se llama difracción.

Difracción es la capacidad de las ondas para deflectarse alrededor de los obstáculos que encuentra en su trayectoria.

La difracción es más notables cuando la abertura es casi del mismo tamaño que la longitud de la onda. Esto se observa fácilmente en las ondas de la superficie del agua y se aplica el mismo efecto a las ondas de luz. Si la luz pasa por una rendija estrecha, produce un patrón característico de áreas de luz y oscuridad llamado patrón de difracción. La luz que pasa por un borde definido exhibe también un patrón de difracción.

Las ondas difractadas parecen originarse en la abertura de acuerdo con el principio de las ondas de Huygens: cada punto de un frente de onda puede considerarse como una nueva fuente de ondas secundarias.

Los fenómenos de difracción no pueden ser descritos por la óptica geométrica. Como veremos, los efectos de difracción, más que los efectos geométricos, con frecuencia limitan la resolución de un instrumento óptico.

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Interferencia

El término interferencia se refiere a cualquier situación en la cual dos o más ondas se superponen en el espacio. Cuando esto pasa, la onda total en cualquier punto y en cualquier instante está gobernada por el Principio de superposición.

El Principio de superposición dice que cuando dos o más ondas se superponen, el desplazamiento resultante en cualquier punto y en cualquier instante puede encontrarse sumando los desplazamientos instantáneos que producirían en ese punto las ondas individuales si cada una estuviese sola.

Una diferencia fundamental entre partículas y ondas es que las partículas no pueden ocupar el mismo lugar del espacio al mismo tiempo, sin modificarse. Las ondas si pueden.

La luz de sol está compuesta de luz que contiene un amplio rango de frecuencia y longitudes de ondas correspondientes. Con frecuencia vemos colores distintos separados de la luz del sol después que se refracta y refleja en gotas de aguas, formando un arcoíris. También a veces vemos varios colores de la luz del sol debido a fenómenos de interferencia constructivos y destructivos en capas delgadas de materiales transparente, como las burbujas de jabón o películas delgadas de aceite que flotan en el agua. En contraste con los arco iris, este efecto de capa delgada se debe a la interferencia.

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El criterio para la interferencia constructiva se caracteriza mediante una diferencia de trayectoria ∆x dada por:

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La interferencia destructiva tiene lugar si la diferencia si la diferencia de trayectoria es media longitud de onda más un entero multiplicando por la longitud de onda:

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Interferencia de rendija doble

Nuestro primer ejemplo de la interferencia de la luz es el experimento de doble rendija de Young, en honor al físico ingles Thomas Young (1773-1829), quien realizo esta investigación en 1801.

Un método común para producir dos fuentes de luz coherentes consiste en usar una fuente monocromática para iluminar una barrera que contenga dos pequeñas aberturas, por lo general en forma de ranuras. La luz que sale de las dos ranuras es coherente porque una sola fuente produce el rayo de luz original y las dos ranuras sirven sólo para separar el rayo original en dos partes (que, después de todo, es lo que sucede con la señal de sonido desde los dos altavoces anteriores). Cualquier cambio aleatorio en la luz emitida por la fuente se presenta en ambos rayos al mismo tiempo y, en consecuencia, se observan efectos de interferencia cuando la luz de las dos ranuras llega a una pantalla de observación.[pic 14]

Si la luz se mueve sólo en su dirección original después de pasar por las ranuras, como se muestra en la figura las ondas no se traslaparían y no se vería patrón de interferencia alguna.

En lugar de ello, como se explicó en el análisis del principio de Huygens, las ondas se extienden desde las ranuras, como se ve en la figura. En otras palabras, la luz se desvía de una trayectoria recta y penetra en la región que de otro modo estaría sombreada.

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a) Diagrama esquemático del experimento de doble ranura de Young. Las ranuras S1 y S2 se comportan como fuentes coherentes de ondas de luz que producen un patrón de interferencia en la pantalla (el dibujo no está a escala). b) Amplificación del centro de un patrón de franjas formado en la pantalla.

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El patrón que se muestra, hicieron que los científicos de esa época dudaran de que la luz consistiera en partículas que se desplazaban en líneas rectas. Los resultados del experimento se podían explicar únicamente en términos de la teoría ondulatoria. La iluminación de la pantalla en líneas claras y oscuras alternadas, también se podía explicar en términos de la teoría ondulatoria.

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a) Se presenta interferencia constructiva en el punto O cuando las ondas se combinan. b) también se presentan interferencia constructiva en el punto P. c) existe interferencia destructiva en R cuando las dos ondas se combinan porque la onda inferior cae media longitud de onda detrás de la onda superior.

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Ahora para cuantificar estas líneas de interferencia constructiva, en esta figura, las dos líneas r1 y r2 representan las distancias desde los centros de las rendijas S1 y S2, respectivamente, a un punto P en la pantalla colocada a una distancia L de las rendijas. Una línea dibujada de un punto a la mitad entre las dos rendijas a un punto P en la pantalla forma un ángulo θ con respecto a una línea dibujada desde las ranuras perpendiculares a la pantalla. El punto P sobre la pantalla está a una distancia y sobre esta línea central.

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