interferencia y difraccion
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1
INTERFERENCIAS y DIFRACCIÓNINTERFERENCIAS y DIFRACCIÓN
INTERFERENCIASINTERFERENCIAS
SISTEMA DE DOBLE RENDIJA. EXPERIMENTO DE YOUNGSISTEMA DE DOBLE RENDIJA. EXPERIMENTO DE YOUNG
RENDIJAS MÚLTIPLESRENDIJAS MÚLTIPLES
DIFRACCIÓNDIFRACCIÓN
A J Barbero. Dept. Física Aplicada. Curso 2004/2005 [email protected]
DIFRACCIÓN DE FRAUNHOFER EN UNA RENDIJA ESTRECHADIFRACCIÓN DE FRAUNHOFER EN UNA RENDIJA ESTRECHA
EXPERIMENTAL: MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJAEXPERIMENTAL: MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJA
INTERFERENCIAS y DIFRACCIÓNINTERFERENCIAS y DIFRACCIÓN
EXPERIMENTAL: MEDIDA DE ANCHURA Y SEPARACIÓN EN DOBLE RENDIJAEXPERIMENTAL: MEDIDA DE ANCHURA Y SEPARACIÓN EN DOBLE RENDIJA
REDES DE DIFRACCIÓNREDES DE DIFRACCIÓN
PODER DE RESOLUCIÓNPODER DE RESOLUCIÓN
2
INTERFERENCIASINTERFERENCIAS
3
Interferencia es el fenómeno producido porla superposición de dos o más ondas, lo quepuede conseguirse haciendo coincidir en unmismo lugar rayos luminosos que procedende una misma fuente, pero que han seguidodistintos caminos hasta llegar a su objetivo.
4
2aD
Rendija 1
Rendija 2
Camino 1
Camino 2
2a
2a sen
Rendija 1
Rendija 2
Camino 1
Camino 2
(si D >> a los dos caminosson casi paralelos) tg = z/D
Z
Y
sen2
2a
z
sen tg
Interferencia en un sistema de doble rendija. Experimento de Young
D
zasina 2
22
2
)(
0)(
02kytjjkytj eeEeEE
)(01
kytjeEE
)1()1( )(0
)(0
*2121
jkytjjkytj eeEeeEEEEEI
)cos22()11()1()1( 20
20
20 EeeEeeE jjjj
5
)cos1(2 0 II
Intensidad en cada punto de la pantalla:
D
zasina 2
22
2
(rad)
0I
I
Máximos:
Mínimos:
cuando cos = +1
= ±2n (n = 0, 1, 2...)
cuando cos = -1
= ±(2m±1) (m = 0, 1, 2...)
6
Interferencia N rendijas
Suma de N ondas con igual amplitud y desfases iguales entre sí
)(0
)(02
kytjjkytj eeEeEE
)(01
kytjeEE
)(20
)2(03
kytjjkytj eeEeEE
)()1(0
))1((0
kytjNjNkytjN eeEeEE
)...1(... )1(2)(0321
NjjjkytjN eeeeEEEEEE
Suma: Serie geométrica de razónje
D
zasina 2
22
2
2
3
Z
7
2
21
1)... (1
2
2
222
222
)1(32
sine
Nsine
eee
eee
e
eeeee j
Nj
jjj
NjNjNj
j
NjjNjjj
Suma de la serie geométrica:
2
0
2
2
ky)-tj(-
2
2
ky)-tj(20
2
2
2
2e
2
2eE*EI
sin
Nsin
I
sine
Nsine
sine
Nsine
E j
Nj
j
Nj
Intensidad:
8
Cambio de variable:D
zasin
a
22
2
2
0I
sin
sinNIIntensidad:
-6 -4 -2 0 2 4 60
Inte
nsid
ad r
elat
iva
(radianes)
N = 2
N = 3
Máximosprincipales:
n,...2,1,0n
9
-4 -2 0 2 40
Inte
nsi
dad
rela
tiva
(radianes)
N = 2
N = 5
N = 10
10
Doble rendija. Caso particular N = 2.
2
2cos14cos4
cos22I 0
20
2
0
2
0
2
0
IIsin
sinI
sin
sinI
sin
sinNI
)cos1(2)2cos1(2 00 III
Intensidad de los máximos principales en el caso general
22
sen
senN
Nlim
m
La intensidad de los máximos principales es proporcional a N2I0
11
DIFRACCIÓNDIFRACCIÓN
2b
D
sen = 2/2b
sen = /2b
sen = 0
sen = -/2b
sen = -2/2b
12
La difracción es el fenómeno que se produce cuando lasondas (mecánicas, electromagnéticas o asociadas apartículas) alcanzan un obstáculo o abertura dedimensiones comparables a su propia longitud de onda,y que se manifiesta en forma de perturbaciones en lapropagación de la onda, bien sea rodeando el obstáculo,bien sea produciéndose una divergencia a partir de laabertura.
Patrón de difracción rendija
(máximo principal)
13
Difracción borde cuchilla
Difracción agujero circular
14
DIFRACCIÓN POR UNA RENDIJA
Inte
nsid
ad
Posición
15
2b
(D>>2b) (D>>z)
z
Haz
plano
Pantalla
D
Esquema de difracción de un haz plano por una rendija estrecha
O
2
0
sinb2
sinb2
sin
II
2
0 2
2
z
Db
zD
bsin
II
Rendija simple. Aproximación de Fraunhofer
20sincII
zD
b
2
sin
sinc
16
A medida que disminuye la anchura 2b de la rendija, el máximo central de difracción se hace más ancho. En la figura al margen, la línea continua corresponde al patrón de difracción de una rendija con 2b/=400, mientras quela línea discontinua pertenece al patrón de difracción de una rendija con un valor 2b/=200.El primer mínimo a la izquierda y a la derecha del máximo central ocurre cuando sin = 0, es decir, cuando se verifica = (2b/ )(z/D) = . Por lo tanto tendremos los primeros mínimos cuando z/D = /2b.
-0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-
-
Inte
nsid
ad r
elat
iva
y/L
20sincII
z/D
Z
17
22
)(
z
zsinzsinc
z = z = -
22
2
2 )2(
z
zsinzsinc
Función sinc2
Difracción por una rendija
2z = 2z = -
22
5.0
5.0 )5.0(
z
zsinzsinc
0.5z = 0.5z = -
Mínimos iguales a cero cuando
se verifica z = , 2, 3...
Máximo principal en z = 0
Máximos secundarios en los puntos que
verifican la ecuación trascendente tan z = z
z = 1.43, 2.56, 3.47...
18
Mínimos (iguales a 0)cuando sin z = 0
Máximo principal(igual a I0) cuando z = 0
Máximos secundarioscuando z cos z - sen z = 0 tan z = z
Máximos y mínimos
2
0
z
zsinII
0z
) cos( 230
zsinzzzsin
Idz
dI
0) cos( zsinzxzsin
Posiciones de máximos y mínimos
19
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-6
-4
-2
0
2
4
6
radianes
f1(z) = tan z
f2(z) = z
Véase ampliación entransparencia siguiente
20
Solución gráfica de la ecuación trascendente tan z = z cerca de laasíntota localizada en z = 3/2 radianes (recuadro figura anterior)
4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,04,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
radianes
43.149.4
f2(z) = z
f1(z) = tan z
21
En el esquema adjunto se presenta el patrón de difracción de Fraunhofer de una rendija estrecha, formado mediante un láser de He-Ne y recogido sobre una pantalla situada a 160 cm de distancia. Las posiciones de los mínimos de intensidad se dan en mm, colocando arbitrariamente el cero en el primer mínimo a la izquierda del máximo principal. La longitud de onda del láser utilizado es 632.8 nm. Determínese la anchura de la rendija, expresando el resultado con su error correspondiente.
0 24 36 48-12-24
z (mm)
EJEMPLO. MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJA.
22
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsi
da
d r
ela
tiva
Posición sobre la pantalla (mm)
0 24 36 48-12-24
z
2b
D
20sincII
Dzb
sinb
22
sin
sinc
MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJA (Cont)
23
0 24 36 48-12-24
z (mm) 2 3-2-3
Hay un mínimo de difracción siempre que =±n (n=1, 2, 3...)
0 24 3612-12-24-36
Origen de coordenadas situado en el máximo central
m 104373.8012.0
60.1108.6322 5
9
b
Dzb
sinb
22
zD
b
1
2
Para = z = 0.012 m
Exceso de decimales
MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJA (Cont)
24
zD
b
1
2
zzb
DDbb
b
)2()2()2(
)2(
001.0012.0
60.1108.63201.0
012.0108.632
101.0012.060.1
)2( 2
999
2
zz
DD
zzD
b
1.3·10-8 5.3·10-7 7.0·10-6
m 108m 106.7)2( 66 b
mm )008.0084.0(m 10)8.04.8(2 5 b
En el primer mínimo = zD
b2
MEDIDA DE LA ANCHURA DE UNA RENDIJA (Cont)
25
INTERFERENCIAS + DIFRACCIÓNINTERFERENCIAS + DIFRACCIÓN
26
22
0 sen
sensen
N
II
Intensidad de difracción en aproximación deFraunhofer para una rendija múltipleiluminada con luz monocromática:
sen2
sen
2b
sen2
sen
sen2
aN
Término de difracción
Término de interferencia
27
Mínimos de difracción: = n (n =1, 2,...)
Orden del máximo
Máximos de interferencia: = m (m = 0, 1, 2,...)
= k D
zbkk
Dza
22
22
0
22
0
senksenNksen
Isen
senNsenII
22
0
sensenNsen
II
28
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
N = 3
= 3In
ten
sid
ad
re
lativ
a
2z/D (rad)
29
-6 -4 -2 0 2 4 60.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
N = 3
= 3In
ten
sid
ad r
ela
tiva
2z/D (rad)
30
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
N = 3
= 3In
tens
ida
d r
ela
tiva
2z/D (rad)
31
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 N = 10
= 2
Inte
nsi
dad
rel
ativ
a
2z/D (rad)
32
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 N = 10
= 2
Inte
nsi
dad
rel
ativ
a
2z/D (rad)
33
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 N = 10
= 2
Inte
nsi
da
d r
ela
tiva
2z/D (rad)
34
-0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsid
ad r
elat
iva
y/L
100b2
200
a2
100b2
500
a2
2a
2b2b
Distribución de intensidades para los arreglos de doble rendija mostrados. Las dos rendijas tienen la misma anchura, y sus centros están separados lasdistancias indicadas. En línea discontinua aparece la intensidad difractada por una sola rendija de ancho 2b.
2a
2b2b
-0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsid
ad r
elat
iva
y/L z/D z/D
352a
2b2b
-0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsid
ad r
elat
iva
y/L
100b2
200
a2
-0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Inte
nsid
ad r
elat
iva
y/L
75b2
200a2
2a
2b2b
Distribución de intensidades para los arreglos de doble rendija mostrados. Las dos rendijas tienen distinta anchura, pero sus centros están separados lamisma distancia. En línea discontinua aparece la intensidad difractada por una sola rendija de ancho 2b.
z/D z/D
36
EJEMPLO DE MEDIDA DOBLE RENDIJA
37
2
2
0
22
0 cossen
4sen
2sensenIII
2
4
43
221
sencos
xm
xmxmmmy
sen2b
sen2a
Intensidad del patrón de interferencia doble rendija
Forma de ajuste de los datos experimentales
fondo de intensidad la de medida :1m
02 4 Im
L
am
2 3 L
bm
2 4
2a
2b
x
L
x<<L
L
x sen
38
Tabla de datos. Medidas en las columnas Vueltas y k.
Conversión de R (k) a I (lux):
588.0log84.0
10R
I
Centrado de la figura (mm mmc):
mmc = mm +11.93
(Usando ajuste a polinomio de 2º grado en el entorno del máximo)
Relación mm/Vuelta=0.5
39
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70y = m1+m2*(cos(m3*x))^2*(sin(m4*x)/(m4*x))^2
Data: d020513b_CModel: doblerendija
Chi2 =3.03217
R2 =0.99426m1 2.65741 ±0.3579m2 63.1253 ±0.71697m3 0.4011 ±0.0017m4 0.10015 ±0.00401
lux
mm
Representación gráfica y ajuste
x
= 632.8 nm L = (320010) mm
I =
40
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
10
20
30
40
50
60
70y = m1+m2*(cos(m3*x))^2*(sin(m4*x)/(m4*x))^2
Data: d020513b_CModel: doblerendija
Chi2 =3.03217
R2 =0.99426m1 2.65741 ±0.3579m2 63.1253 ±0.71697m3 0.4011 ±0.0017m4 0.10015 ±0.00401lu
x
mm
Representación gráfica y ajuste (2)
x
= 632.8 nm L = (320010) mm
I =
41
lux 0.71.36 2 m
-13 mm 0.002401.0 m lux 0.47.2 1 m
-14 mm 0.004100.0 m
Cálculos
L
am
2 3
L
bm
2 4
mm 2585.03200108.632401.011
2 63
Lma
mm 0645.03200108.632100.011
2 64
Lmb
2
4
43
221
sencos
xmxm
xmmmI
42
LmLmmLL
L
aam
m
aa 3333
3
122212
mm 0.002 10108.632401.0103200401.0002.03200108.6321 676
LmLmmLL
L
bbm
m
bb 4444
4
122212
mm 0.003 10108.632100.0103200100.0004.03200108.6321 676
mm 0.002259.0 2 a
mm 0.003065.0 2 b
Errores
43
REDES DE DIFRACCIÓNREDES DE DIFRACCIÓN
44
22
0 sen
sensen
N
II
2a 2b
Esquema de una red de difracción
Término de difracción Término de interferencia
Una red de difracción, representada esquemáticamente en la figura, consiste en un agrupamiento de rendijas paralelas, de anchura 2b, cuyos centros se encuentran separados por una distancia 2a, denominada constante de la red.
45
Intensidad de la luz difractada por una red como función de la posición sobre una pantalla.
Pantalla
Red de difracción
D
z
Luz monocromática Máximo central
z-2 (m=-2)
z-1 (m=-1)
z0 (m=0)
z1 (m=+1)
z2 (m=+2) y2 (m=+2)
y1 (m=+1)
y0 (m=0)
y-1 (m=-1)
y-2 (m=-2)
Si disponemos una red de difracción en el camino de un haz luminoso monocromático de longitud de onda e intensidad I0 y recogemos el resultado en una pantalla situada
perpendicularmente a una distancia D (véase esquema en la figura), aparece un conjunto de máximos de intensidad sucesivamente decreciente agrupados a ciertas distancias a ambos lados de un máximo principal (el que corresponde al camino original del haz luminoso incidente, que tiene el rótulo m=0 en la figura). Los dos máximos inmediatos a ambos lados del principal se denominan de primer orden (señalados con m=1 en la figura); los dos que les siguen (señalados con m=2) son los máximos de segundo orden, y así sucesivamente. Las distancias de dichos máximos respecto a un origen arbitrario en la pantalla se han denotado como zm, y sus distancias
a la red de difracción como ym (= 0, 1, 2..).
46
Mínimos de difracción: = n (n =1, 2,...)
Orden del máximo
Máximos de interferencia: = m (m = 0, 1, 2,...)
= k D
zbkk
Dza
22
22
0
22
0
senksenNksen
Isen
senNsenII
22
0
sensenNsen
II
47
Máximos de interferencia: = m (m = 0, 1, 2,...)
sina
m2
sinam 2
a2
2asin
Interferencia constructiva: aquellos ángulos que verifican la condición
Aparecen máximos de interferencia muy estrechos, ya que el número N de rendijas es grande
m = 0 Máximo principal (sin desviación)
m = 1 Máximo(s) 1er orden
m = 2 Máximo(s) 2o orden
48
Principal
1º orden 1º orden
49
Dza
2
Da
mzm 2
mDza 2
Ejemplo. Se hace pasar un láser de He-Ne ( = 632.8 nm) por una red de difracción y en una pantalla distante 1.50 m se observa que la distancia entre el máximo principal y los máximos de primer orden es 9.49 cm. ¿Cuántas líneas por mm contiene esta red de difracción?
m 1050.11049.9
108.63212
52
9
D
z
ma
m
Líneas/mm = 1/(2a)
líneas/mm 10líneas/m 10 10/1255
50
Poder de resolución:
R es la menor diferencia entre dos
longitudes de onda próximas a que puede ser resuelta.
Cuando se iluminan N rendijas de una red de difracción el poder de resolución en el orden m es proporcional al producto mN
Nm
Poder de resolución
El poder de resolución es la capacidad de diferenciar entre dos longitudes de onda muy próximas