Rendijas

RENDIJAS, DIFRACCIÓN E INTERFERENCIA

Objetivo:

Entender el comportamiento de la luz en presencia de diferentes tipos de obstáculos para entender mejor la natura ondulatoria de la luz.

Materiales:

  • Láser
    Recuerda siempre tener cuidado a evitar que la luz láser (o unos reflejos) lleguen a tus ojos o a los de otras personas presentes en la misma habitación.
    Puede ser útil conseguir láseres de diferentes color para comparar los efectos.
  • Cuchilla
  • Cartulina negra
  • CD/DVD
  • Tijeras, cinta adhesiva, cartón, …

borde:

Busca algún objeto opaco que tenga un borde muy afilado y bien definido, como por ejemplo una cuchilla. Podemos interpretar el espacio vacío al lado de la cuchilla como una rendija con una apertura infinitamente grande.

Posiciona el láser para que apunte al borde de la cuchilla: deberías poder ver un patrón de difracción como el de la imagen en el campo lejano (i.e. a por lo menos 1 metro de distancia de la cuchilla).

Observa atentamente en qué dirección observas el patrón: ¿podrías explicar lo que ves si pensaras que la luz está hecha de bolitas muy pequeñas, como creía Newton?

 

Rendija simple:

Usa una lama afilada (por ejemplo la cuchilla de antes) para cortar una rendija muy fina en un trozo de cartulina negra o de papel.

Ilumina la rendija que has fabricado con el láser y observa el patrón de difracción: ¿qué tiene en común con el patrón anterior? ¿Qué diferencias hay?

 

La intensidad de la luz que ves en la pantalla se puede describir con una función matemática sencilla (mira la figura abajo) donde d es la amplitud de la rendija, θ es el angulo de incidencia de la luz en la pantalla y λ es la longitud de onda de la luz. Con esto puedes obtener la relación entre el ángulo y la posición en la pantalla donde registras menor intensidad.

¿Qué cambia si cambias el tamaño de la rendija? ¿Coincide lo que observas con lo que esperarías de la formula?

¿La formula de la rendija simple explica también lo que has observado con la cuchilla?

 

Rendija doble (experimento de Young):

Corta ahora otra rendija similar a la que has hecho en el mismo trozo de papel. Para ver la interferencia, tienes que poder iluminar con el láser ambas rendijas. Esto requiere un poco de habilidad con la cuchilla: si no lo consigues, es posible que tengan algunos ejemplos de doble rendijas ya hechas que puedas usar. Si no, puedes encontrar algunas en el Kit Fotónico (contacta con outreach@icfo.eu para saber como conseguirlo).

El patrón de difracción creado por una rendija hace interferencia con el otro: ahora vemos más puntitos de luz (cuya distancia depende de la distancia entre las rendijas). Su intensidad está modulada por el patrón de difracción de la rendija simple. Es curioso que el parámetro más grande en tamaño (la distancia entre las rendijas) cree el patrón con periodo más pequeño.

¿Qué pasa si cambias la distancia entre las rendijas? ¿Y si cambias la amplitud de las rendijas?

 

Más de dos rendijas (red de difracción):

Si ya es difícil hacer dos rendijas, ¡imagínate muchas más! Pero quizás puedes encontrar en tu casa algunos objetos que tengan una estructura regular, como si fuesen muchas rendijas (o agujeros) pequeños uno al lado del otro. Intenta con un filtro para té o una camiseta, por ejemplo. En la escuela es posible que tengan una red de difracción bien caracterizada o puedes encontrarla en el Kit Fotónico o incluso comprarla. Puedes incluso fabricar una a partir de un CD o un DVD: aquí (p. 12 – en catalán) explicamos cómo hacerlo.

Ahora que tenemos muchas más rendijas, hay puntos de luz muchos más separados. ¿De qué depende la distancia entre ellos?

Sigue investigando:

  • Ya has comprobado el comportamiento de la luz en diferentes situaciones. Has visto también que experimentar con materiales caseros tienes sus limitaciones. ¿Qué problemas has tenido? ¿Qué podrías mejorar si tuvieses un presupuesto más grande para tu experimento? Por qué?
  • Puedes seguir investigando a pesar de las limitaciones experimentales simulando el comportamiento de la luz a partir de un modelo matemático.
  • ¿Qué pasaría si hicieses los mismos experimentos con láseres de diferentes colores? ¿Y con luz blanca?
  • Hay difracción en muchas situaciones cotidianas. Busca algunos ejemplos.
  • ¿Se observa difracción solo en la luz?
  • Busca cómo Young hizo su experimento: ¿por qué con un láser resulta más sencillo? ¿Por qué es importante la coherencia óptica?
  • ¿Por qué el experimento de la doble rendija fue tan importante en la historia de la ciencia? Ahora nos parece casi evidente que la luz sea una onda, pero en su época no lo era. Puedes estudiar cómo ha evolucionado la comprensión de la luz en la historia y qué evidencias científicas contribuyeron a eso. Curiosidad: ¿cual era la idea de Newton sobre la luz? ¿Tenía razón?
  • ¿Qué tiene que ver la foto de esta playa con la difracción? Es la playa de Terramar en Sitges, no muy lejos de ICFO.
  • A partir del siglo XX, se empezó a observar difracción para objetos que se consideraban materiales como los electrones. Si te interesa este tema, puedes buscar por ejemplo el experimento de Davisson y Germer o la teoría de De Broglie.
  • Puedes también mirar las otras propuestas de actividades sobre difracción:

Photo by Oriol Delgado from www.minube.com

¿por qué es interesante?

Ahora nos enseñan desde pequeños que la luz es una onda, pero costó bastante a los científicos convencerse de esto. Experimentos de este tipo fueron fundamentales a lo largo de la historia de la ciencia para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz.

Como si esto no fuera suficiente, hay muchos casos en que es importante conocer la difracción. Por ejemplo, puedes evitar (o crear) artefactos fotográficos (mira por ejemplo aquí – en inglés).

Las redes de difracción son un elemento típico de una tecnología importante: los espectrómetros, que permiten estudiar la composición de la luz absorbida o emitida por un material para entender mejor su composición química. Actualmente se utilizan espectrometros para muchísimas aplicaciones diferentes: nos permiten estudiar objetos lejanos e imposible de alcanzar como las estrellas o materiales delicados y fragiles de manera no invasiva, como por ejemplo algunas moleculas importantes para nuestro metabolismo (e.g. hemoglobina) o obras de arte. Los usamos también para asegurar que lo que comemos y bebemos esté seguro y no contenga sustancias nocivas o para controlar la calidad de materiales. ¡Todo esto a partir de una sencilla red de difracción!

 

hagámoslo juntos:

Si tienes dudas sobre las actividades, no dudes en contactarnos para hacernos algunas preguntas.

Si prefieres hacer esto juntos, ICFO organiza regularmente talleres para pequeños grupos de estudiantes para explicar actividades relativas a la difracción.

Comparte la experiencia:

Nos gustaría mucho saber cómo te ha ido. Puedes hacerlo en diferentes maneras:

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