Doble raja de Young
Newton era un tipo bastante inteligente. La gente tendía a confiar en él. Pero no tenía razón en todo, y una cosa que se equivocó fue la naturaleza de la luz. Ciertamente, no pensó que la luz fuera una onda o que pudiera comportarse de alguna manera como una onda. Y cuando personas como Christian Huygens lo propusieron, muchas personas las rechazaron y prefirieron estar de acuerdo con el súper inteligente Newton. Pero luego vino el experimento de doble rendija de Young. En 1801, Young hizo brillar la luz a través de dos rendijas y descubrió que la luz que entraba por cada rendija interfería entre sí, produciendo un patrón de interferencia en una pantalla distante. Este patrón mostró que la luz podría verse como una onda, porque para que ocurra la interferencia, se necesitan picos y valles. Cuando dos valles o dos picos se encuentran en una pantalla, se obtiene un área brillante, que se llama interferencia constructiva . Cuando un pico de una rendija y un valle de la otra se encuentran en la pantalla, se cancelan para producir un área oscura, lo que se llama interferencia destructiva . Pero, ¿por qué tardó tanto en darse cuenta de esto? ¿Fue Young realmente la primera persona en hacer brillar la luz a través de las rendijas? Bueno, no, no lo estaba. Pero fue el primero en hacerlo de una manera particular que hizo que el patrón fuera fácil de ver. Por un lado, primero puso la luz a través de una única rendija, para que fuera coherente. Luz coherentees luz donde todos los picos están alineados y todos los canales están alineados. La mayor parte de la luz, como la luz directamente del sol, es una mezcla de ondas en todo tipo de orientaciones y fases, solo un desorden. Entonces esto era necesario para que apareciera el patrón de difracción. Otra cosa que hizo fue usar rendijas que estaban muy juntas. Para que se produzca el patrón de difracción de doble rendija, la distancia entre las rendijas debe ser similar a la longitud de onda de la luz, que es muy pequeña. Hay otra cosa que Young habría hecho si pudiera: habría utilizado una sola longitud de onda (o color) de luz. Desafortunadamente, Young tuvo que usar la luz solar, que es una mezcla de longitudes de onda y hace que el patrón sea más difícil de ver. Pero en este video todo lo que veas se hará con luz monocromática., o luz de un solo color (o longitud de onda). Esto hace que el resultado sea mucho más claro.
Patrón de difracción de doble rendija
Antes de mirar el patrón de difracción de doble rendija, debemos responder la pregunta más importante: ¿qué es la difracción? La difracción es cuando ondas como la luz o el sonido se esparcen a medida que se mueven alrededor de un objeto o por una rendija. Cuando la luz pase a través de cada una de las rendijas, se extenderá y se superpondrá con la luz de la otra rendija. Es a través de esta superposición que se crea el patrón de difracción de las áreas oscuras y brillantes. Piénselo de esta manera: la distancia desde una rendija hasta un punto en particular en la pantalla casi nunca será la misma que la distancia desde la otra rendija hasta el mismo punto en la pantalla. Debido a esto, cuando las dos ondas se encuentran en la pantalla, puede obtener cualquier combinación de picos o valles de cada una de ellas. Tal vez obtenga una depresión de la ranura de la derecha y un pico de la izquierda. Es a través de estas combinaciones que obtenemos la interferencia constructiva y destructiva de la que ya hemos hablado, y eso es lo que crea el patrón. El patrón de difracción de doble rendija se parece a esto:
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Si ya ha visto la lección sobre difracción de una sola rendija, es posible que observe que es similar, pero decididamente más a rayas. Todavía tiene un máximo grande en el medio y otros más pequeños a cada lado, pero cada uno de esos máximos también se divide en bandas brillantes y oscuras.
Ecuación
Al igual que con las rendijas simples, necesitamos una ecuación para describir las posiciones de cada mínimo y máximo. Para las rendijas dobles, tenemos una ecuación para los mínimos y una ecuación para los máximos. Para averiguar si ocurren mínimos o máximos, tenemos que mirar la longitud de la trayectoria : qué tan lejos tiene que viajar la onda desde cada rendija. Si la diferencia en la longitud de las rutas es igual a un número entero de longitudes de onda, entonces dos picos o dos valles llegarán juntos a la pantalla, formando un parche brillante. Pero si la diferencia en la longitud de las trayectorias es igual a la mitad del número de longitudes de onda, entonces un pico y un valle llegarán juntos, formando una mancha oscura. Cuando haces un poco de geometría simple, obtienes estas dos ecuaciones:
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Uno te ayuda a determinar las posiciones de los mínimos y el otro, las posiciones de los máximos. En estas ecuaciones, d es la distancia entre las rendijas medida en metros, lambda es la longitud de onda de la luz que atraviesa las rendijas (también medida en metros) ym es el llamado ‘orden’ de los mínimos o máximos. O, en otras palabras, ya sea el primer mínimo, el segundo mínimo o el tercer mínimo, pero empiezas a contar desde cero. Entonces, para el primer máximo, ingresa m = 0, y para el segundo, ingresa m= 1, y continúas así. Por último, el ángulo theta es la posición de los mínimos o máximos en la pantalla medida desde la línea central. Directo es cero grados, por lo que si theta para el primer máximo es 32 grados, eso significa que el primer máximo aparece a 32 grados por encima del centro de las dos ranuras. Luego puede usar esta información para averiguar dónde aparecerá en la pantalla.
Ejemplo de cálculo
Quizás esto sea más fácil si analizamos un problema de ejemplo. Digamos que está iluminando una luz con una longitud de onda de 7.1 * 10 ^ -7 metros a través de rendijas que están separadas por 5 * 10 ^ -6 metros, y se le pide que calcule el ángulo del tercer máximo. En primer lugar, escriba lo que sabe. Nos dijeron que lambda es igual a 7,1 * 10 ^ -7 metros, d es igual a 5 * 10 ^ -6 metros, y como se nos pide el tercer máximo, m es igual a 2 porque empiezas a contar desde cero . Haz un reordenamiento algebraico y encontrarás que el seno del ángulo theta es igual a 2 (7.1 * 10 ^ -7) / (5 * 10 ^ -6). Pero no queremos seno theta, queremos el ángulo en sí. Para deshacerse de la parte del seno, toma el seno inverso de ambos lados de la ecuación. Luego, podemos escribir todo eso en una calculadora científica y sale como 16,5 grados. Y eso es; esa es tu respuesta.
Resumen de la lección
La difracción es cuando ondas como la luz o el sonido se esparcen a medida que se mueven alrededor de un objeto o por una rendija. Cuando Young hizo brillar la luz a través de dos rendijas, descubrió que la luz que entraba por esas rendijas interfería entre sí, produciendo un patrón de áreas oscuras y brillantes en una pantalla distante. Esto mostró que la luz actúa como una onda, porque solo se puede explicar con picos y valles. Cuando dos valles o dos picos se encuentran en la pantalla, se obtiene un área brillante, que se denomina interferencia constructiva . Cuando un pico de una rendija y un valle de la otra se encuentran en la pantalla, se cancelan para producir un área oscura, que se llama interferencia destructiva.. El experimento de Young fue especial porque primero puso la luz a través de una sola rendija para que fuera coherente y usó rendijas que estaban muy juntas. El patrón de difracción de doble rendija se ve así:
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Es similar al patrón de difracción de una sola rendija, pero con bandas más oscuras y brillantes. Para averiguar si se producen mínimos y máximos, debemos observar la diferencia de trayectoria entre los rayos de cada rendija. Hacer esto conduce a una ecuación para la posición de mínimos y otra para la posición de máximos. En estas ecuaciones, d es la distancia entre las rendijas medida en metros, lambda es la longitud de onda de la luz que atraviesa las rendijas (también medida en metros) ym es el llamado ‘orden’ de los mínimos o máximos. O, en otras palabras, ya sea el primer mínimo, el segundo mínimo o el tercer mínimo, pero empiezas a contar desde cero. Entonces, el primer máximo, ingresa m = 0, y para el segundo, ingresa m = 1, y continúa así. Por último, el ángulo theta es la posición de los mínimos o máximos en la pantalla desde la línea central. El experimento de la doble rendija de Young es un experimento clásico y extremadamente importante en física, porque finalmente demostró que la luz actúa como una onda. Más tarde descubriríamos que también actúa como partícula, lo que lleva a un concepto conocido como dualidad onda-partícula. Pero Young nos ayudó en este primer paso de vital importancia.
Los resultados del aprendizaje
Después de esta lección, debería poder:
- Definir difracción
- Explica cómo el experimento de Young demostró que la luz actúa como una onda.
- Diferenciar entre interferencia constructiva y destructiva
- Identificar cómo se ve un patrón de difracción de doble rendija y las ecuaciones para determinar las posiciones de los mínimos y máximos.
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