MATERIALES:

Banco óptico

Fuente de Luz

Placa de difracción

Regla de difracción

Disco graduador y base

Rendija

2 polarizadores

Lente cilindrica

Rejilla

3 soportes

Soporte para el disco graduador

Objeto

Figura 2: (a) Diagrama esquemático del experimento de Young de la doble rendija. Las rejillas angostas actúan como fuentes de onda. Las ranuras S1   y S2 se comportan como fuentes coherentes, las cuales producen un patrón de interferencia en la pantalla. (b) Configuración del patrón de franjas formado en la pantalla. (Tomado de: SERWAY, Raymond A. JEWTT, John W. Physics for scientists and engineers. Sexta edición. Capítulo 37. 2004)

Difracción de la luz

La luz se puede desviar de su trayectoria rectilínea normal, tanto por reflexión como por refracción. A toda desviación de la luz por otro mecanismo que no sea reflexión o refracción se le llama difracción. Cuando la luz pasa por una abertura grande en comparación con la longitud de onda de la luz, forma una sombra casi nítida. Pero si se hace pasar luz a través de una rendija delgada, se ve que la luz se difracta. Desaparece entonces la frontera nítida entre las áreas iluminadas y la sombra, y la luz se propaga como en abanico, produciendo un área iluminada que se debilita hasta llegar a la oscuridad, sin bordes bien definidos, como en la figura 3.

En la figura 4(a) se muestra una gráfica de la distribución de la intensidad de la luz difractada por una sola rendija delgada. Debido a la difracción, hay un aumento gradual de la intensidad luminosa, en vez de un cambio abrupto de sombra a luz. Una fotocelda que recorriera la pantalla sentiría un cambio gradual desde falta de luz hasta luz máxima, figura 4(b). Hay unas franjas débiles de intensidad a ambos lados de la franja principal, prueba de que la interferencia es más pronunciada con doble rendija o con varias rendijas.

Figura 3: Patrón de difracción que aparece sobre una pantalla cuando la luz pasa a través de una pequeña rendija vertical. El patrón consiste de una línea brillante central y líneas menos intensas a cada lado. Las bandas de difracción se ven en las sombras producidas con luz monocromática

Figura 4: (a) Patrón de difracción de una sola rendija: consta de una región central brillante flaqueada por muchos máximos secundarios. (b) Fotografía de un patrón de difracción de una rendija. (Tomado de: SERWAY, Raymond A. JEWTT, John W. Physics for scientists and engineers. Sexta edición. Capítulo 38. 2004)

Polarización de la luz

 La polarización de la luz evidencia la naturaleza transversal de las ondas electromagnéticas. Según la teoría ondulatoria, cada fuente produce una onda electromagnética con un campo eléctrico orientado en una dirección específica, que corresponde a la dirección de la oscilación de la fuente. Entonces la dirección de polarización de una onda electromagnética corresponde a la dirección de oscilación del campo eléctrico de la onda. En la luz no polarizada, figura 5(a), como todas las direcciones de oscilación son posibles; la onda electromagnética resultante es una superposición de las ondas producidas por las fuentes individualmente. Una onda electromagnética está linealmente polarizada si el campo eléctrico oscila en la misma dirección para todo tiempo en un punto específico, figura 5(b).

El campo eléctrico de una haz de luz que viaja en la dirección zˆ tiene componentes xˆ y yˆ . Entonces el haz de luz está linealmente polarizado si una de las componentes es cero o si el ángulo formado por la proyección del campo eléctrico en el eje x, θ , es cero. Si las componentes x y y del campo eléctrico son iguales pero con una diferencia de fase de 90°, entonces la onda está circularmente polarizada. Por último, si las componentes xˆ y yˆ son diferentes y además tienen una diferencia de fase de 90°, la onda está elípticamente polarizada. Si las componentes no son iguales  en magnitud y θ varía aleatoriamente el haz de luz no está polarizado.

Figura 5: (a) Campo eléctrico de un haz de luz no polarizado visto a lo largo de la dirección de propagación (perpendicular al plano de la hoja). El campo eléctrico puede oscilar en cualquier dirección con la misma probabilidad. (b) Campo eléctrico, de un haz de luz linealmente polarizado, oscilando en dirección vertical.

(Tomado de: SERWAY, Raymond A. JEWTT, John W. Physics for scientists and engineers. Sexta edición. Capítulo 38. 2004)

PROCEDIMIENTO:  

Interferencia por doble rendija

 • Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.1. La rendija debe estar centrada en el soporte.

A medida que observa a través de la rendija, ajuste la posición de la regla de difracción de tal manera que pueda ver el filamento de la fuente de luz a través de su ranura.

• Una la placa de difracción al soporte y centre el patrón D en la rendija. Mire a través de ella de modo que pueda ver a través de la rendija y la ventana de la placa de difracción, simultáneamente.

De esta forma podrá observar claramente el patrón de interferencia y la escala de la regla de difracción iluminada. Describa y explique sus observaciones.

En este experimento se observa la fuente de luz a través de la rendija y el patrón de difracción se forma directamente en la retina del ojo. Se ve entonces el patrón de difracción superpuesto con la escala de difracción iluminada. Así la geometría es levemente diferente a la utilizada en la formación de patrones proyectados en una pantalla.

La geometría del experimento se muestra en la figura 5.2. En el cero máximo los rayos de luz procedentes de las rendijas A y B han viajado la misma distancia desde las rendijas hasta el ojo, de modo que están en fase y se produce interferencia constructiva en la retina. En el primer orden máximo (a la izquierda del observador) la luz de la rendija B ha viajado una longitud de onda más que la luz que viene de la rendija A, de modo que los rayos están en contra fase y en esta posición también ocurre interferencia constructiva. En el máximo orden n-ésimo orden (nth en la figura) la luz proveniente de la rendija B ha viajado n longitudes de onda más que la luz proveniente de la rendija A, de modo que ocurre interferencia constructiva. En el diagrama la línea AC se construye perpendicular a la línea PB. De modo que las rendijas están muy próximas entre ellas (en el experimento no en el diagrama) y las líneas AP y BP son casi paralelas. Por lo tanto, una aproximación muy buena es AP =CP . Esto significa que para que ocurra interferencia constructiva en P, BC = nλ.

De el triángulo recto ACB, se puede ver que BC = ABsinθ, donde AB es la distancia entre las dos rendijas de la placa de difracción. Por lo tanto ABsinθ = nλ. (El espaciamiento entre las rendijas, AB, es de 0.125mm.) Por lo tanto, sólo es necesario medir el valor de θ para un valor particular de n, con el fin de determinar la longitud de onda de la luz.

Para medir θ: note que la línea punteada, en la figura 5.2, muestra una proyección del patrón de interferencia sobre la regla de difracción (como se ve a través de las rendijas). θ = tan⁻¹ (X/ L). Por lo tanto nλ = ABsin[tan⁻¹ (X/ L)].

• Alternativamente ubicar los filtros de color rojo, verde y azul sobre la apertura de la fuente de luz para hacer las medidas de los diferentes colores de luz. Mirando el filamento de la fuente de luz a través del par de rendijas (patrón D) hacer mediciones y completar la tabla 5.1. Si se tiene tiempo, realizar medidas con los otros dos patrones E (0.250mm) y F (0.250mm) sobre la placa de difracción). Ejecute los cálculos para determinar la longitud de onda de las frecuencias observadas.

Polarización

• Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.3. Encender la fuente de luz y observar el objeto sin los dos polarizadores. Ubicar el polarizador A en el soporte. Rotar el polarizador a medida que se va observado el objeto. ¿Qué tan brillante se ve el objeto cuando se observa a través del polarizador en comparación a cuando se observa directamente? Explique sus observaciones. ¿La luz que proviene de la fuente es luz linealmente polarizada? Explique.

• Alinear el polarizador A de modo que transmita solamente la luz polarizada verticalmente. Ubicar el polarizador B en el soporte. Observar a través de los dos polarizadores, rotando el polarizador B. ¿Para qué ángulos del polarizador B es máxima la luz transmitida? ¿Para qué ángulos del polarizador B es mínima la luz transmitida?

• Configurar el equipo como se muestra en la figura 5.4. Ajustar los componentes de modo que un solo rayo de luz pase a través del centro del disco graduador. El rayo incidente es reflejado y refractado en la superficie plana de la lente cilíndrica.

• Rotar el disco graduador hasta que el ángulo entre el rayo reflejado y el rayo refractado sea de 90°. Ubicar en el soporte del soporte del disco graduador un polarizador, de modo que quede en frente del rayo reflejado. Observar a través del polarizador el filamento de la fuente de luz (reflejado en la lente cilíndrica). Rotar el polarizador lentamente barriendo todos los ángulos. ¿La luz reflejada es linealmente polarizada? Si es así ¿a qué ángulos la luz reflejada es linealmente polarizada?

• Observe la imagen reflejada para otros ángulos de reflexión. ¿La luz es linealmente polarizada cuando el ángulo entre el rayo reflejado y el rayo refractado no es 90°? Explique.

Figura 5.1: Conjunto empleado para analizar el fenómeno de interferencia por doble rendija. (Fuente: Introductory optics system. Instruction manual and guide for the PASCO scientific model OS-8500 )

Figura 5.3: Conjunto empleado para analizar la polarización de la luz. (Fuente: Introductory optics system. Instruction manual and guide for the PASCO scientific model OS-8500 )

Figura 5.4: Conjunto empleado para analizar la polarización de la luz por ángulo de Brewster. (Fuente: Introductory optics system. Instruction manual and guide for the PASCO scientific model OS-8500 )