Experimentos demostrativos de difracción de la luz (página 2)
Enviado por Jorge Luis Herrera Fuentes
Desarrollo:
Debe colocarse el láser en un extremo del banco óptico, a entre 5 a 10 cm del mismo se pone en diafragma con el alambre fino, el cual puede construirse con un marco de diapositiva y un pedazo de alambre, o colocar en el mismo marco un juego de ellos que contenga fragmentos de entre 0,1 y 0,5 mm de espesor, lo que puede incluir también un cabello. La pantalla se coloca a 4 m de la fuente para que el patrón sea observable por todo el auditorio e inclinarla unos 30º hacia el mismo.
Si el haz del láser le resulta demasiado angosto, puede interponer entre el mismo y el diafragma con los alambres, una lente de f = – 0, 50 m.
Observaciones.
Es importante cuidar que el haz del láser no sea proyectado en ningún momento hacia el auditorio.
Debe dirigirse la atención sobre la forma de los patrones de difracción obtenidos, para alambres de diferentes espesores y anotar sus semejanzas y diferencias.
De ser posible debe evitarse el empleo de la lente divergente para ensanchar el haz del láser, o de ser imprescindible explicar el objetivo de su uso, para evitarle a los estudiantes que la confundan con la difracción de Fraunhofer, en la que se emplean lentes convergentes.
EJEMPLO 2
Título:
Difracción de Fresnel en orificio circular y pantalla circular opaca
Objetivo: Mostrar el fenómeno de la difracción de la luz, en orificio circular y pantalla circular opaca, así como sus características.
Materiales y equipos: Banco óptico, fuente de luz láser, diafragma con orificios y pantallas circulares, porta diafragma, jinetes para el banco óptico, pantalla de proyección.
Desarrollo:
Monte el láser en un extremo del banco óptico. En esta demostración es necesario ensanchar el haz del láser, por lo que debe colocarse delante del mismo dos lentes divergentes de f = – 0, 50 m, separadas de 10 a 15 cm entre si, hasta que el haz incidente sobre el diafragma con los objetos difractares, tenga un ancho de 0,5 a 1 cm, en dependencia del experimento a realizar.
Para estos experimentos debe disponerse de un diafragma fabricado de un cristal de unos 2 mm de espesor, en el que estén dibujados 3 orificios circulares sobre un fondo negro de 1; 0,5 y 0,25 mm de diámetro respectivamente, así como de tres manchas circulares negras sobre fondo transparente, de iguales diámetros.
Figura 1
La parte A se utiliza para la difracción por pantalla circular opaca y la B para la difracción por orificio circular.
a) Difracción por orificio circular.
Regule la posición de las lentes hasta lograr que el haz que incide sobre el diafragma tenga 0,5 cm. de diámetro.
Mueva el diafragma hasta lograr que haz incida sobre uno de los orificios circulares, primero el de mayor diámetro. La pantalla debe colocarla convenientemente para que sea visible para el auditorio, a unos 5 ó 6 metros del montaje, por lo que debe poner el blanco óptico en el fondo de aula.
Obtenga el patrón de anillos brillantes y oscuros en la pantalla para el primer orificio. Haga notar si el centro del patrón es brillante u oscuro. Coloque alternativamente los otros dos orificio delante del haz, de modo que la mancha central se torne brillante y oscura alternativamente (esto debe ensayarlo previamente colocando el diafragma a la distancia adecuada del láser. Con esto puede explicar la dependencia del número de zonas de Fresnel, efectivas a la pantalla, con el diámetro del orificio.
Colocando uno de los orificios frente al haz, mueva el diafragma a lo largo del banco, de modo que varíen las distancias diafragma-fuente y diafragma-pantalla y haga notar coma la mancha central cambia de brillante a oscuridad y viceversa.
Haga notar también que, a medida que el diámetro del orificio es menor, con más nitidez se ve el patrón de difracción.
Figura 2: Difracción por orificio circular, centro brillante
Figura 3: Difracción por orificio circular, centro oscuro
b) Difracción por diafragma circular opaco.
Repita las operaciones antes descritas, utilizando ahora las manchitas circulares, opacas. La principal diferencia es que en este patrón, el centro resulta siempre una mancha brillante.
Figura 4: Difracción por diafragma circular opaco
Observaciones.
Este experimento muestra con gran visualidad el fenómeno de la difracción de la luz. . Los patrones de difracción se pueden obtener de gran tamaño (hasta 50 cm de diámetro) y tiene gran nitidez, para lo cual el aula debe estar bien oscurecida.
Debe hacer hincapié en las variaciones que sufre el patrón de difracción, al variar las del experimento y analizar los efectos que producen las variaciones de los distintos parámetros de los que depende el fenómeno (excepto la longitud de onda, lógicamente).
Debe tomar precauciones para que el haz del láser no vaya a dañar los ojos de los estudiantes.
EJEMPLO 3
Título:
Difracción por el borde rectilíneo de un semiplano
Objetivo: Demostrar el fenómeno de la difracción de la luz por el borde rectilíneo de un semiplano, así como sus características.
Materiales y equipos: Banco óptico graduado, fuente de luz láser, pinzas de sujeción, 2 lentes f = -0,50 m, cuchillas de afeitar, pantalla de proyección, porta lentes, jinetes.
Desarrollo.
Coloque las fuentes láser en un extremo del banco óptico a continuación coloque una lente de f = – 0,50 m. y a unos 10 cm de ésta, coloque la otra, de manera que el haz del láser se ensanche convenientemente hasta tener uno o dos centímetros de diámetro.
A unos 4 ó 5 cm de la segunda lente, coloque la cuchilla sujeta a una pinza, de modo que el haz luminoso incida perpendicularmente al plano de esta por uno de sus bordes.
La pantalla debe esta colocada a 5 metros o más del dispositivo. En ella podrá ver la figura de difracción de franjas alternas claras y oscuras correspondientes.
Figura 4: Difracción por un borde rectilíneo
Observaciones.
De acuerdo con la idea de la propagación rectilínea de la luz, en la pantalla obtendríamos una sombra nítida del borde de la cuchilla, pero en realidad obtenemos una figura de difracción compleja que demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz.
Debe analizar la forma de este patrón y compararlo con las anteriores, que eran de forma circular.
EJEMPLO 4
Titulo:
Difracción de Fraunhofer por una rendija
Objetivo: Mostrar el fenómeno de la difracción de rayos paralelos por una abertura única, así como sus características.
Materiales y Equipos: Banco óptico graduado, lámpara de mercurio y su fuente de alimentación, diafragma de rendijas de ancho variable, lente f = +0,10 m, porta lente, jinetes, pantalla de proyección, diapositiva con abertura en forma de rendija, porta diafragma de 5×5 cm.
Desarrollo.
Coloque la lámpara en un extremo del banco óptico, a 5 cm de la misma ponga la abertura de ancho variable con la ranura en forma vertical, a 10 cm de ésta ubique la lente de f =+0,10 m y a 20 ó 25 cm de la lente ponga la abertura única, por último coloque la pantalla de 2 a 4 m de la abertura y recoja en ella el patrón de difracción.
Antes de colocar la abertura única, ajuste la posición de la lente hasta obtener en la pantalla una imagen nítida de la abertura de colimador de ancho variable.
La posición de la lente puede variar en dependencia de la posición de la pantalla.
Observaciones.
La nitidez de este patrón no permite su observación desde lejos, por lo que será conveniente acercar a los estudiantes a la pantalla.
Si dispone de un láser, basta con colocar la abertura única delante del haz, para que se vea el patrón de difracción en la pantalla, pero a nuestro juicio es más recomendable explicar la difracción de Fraunhofer con una fuente de luz corriente.
EJEMPLO 5
Titulo:
Difracción de Fraunhofer por una red
Objetivo: Demostrar el fenómeno de la difracción de Fraunhofer en una red, así sus características.
Materiales y equipos: Los mismos que en la demostración No. 4, pero en lugar de la abertura única, redes de difracción de 20, 40, 80 y 100 rayas por centímetros y de 600 rayas por milímetros, filtros de colores.
Desarrollo:
El montaje es igual a la demostración No 4, pero en lugar de la abertura única, ubicará las redes de difracción. Primero debe mostrar los patrones que se obtienen con luz blanca con las distintas redes, explicando cómo varían las características de patrón a media que decrece el periodo de la red empleada.
Cuando coloque la red a 600 rayas/mm debe acercar la pantalla, pues el patrón se espacia tanto, que puede salir de los marcos de la misma. Aquí puede ver la dependencia de la dispersión angular con el periodo de la red, así como el aumento del poder separador.
Colocada la red de 100 rayas/cm, puede colocar filtros (verde, amarillo y rojo) y comprobar con varía la separación entre las franjas de patrón, con la longitud de onda.
Al colocar los filtros, disminuye la intensidad de la luz y se pierde nitidez en los patrones, por lo que debe dirigir bien la observación de los estudiantes.
Observaciones.
Debe hacer notar cómo están modulados los patrones, por la difracción en cada abertura de red, es decir, decrece la intensidad de los máximos, desde el máximo central, hacia los extremos. Los patrones con luz blanca se ven coloreados, en ellos puede hacer notar, como aumenta el poder separador con el aumento del orden del espectro.
Para esto lo más recomendable es la red de 100 rayas/cm.
Conclusiones
Si cada demostración se prepara con antelación y se ensaya convenientemente, el tiempo para su ejecución en el aula debe ser mínimo, oscilando desde dos hasta seis minutos las más extensas. El factor tiempo no debe constituir un impedimento para no realizarla, porque en la Física lo más importante es lo fenomenológico del contenido. Las ecuaciones, fórmulas, descripciones y definiciones aparecen en los textos, pero la evidencia viva del fenómeno, no.
Una mayor efectividad se logra con un local que permita su oscurecimiento temporal, pero esto se puede lograr con economía de recursos.
Especial cuidado debe poner el docente con las medidas de protección al trabajar con fuentes de radiación ionizantes.
Todas las demostraciones han sido ensayadas y llevadas a la práctica durante varios cursos y si se ejecutan siguiendo las indicaciones que se exponen, deben dar los resultados esperados.
Bibliografía
Daish, C.B y Fender, D.H (1964) Física Experimental para estudios elementales y superiores. Editorial UTEHA. México.
Herrera, J. (2009) Demostraciones Experimentales de Óptica. Colección Monográficos InterTech No.1. Comunica S,L. Valencia. ISBN-13: 978-84-692-5532-2. Pág. 23 – 29
Westphal, N. F. (1965) Experimentos de Física. Editorial Labor. Madrid.
Autor:
Jorge Luis Herrera Fuentes
Departamento de Física. Universidad de Pinar del Río. Cuba.
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