Sobre ondas electromagnéticas, interferencia y difracción.

Empleando a la luz Pero…¿qué es la luz? La tecnología óptica se remonta a la antigüedad (hay espejos del año 1900 a.C., confeccionados en metal). Pitágoras, Demócrito, Empédocles, Platón, Aristóteles plantearon varias teorías sobre la naturaleza de la luz. Euclides (300 a.C.) enuncia la ley de la reflexión, Hero de Alejandría plantea que la luz viaja “por el camino más corto”. Aristófanes (424a.C.) alude a lentes positivas. Tolomeo, Cleomedes y Séneca describen y emplean la refracción (65 d.C.). En el mundo árabe, Alhazen (1000 d.C.) estudió espejos esféricos y parabólicos y describió al ojo humano, y 250 años después sus trabajos llegaron a Roger Bacon, quien trabajó con lentes para corregir la visión y postuló al telescopio. Leonardo da Vinci (1452-1519) describió su “cámara oscura” y Della Porta (en 1589) combinó espejos, lentes positivas y negativas. Posteriores avances fueron hechos por Lippershey, Galilieo, Janssen, Kepler, Snell, Descartes y Fermat. Pero…¿qué es la luz?

¿Qué es la luz? Los fenómenos de interferencia y difracción observados por Grimaldi, Hooke no se podían describir con la teoría corpuscular desarrollada por Newton y se planteó por primera vez la idea de que la luz era “vibración”, y Christian Huygens (1629-1695) difundió la teoría ondulatoria y logró descubrir y explicar el fenómeno de polarización de la luz. En 1801 Thomas Young añadió el principio de interferencia y pudo explicar la formación de colores en capas delgadas. Paralelamente Jean Fresnel sintetizó la teoría de Huygens con el principio de interferencia y se alió con Young, y suponían que las ondas luminosas eran longitudinales. Ante experiencias de Malus en 1808, Arago, Fresnel y Young postularon que la vibración luminosa era transversal. Basándose en el desarrollo del electromagnetismo y en la experimentación de Faraday, James Maxwell demostró en forma teórica que la luz era una perturbación electromagnética en forma de ondas que se propagaba a través del éter luminífero.

¿Qué es la luz? Con los experimentos de Michelson y Morley, y los trabajos de Henri Poincaré y Albert Einstein, se rechazó la hipótesis del éter. Las ondas electromagnéticas podían propagarse a través del espacio libre. Pero…..en 1900 Max Planck presentó a la mecánica cuántica , una revolucionaria teoría que llevó a Einstein a formular una nueva teoría corpuscular para la luz, afirmando que consistía en partículas de energía radiante (fotones). Finalmente, los trabajos de Bohr, Born, Heisemberg, Schrödinger, De Broglie, Pauli, Dirac y Fermi, entre otros sentaron que a nivel submicroscópico, los fotones, protones, electrones y demás partículas tienen manifestaciones tanto como onda y como corpúsculos. “Cada físico cree saber lo que es un fotón, me he pasado la vida intentándolo y aún no lo sé” Albert Einstein

Recordando el modelo electromagnético de la luz, veamos las siguientes formas de representarlo: Los campos eléctrico y magnético vibran en fase. Son perpendiculares entre sí y con la dirección de propagación.

Por ser las direcciones de las perturbaciones eléctrica y magnética perpendiculares a la dirección de propagación, la radiación electromagnética es una onda transversal.

Y ahora en movimiento….. Si se fija la atención en el punto amarillo dibujado en la trayectoria de la radiación, se puede apreciar que las perturbaciones eléctrica y magnética “vibran” de una manera armónica simple.

¿Cómo producir radiación electromagnética? Las cargas aceleradas como las de un dipolo eléctrico oscilante generan radiación electromagnética

Otras formas de representar la radiación de un dipolo. (Mirando desde “arriba” al esquema de la izquierda)

Espectro de radiación electromagnética

Retomemos el principio de superposición….

Interferencia positiva Ambas crestas sumadas Una olita Otra olita

La animación representa una fuente puntual de ondas transversales, vista desde arriba. Las franjas claras y oscuras muestran los “frentes de onda” de la perturbación que se propaga.

Una representación de la experiencia de Young puede hacerse con una cuba de ondas con 2 fuentes coherentes de ondas transversales

Los círculos que se ven en el agua son crestas y valles de las olitas que surgen en fase de los “manantiales”, y son la envolvente de los sitios en donde la perturbación tiene la misma fase. Dichas envolventes son los llamados “frentes de onda”, que se representan en el dibujo de la derecha

Dependiendo de la relación de fase que guarden entre sí las radiaciones de ambos manantiales al alcanzar un punto de la pantalla, la interferencia podrá ser constructiva, destructiva o intermedia.

r2 δ = N . l δ = (2 N +1 ) l/2 Interferencia constructiva δ d r2 δ δ = N . l Interferencia constructiva δ = (2 N +1 ) l/2 Interferencia destructiva Patrón de interferencia de una doble rendija iluminada con luz coherente

La interferencia es también la responsable de la formación de franjas y colores en las “películas delgadas”

Cuando las ondas se reflejan o bien pasan de un medio a otro …

Interferencia en capas o películas delgadas

Filtros interferenciales Si un espacio delgado y transparente es encerrado entre 2 capas semirreflectivas, tienen lugar múltiples reflexiones y la interferencia que se produce puede ser usada para seleccionar una longitud de onda. Si el espacio es de ½  de la  deseada, las otras longitudes serán atenuadas por interferencia. Si la capa de atrás es totalmente reflectiva, el dispositivo se conoce como espejo dicroico, que refleja solamente la  seleccionada.

Difracción ... Patrón de iluminación de una simple rendija ! Bordes nítidos ??? Sombras definidas ??? Patrón de iluminación de una abertura circular

Difracción en cuba de ondas y en una bahía Difracción en cuba de ondas y en una bahía. Notar la relación entre la longitud de onda y el ancho de la abertura.

Difracción de Fraunhofer por una rendija (dentro de la cual se postulan infinitas rendijas) Y si aumentamos el número real de rendijas ...

Una RED de difracción ... La posición de las máximos y mínimos en la pantalla es función, entre otras cosas, de la longitud de onda con que se ilumine.

La posición de las máximos y mínimos en la pantalla es función, entre otras cosas, de la longitud de onda con que se ilumine. Poder resolutorio R =  /  = N Nº Siendo N º= número de rendijas por centímetro

Red tallada con Láser

Los tracks de un disco compacto actúan como una red de difracción, produciendo una separación de los colores de la luz. La separación entre tracks es de 1,6 micrones, que equivale a 625 “rendijas” o espejitos/mm, que provocan el fenómeno de difracción.

Un sinnúmero de instrumentos ópticos emplean aberturas circulares Criterio de Lord Raleigh

¿Qué patrón de orificios producirá este patrón de difracción? Simple rendija Orificio circular Doble rendija ¿Qué patrón de orificios producirá este patrón de difracción? Una red “cuadrada” Entonces....conociendo el patrón de difracción se podría inferir el tipo de “red” que lo generó.

De eso se ocupa el análisis estructural por difracción de rayos X

BRAGG

“Formuleo” r2 y d δ La posición de un máximo de orden N será Condición de máximo Condición de mínimo donde Si θ es pequeño Entonces reemplazando para la condición de máximo La posición de un máximo de orden N será

Difracción en una rendija Intensidad en un punto de la pantalla Condición de mínimo donde N = 1, 2, 3, ... Posición de los mínimos

Red de difracción Condición de máximo donde N = 0, 1, 2, 3, ... d = 1/Nºde rendijas (número máximo posible de ordenes) como entonces Poder resolutorio de una red donde Nº = número de rendijas iluminadas

Ejercitación 1) Un haz láser de 632,8 nm de longitud de onda incide sobre dos rendijas separadas 0,2 mm entre sí .¿Qué distancia aproximada separa a las líneas de interferencia constructiva que se forman en una pantalla alejada 5 metros de las dos rendijas? Rta: 15,82 mm 2) En un día en que la velocidad del sonido es 354 m/s, una onda sonora de 1000 Hz incide sobre dos rendijas separadas 60cm entre si. a) ¿A qué ángulo se localizan los primeros máximos respecto del máximo central? b) Si la onda sonora se reemplaza por microondas de λ = 2 cm, ¿qué separación de rendijas producirá el mismo ángulo que en el caso (a)? Rta: a) 36,157º b) 3,3898 cm 3) Un material que tiene un índice de refracción de 1,3 se emplea para recubrir una lente de índice de refracción 1,5. ¿Cuál es el espesor mínimo de esta película para minimizar la reflexión de luz de 500 nm? Rta: 83,333 nm 4)El ancho completo de una rejilla de difracción de 3 cm de ancho contiene 38700 líneas y es iluminada por una lámpara de sodio. Calcule la separación angular en el espectro de primer orden entre las dos longitudes onda de la “línea D” del sodio (λ=589,0 y λ=586,6 nm) . Rta: 0,0684º 5) Un haz de rayos X incide sobre la superficie de un cristal de NaCl que tiene una distancia entre sus átomos de 0,281 nm. El máximo de segundo orden del haz reflejado se encuentra cuando el ángulo entre el haz incidente y la superficie del rayo es 20,5º. ¿Cuál es la longitud de onda de los rayos X? Rta: 0,0984 nm

¿Se comportará la luz de manera “granular” como los electrones?

¿harán los electrones interferencia y difracción como las ondas?

Bibliografía Física, Segunda Edición. Jerry D. Wilson Óptica, tercera edición. Eugene Hecht Física, Tomo II cuarta edición. Raymond Serway