Interferencia, difracción y polarización
Introducción
¡Hola admirable estudiante!
Me da mucho gusto saludarte en esta ocasión, que sin demeritar las anteriores, ya has avanzado mucho en este proceso formativo y eso es razón suficiente para pedirte que continúes con ese mismo ímpetu por aprender más. Te reitero mis felicitaciones y te doy la bienvenida a la penúltima clase digital de esta UDA.
En esta sesión estudiaremos los fenómenos de interferencia, difracción y polarización de la luz. Encontraremos que la interferencia de las ondas electromagnéticas que constituyen la luz puede ser interferencia constructiva o destructiva. Veremos la utilización de los resultados del Experimentos de Young para predecir la localización de franjas claras y oscuras.
Estudiaremos las fórmulas que relacionan los parámetros del experimento de Young y se aplicará este conocimiento en la solución de algunos problemas.
¿Interesante no crees? ¡Pues comencemos!
Desarrollo del tema
Difracción
El fenómeno de la difracción se observa cuando las ondas luminosas que pasan a través de una abertura o por el borde de un obstáculo, se flexionan hacia la región que no está expuesta directamente a la fuente de luz. La difracción se define entonces:
“Difracción es la capacidad de las ondas para deflectarse alrededor de los obstáculos que encuentran en su trayectoria”.
Tippens, 2011, p. 715.
La siguiente figura ilustra muestra la flexión de la luz en una abertura pequeña.
El video a continuación explica la difracción de las ondas luminosas con más detalle.
1. Difracción de la luz (7:43):
Es importante subrayar que para poder observar la difracción de la luz, la rendija que actúa como obstáculo tiene que ser muy estrecha; de hecho, el fenómeno ocurre sólo cuando el tamaño de la rendija es comparable a la dimensión de la longitud de onda de las ondas incidentes. Este hecho hace evidente el porqué puede observarse en la naturaleza la difracción de las ondas en el agua o de las ondas sonoras, pero no así la difracción de la luz.
Interferencia de la luz: Experimento de Young
El experimento de Young en 1801 (ver figura 17.2) representó una prueba definitiva de la difracción de la luz.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 715)
En éste, la luz que proviene de una fuente monocromática se difracta en A, luego se difracta al pasar por las rendijas S1 y S2 y finalmente se proyecta sobre una pantalla. La proyección esperada en la pantalla serían dos franjas de luz sin interferencia, sin embargo, se obtiene una imagen como se muestra en la figura 17.3. El punto B, justo detrás de la barrera a la luz que proviene de A, aparece iluminado; los resultados del experimento solamente podían explicarse con la teoría ondulatoria de la luz.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 716)
La interferencia de las ondas, como resultado del principio de superposición, puede ayudarnos a explicar la iluminación de la pantalla en líneas claras y obscuras, , como sigue:
Cuando dos o más ondas existen simultáneamente en un mismo medio, la amplitud resultante en cualquier punto es la suma de las amplitudes de las ondas compuestas en dicho punto. (Tippens, 2011, p. 716)
Como ya se estudió anteriormente en el tema de las ondas, la interferencia puede ser constructiva o destructiva, dependiendo de si las amplitudes de onda se suman o se restan, respectivamente. La figura 17.4 explica el origen de las bandas claras como resultado de una interferencia constructiva, u oscuras, cuando la interferencia es destructiva.
a) Franja clara en B, b) Franja oscura en C, c) Franja clara en D. (Fuente)
Mediante el experimento de Young se puede determinar la longitud de onda de la luz en particular, según la figura 17.5. Las ecuaciones son las siguientes:
x = distancia de la pantalla a las rendijas.
y = distancia del eje central AB a la franja.
d = separación entre las rendijas S1 y S2.
θ= ángulo que forma la franja con el eje AB.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 717)
Los siguientes videos te resultarán útiles como apoyo para comprender las ecuaciones anteriores e interpretar gráficamente el concepto de interferencia.
2. Interferencia de la luz (3:58):
3. Interferencias (5:55):
Conocidos los valores de x y d de un experimento, se puede medir la distancia ‘y’ desde el eje AB para una franja específica con el objetivo de determinar la longitud de onda. Estudia el ejemplo del video a continuación.
4. VIDEO Problema de Interferencia (5:02):
Polarización
Los fenómenos de la luz que hemos estudiado hasta ahora en este curso pueden ser interpretados en función de ondas transversales o longitudinales. Por tanto, se requieren más pruebas para determinar si las ondas de la luz son longitudinales o transversales. La polarización es una propiedad de las ondas luminosas que únicamente puede interpretarse en función de las ondas transversales.
La polarización es el proceso por el cual las oscilaciones transversales de un movimiento ondulatorio están confinadas a un patrón definido.
La figura 17.6 a) muestra la polarización de las ondas transversales en una cuerda. Las ondas no polarizadas pasan a través de una rejilla vertical en A, llamada polarizador, y emergen polarizadas verticalmente, ya que la rejilla permite el paso de las ondas verticales y bloquea las ondas no verticales. Un analizador, como en B, fig. 17.6 a), es usado para comprobar que las ondas están polarizadas en un plano dado; en este caso el analizador B se coloca paralelo al polarizador en A y éste permite el paso de las ondas verticales.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 724)
En la figura 17.6 b), el analizador en B es colocado perpendicular a las rejillas del polarizador en A y, como era de esperarse, todas las ondas son detenidas, lo cual confirma que las ondas que salen de A y llegan a B están polarizadas en el plano vertical.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 724)
La polarización puede efectuarse sólo en el caso de las ondas transversales. Si se usa la misma rejilla en A, figura 17.7, utilizando esta vez un resorte, cuyas ondas son longitudinales, las ondas pasarán intactas a través de la rejilla sin importar su orientación.
Fuente: (Tippens, 2011, p. 725)
Anteriormente estudiamos que la luz consiste en un campo eléctrico y un campo magnético oscilatorios, perpendiculares entre sí y orientados en dirección de la propagación. Si se demuestra que estas oscilaciones pueden polarizarse, podrá concluirse que tales oscilaciones son transversales.
Algunas sustancias poseen diferentes planos de polarización, debido a sus índices de refracción para la luz, tales como la calcita, el cuarzo y la turmalina, por lo que pueden usarse placas de estos materiales como polarizadoras para que transmitan la luz en un solo plano determinado. Incluso, pueden usarse dos placas polarizadoras para confirmar la naturaleza transversal de las ondas luminosas, como se muestra en la figura 17.8.
La utilización de las placas Polaroid en la fotografía o la evaluación patrones de esfuerzos en ciertos modelos de herramientas de plástico, son ejemplos de aplicaciones prácticas del conocimiento que se tiene acerca del fenómeno de la polarización de la luz.
El siguiente video explica el fenómeno de la polarización; estúdialo con atención.
5. Polarización de la luz (6:04):
Conclusión
En conclusión, en esta clase aprendiste acerca de los fenómenos de difracción, interferencia y polarización de la luz. Confirmamos que la difracción de la luz es completamente análoga al mismo fenómeno presentado en las ondas sonoras o en las ondas que viajan en la superficie del agua, por ejemplo.
Conocimos con detalle el experimento de Young para demostrar la difracción y la interferencia constructiva y destructiva que sufren las ondas luminosas. También aprendiste a calcular la longitud de onda y la posición de las franjas oscuras y claras que se forman en la pantalla del experimento de Young.
Por último, quedó demostrado mediante la polarización de la luz que ésta está constituida por ondas transversales puesto que pueden ser polarizadas. Se demostró experimentalmente que las ondas longitudinales no se pueden polarizar.
Terminamos en este momento nuestro trabajo de estudio y aprendizaje acerca de los contenidos de esta lección 17 del curso Ondas y Óptica. Recuerda consultar el material incluido en las fuentes de información para apoyar tu aprendizaje. Puedes preguntar a tu asesor acerca de cualquier duda académica en relación con la materia. Te invito a cumplir en tiempo y forma con la entrega de la consigna correspondiente. Ha sido un placer compartir contigo este espacio educativo.
Te invito a preparar con atención y esfuerzo tu examen final y tu portafolio.
¡Sigue adelante! ¡Felicidades!
Fuentes de información
- Tippens, P. (2011). Interferencia, difracción y polarización, en Edamsa Impresiones (Ed.), Física Conceptos y aplicaciones, (p.714-726). Mc Graw Hill.pdf