Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos

Universidade de São Paulo

Instituto de Química de São Carlos

 

 

   

Prática 6

Difração

 

    

Junho de 2023

1. Introdução

A difração é um fenômeno de interferência que ocorre quando as ondas encontram um obstáculo ou uma fenda (abertura) e as mesmas se dobram ou se espalham ao redor do obstáculo, em vez de continuar em linha reta. 

Este fenômeno físico é mais evidente quando as dimensões da abertura são da ordem do comprimento de onda da onda incidente (caso B). Em contrapartida, se o tamanho da fenda for maior do que o comprimento de onda, a onda seguirá praticamente em linha reta, sofrendo pouca alteração e, portanto, a difração não será significativa (caso A). A Figura 1 representa a relação entre o tamanho da fenda e o fenômeno que ocorre na onda incidente.

Figura 1. Fenômeno de difração em diferentes fendas.

[pic 1]

Fonte: www.gestãoeducacional.com.br

Este fenômeno pode ocorrer por várias formas sendo por fenda simples, fenda dupla e rede de difração os estudados nesta prática. 

Dessa forma, a difração por fenda simples ocorre quando as ondas atravessam uma fenda estreita de largura "a" e, assim, produzem, em uma tela de observação, uma figura de difração que inclui um máximo central e vários máximos secundários, os quais são separados por mínimos localizados em ângulos "θ" em relação ao eixo central. Esses ângulos "θ" satisfazem a seguinte relação: sinmin=na, para n=1,2,3,... A Figura 2 representa este fenômeno, sendo "L" a distância entre a fenda e o anteparo, além disso, a área hachurada é uma representação do padrão de difração e, mais a direita tem-se um exemplo de uma figura de difração no anteparo.

Figura 2. Difração por fenda única.

[pic 2]

Fonte: edisciplinas-usp

Ao alterar a fenda por uma fenda dupla, o padrão de difração também sofre alteração. Quando uma onda passa por duas fendas de largura "a" cujos centros estão separados por uma distância "d", com d > a,  é formada uma figura de difração no anteparo posicionado a frente do sistema que inclui um máximo central e vários máximos secundários, os quais são separados por um ângulos "θ" em relação ao eixo central, o qual satisfaz a seguinte relação: sinmax=nd, para n=1,2,3,...  A Figura 3 representa este fenômeno.

 Nota-se a diferença no anteparo ao alterar a quantidade de fenda, nesta há a presença de mínimos de difração e máximos de interferência, enquanto ao utilizar fenda única há somente mínimos de difração. Assim, ao aumentar a quantidade de fendas, melhora-se cada vez mais a resolução.  

Figura 3. Difração por fenda dupla.

[pic 3]

Fonte: www.if.ufrgs.br

.Por fim, ao introduzir no sistema uma rede de difração, a qual consiste em um conjunto de fendas ou ranhuras que pode ser utilizado para analisar as componentes de uma onda, separando e exibindo os máximos de difração associados a cada comprimento de onda da radiação incidente. Quando uma onda passa por uma rede de difração com "N" ranhuras, ocorrem máximos em ângulos "θ" específicos, que são determinados pela seguinte relação: sinmax=nd, para n=1,2,3,... 

Dessa forma, é possível estudar a alteração do caminho óptico na difração da luz e também analisar os padrões de difração ao utilizar fendas simples, duplas e uma rede de difração. 

1. Objetivos

   Estudar e compreender os padrões de difração óptica produzidos por fendas simples e duplas, analisando a interferência da luz e a formação dos pontos de máxima e mínima intensidades. Além disso, comparar os resultados experimentais com os modelos teóricos da difração óptica por fendas simples e duplas, analisando as semelhanças e diferenças encontradas.

1. Descrição Experimental

1. Difração por fenda simples e duplas utilizando o método de projeção

1. Alinhou-se o feixe de um laser He/Ne em relação ao trilho óptico;
2. Posicionou-se um anteparo fixo a cerca de 1 metro de distância. Certificou-se que o anteparo de projeção estivesse posicionado perpendicularmente ao feixe e marcou-se no papel o ponto de incidência do laser;
3. Na frente do laser colocou-se uma fenda única de abertura desconhecida, de acordo com a figura 4, e anotou-se o número da fenda utilizada;

Figura 4. Esquema experimental para medida do padrão de difração por redes e fenda utilizando a projeção.

[pic 4]

Fonte: apostila de laboratório

1. Observou-se o  padrão de difração formado no anteparo e certificou-se que os máximos positivos (m = 1, 2,...) e negativos (m = -1, -2,...) estivessem equidistantes do máximo central; 

1. Marcou-se no papel do anteparo a posição dos mínimos de intensidade (franjas escuras), e determinou-se a posição de 8 mínimos (4 de cada lado do ponto central) e calculou-se os respectivos ângulos Ө;

1. Removeu-se a fenda simples e substituiu-se o papel do anteparo, certificando-se novamente que o anteparo de projeção estivesse posicionado perpendicularmente ao feixe. Marcou-se no papel o ponto de incidência do laser;

1.  Iluminou-se uma fenda dupla com o feixe e ajustou-se o sistema para observar um padrão de difração simétrico;

1. Marcou-se no papel do anteparo a posição dos mínimos de intensidade (difração) e máximos de interferência observados e determinou-se  a posição de 8 mínimos (4 de cada lado do ponto central) e calculou-se os respectivos ângulos Ө; 

1. Substitui-se a fenda dupla por uma rede de difração e ajustou-se o sistema para observar um padrão de difração simétrico;

1. Marcou-se no papel a posição dos máximos de interferência observados (pelo menos 2 de cada lado) e calculou-se  os respectivos ângulos Ө;

1. Por fim, solicitou-se um fio de cabelo de um membro do grupo e determinou-se o seu diâmetro e o desvio padrão da medida.

1. Resultados esperados 

        Difração ocorre quando uma onda encontra um obstáculo ou uma abertura em um objeto e se espalha em diferentes direções. O resultado esperado em uma difração de fenda única é que formasse um uma série de franjas claras e escuras alternadas, que se espalhassem a partir do centro da fenda. Já para difração de múltiplas fendas, espera-se observar múltiplas franjas de difração que se sobreponham e formam um padrão de franja mais intenso e regular.