16. Difração da luz
Embora a difração seja comumente definida como o desvio de ondas em torno de um obstáculo, esse efeito é uma consequência do princípio de superposição e da natureza ondulatória da luz, do som, etc. Nesse sentido, não há diferença entre interferência e difração. Usualmente, chama-se de interferência a superposição de poucas ondas e de difração, a superposição de um grande número de ondas.
A difração é mais acentuada quando as dimensões das aberturas ou obstáculos são da ordem de algumas vezes o comprimento de onda da luz que, para a luz visível, está na faixa de 0,4 a 0,7 µm (1 µm = 0,001 mm). Assim, para ser possível observar a difração da luz a fenda deve ter uma largura da ordem de 0,1 mm ou menos.
| Na figura, está representada uma onda que passa por uma fenda e incide sobre uma tela. As faixas escuras representam as cristas da onda. Cada ponto da fenda se comporta como uma fonte de ondas (princípio de Huygens). As múltiplas ondas que saem da fenda se superpõem e interferem construtivamente ou destrutivamente, dando origem a regiões de intensidades máxima e mínima, respectivamente. Se a largura da fenda for muito maior que o comprimento de onda da luz, na tela se observa a sombra geométrica da fenda, ou seja, uma parte iluminada com largura igual à da fenda. Por outro lado, quanto mais estreita for a fenda, maior será o efeito da difração, ou seja, mais larga será a parte iluminada na tela. |
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Experimento
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| Neste experimento, será demonstrado o efeito da difração da luz de um laser ao passar por fendas retangulares com diferentes larguras. Na frente do apontador laser, encaixe a peça com a fenda de 3 mm de largura. Dirija o feixe de luz para uma parede e oberve o padrão de difração que é projetado. Se necessário, escureça a sala. |
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| Em seguida, troque a fenda pela outra mais estreita (0,1 mm de largura) e observe o padrão de difração que se forma sobre a parede. Compare a largura da fenda com a largura da parte central mais intensa do padrão de difração. Qual é mais largo? Por que? Na região do máximo central de intensidade, as ondas que saem da fenda se superpõem e interferem construtivamente. Nas regiões escuras, essas ondas interferem destrutivamente. |
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Experimento
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| Uma rede de difração consiste em um material que tem um grande número de fendas paralelas. Ao passar por uma rede de difração, as ondas provenientes de cada fenda se superpõem no anteparo e produzem um padrão de interferência com franjas claras nas regiões em que as elas interferem construtivamente, e escuras, onde elas interferem destrutivamente. O espaçamento entre as franjas claras desse padrão depende do comprimento de onda da luz e do espaçamento entre as fendas da rede. As redes de difração podem ser de transmissão – em que a luz atravessa as fendas da rede – ou de reflexão – em que a luz é refletida pelas fendas. Neste experimento, você determinará o comprimento de onda da luz de um laser utilizando a rede de difração de transmissão, fornecida com o espectroscópio do Kit de Luz e Cores. |
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| Inicialmente, remova a tampa do espectroscópio que contém a rede de difração. Atenção: NÃO remova a rede da tampa. Aponte o laser de forma que o feixe de luz atravesse a rede de difração e incida perpendicularmente sobre uma parede. Observe o padrão de pontos luminosos que se forma devido à difração da luz do laser pelas fendas da rede de difração. |
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Os pontos brilhantes são as regiões onde as ondas que passam pelas fendas se superpõem e interferem construtivamente. Nas regiões entre esses pontos, ocorre interferência destrutiva e, consequentemente, a intensidade da luz é nula. |
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Experimento
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| A difração da luz por um obstáculo opaco (por exemplo, um fio de cabelo) produz um padrão de difração semelhante ao de uma fenda com a mesma largura do obstáculo. Na borda da peça com fenda larga, há duas pequenas ranhuras diametralmente opostas. Passe um fio de cabelo por estas ranhuras e fixe-o com fita adesiva. Em seguida, encaixe essa peça na frente do apontador laser e dirija o feixe para que ele incida perpendicularmente sobre uma parede. Como o padrão de difração produzido pelo fio se compara ao que foi observado com a fenda estreita? |
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| O diâmetro [m]a[/m] do fio de cabelo (ou a largura da fenda do experimento Difração por fendas) pode ser determinado por meio da equação [m] a sen(\theta) = \lambda [/m] em que [m] \lambda [/m] é o comprimento de onda da luz. Para o laser de luz verde, [m] \lambda = 532 nm = 532 \times 10^{-9} m [/m]. O ângulo [m] \theta [/m] pode ser determinado a partir do triângulo retângulo mostrado na figura, de onde se obtém [m] tan(\theta) = \frac{L}{2D} [/m] , em que [m] L [/m] é a distância entre os dois mínimos de cada lado do máximo central de difração (a parte mais intensa) e [m] D [/m] é a distância do fio de cabelo até a parede onde está o padrão de difração. Utilize uma régua para medir [m] L [/m] e com uma trena meça [m] D [/m]. Calcule o ângulo [m] \theta [/m] e, então, determine o diâmetro do fio de cabelo. Essa medição poderia ser feita com uma régua? |
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Experimento
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| Quando luz branca atravessa uma rede de difração, cada comprimento de onda (cor) se difrata em um ângulo diferente. Assim, em torno de cada ponto brilhante originado pela difração da luz verde haverá outros pontos associados à difração da luz de todos os outros comprimentos de onda presentes na luz branca. Então, ao invés de uma única cor, serão observadas faixas de cores sobre a parede. Este é o princípio de funcionamento de um espectroscópio com rede de difração, que será descrito no experimento Espectroscópio. Com a rede de difração na frente do laser, marque sobre a parede as posições dos pontos brilhantes de difração. Em seguida, ligue a lanterna de LED e ajuste o foco para que a imagem do LED seja projetada sobre a parede. Encaixe a rede de difração na frente da lanterna e coloque-a na mesma posição em relação à parede. Cada comprimento de onda da luz do LED se difrata em diferentes ângulos, produzindo faixas coloridas sobre a parede. Nessas faixas, qual cor coincide com as posições dos pontos marcados sobre a parede? |
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Experimento
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| Em um CD ou DVD, as informações são gravadas criando pequenas depressões ao longo de uma trilha em forma de espiral. Para ler essas informações, a luz de um laser incide sobre a superfície do disco e é refletida, quando atinge uma parte lisa, ou não, quando atinge uma das depressões. Quando refletida, a luz atinge um sensor que converte as sucessivas alterações de intensidade da luz em sinais elétricos que são codificados como um número binário: 1, quando a intensidade é alta e 0 quando ela é baixa. Circuitos eletrônicos convertem esses zeros e ums em um outro sinal elétrico que, depois de amplificado, gera a informação de voz, som ou dados que foram originalmente gravados. Tanto em um CD quanto em um DVD ou um disco de Bluray, as informações são gravadas e lidas dessa mesma forma. Basicamente, o que difere de um disco para o outro é o comprimento de onda do laser utilizado e o espaçamento entre os ramos da espiral. Em um DVD, essa espiral é mais compacta do que em um CD, por isso cabem mais informações no DVD. Para uma região pequena desses discos, os braços da espiral são praticamente paralelos e formam um padrão de “trilhas” igualmente espaçadas que difratam a luz como uma rede de difração. CD e DVD podem ser usados como redes de difração de reflexão ou de transmissão. Ao incidir sobre um desses discos, a luz de um laser difrata ao ser refletida pelas trilhas e produz um padrão de pontos brilhantes sobre uma parede. Da mesma forma, quando um feixe de luz branca é refletido por um desses discos, ele é difratado e dá origem a faixas coloridas sobre a parede. Neste experimento, você determinará o espaçamento entre as trilhas da espiral desses dois tipos de discos por meio da difração da luz. Para melhor determinação dos parâmetros a serem medidos, o disco será usado como uma rede de difração de transmissão. Para isso, primeiro você deverá preparar esses discos. |
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| Preparação do CD Um CD tem uma camada de um tipo de plástico (policarbonato) sobre a qual são depositadas uma camada metálica refletora e uma camada de proteção que deverão ser removidas. Para isso, utilize um prego ou um parafuso para fazer um risco sobre a superfície do disco, próxima à borda. Em seguida, use uma fita adesiva para remover as camadas de proteção e refletora do disco. A parte do disco com as camadas removidas será utilizada como uma rede de difração.
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 Preparação do CD |
| Preparação do DVD Um DVD tem duas camadas de policarbonato que devem ser separadas. Para isso, com muito cuidado, pressione uma lâmina afiada na borda do disco até que as camadas se separem. Descarte a parte de cima do disco. Use uma fita adesiva para remover o revestimento refletor da outra camada de plástico que servirá, então, como uma rede de difração. |
 Preparação do DVD |
| Aponte o laser de forma que o feixe de luz atravesse a parte transparente do CD e incida perpendicularmente sobre uma parede. Observe o padrão de pontos luminosos que se forma devido à difração da luz pelas trilhas do CD. Assim como feito anteriormente com a rede de difração, marque as posições dos pontos e, depois, faça as medições necessárias (veja a figura) para determinar o espaçamento entre as trilhas do CD, dado por [m] a = \frac{\lambda}{ sen(\theta)} [/m]. Repita o mesmo procedimento para determinar o espaçamento entre as trilhas do DVD. Como os valores obtidos se comparam com o espaçamento padrão entre as trilhas de um CD (1,6 µm) e de um DVD (0,74 µm)? As trilhas do CD e do DVD não são exatamente paralelas, pois elas são trechos de uma espiral. Por isso, o formato dos pontos é um pouco diferente daquele observado com a rede de difração. |
  CD  DVD |
