Experimentos de Física: 8. DIFRAÇÃO DA LUZ E DE ONDAS

Difração da Luz

Objetivo

Estes experimentos têm como objetivo compreender qual o efeito visual resultante de uma difração.

Conceito de Difração

Contrariando o princípio da propagação retilínea da luz, a luz tem a propriedade de contornar obstáculos colocados em sua trajetória. Este fenômeno é conhecido como difração da luz.

Iluminando com um feixe de luz de raios paralelos e monocromático (de uma só cor) um pedaço de papelão por exemplo no qual há uma fenda. Se a fenda é larga será projetada na tela uma tira luminosa de contornos bem definidos. Ao estreitar a fenda, a tira luminosa irá se alargar ao invés de diminuir. A luz invade a região de sombra. Quanto mais estreita for a fenda mais acentuado será o efeito (fig.1b).

A luz, ao passar por orifícios muito pequenos (por exemplo um orifício feito com um alfinete em um cartão), sofre difração (fig. 1a). Observa-se nesta figura que a luz se espalha apresentando uma mancha luminosa bem maior que orifício.

(a)

(b)

Figura 1 (a) - Difração que a luz apresenta quando atravessa um orifício muito pequeno.
(b) - Difração quando a luz atravessa orífícios d₁e d₂ tal que d₂é menor que d₁

Como o fenômeno da difração só é observado para orifícios muito pequenos, isso indica que a luz é uma onda com comprimento de onda pequeno. A difração só é observada quando a dimensão do orifício for menor ou da ordem do comprimento de onda da luz.

Contexto

Existem dois estudos feitos acerca da natureza de propagação da luz. Um deles prevê que a luz é composta de minúsculas partículas (fótons) que se propagam sempre em linha reta formando raios. A este estudo dá-se o nome de óptica geométrica. A outra linha de raciocínio diz que a luz é uma onda e se comporta como tal. Esta teoria é chamada óptica ondulatória. Por ser descrita por essas duas teorias, diz-se que a luz apresenta dualidade partícula-onda. Neste experimento só nos ateremos ao comportamento ondulatório da luz.

Quando a fonte luminosa se encontra razoavelmente afastada, a luz praticamente se propaga na forma de ondas planas. Se estas frentes de ondas se chocarem contra um aparato que contém um orifício com diâmetro comparável ao comprimento de onda da luz, ocorrerá um espalhamento destas frentes. Este fenômeno recebe o nome de difração. Só a teoria ondulatória explica tal fenômeno. Porém, se pensarmos que os raios de luz são perpendiculares às frentes de onda, o que ocorreria seria um espalhamento dos raios, como mostra a figura abaixo.

A teoria ondulatória de Huygens pode explicar bem este fenômeno. Cada frente de onda é formada pela soma de infinitas ondas esféricas, como ilustra a figura abaixo. Quando esta frente de onda, ao se propagar, encontra uma barreira com um pequeno orifício, é como se apenas uma das ondas esféricas passa pelo furo, permitindo que só esta se propague a partir daí, o que resultaria em uma onda esférica que se propaga radialmente do orifício.

Experimento 1: Difração da Luz

Idéia do Experimento

Um pequeno orifício feito num papel funciona como uma lente de aumento, permitindo que se veja uma imagem ampliada de um objeto que se encontra muito próximo do olho do observador. Isso se deve ao fenômeno de difração que neste caso, faz com que os raios que saem do objeto sejam espalhados, tornando a imagem maior que o objeto (figura abaixo). Também é possível corrigir miopia com difração pois, este fenômeno, faz com que a luz se comporte da mesma maneira que quando é submetida a uma lente divergente, que é a lente utilizada na correção desta patologia.

Tabela do Material

*Item*	*Comentários*
Cartolina	De preferência escura porém, pode ser utilizado qualquer papel.
Alfinete

Montagem

Faça, com o alfinete, um furo no papel.
Aproxime, do olho, algo que quer ser lido a aproximadamente 10 cm.
Coloque o papel com o furo e olhe através dele.
Pode-se então notar que além da imagem ficar mais nítida, houve um aumento dela.

Comentários

Se a pessoa que realizar o experimento for portador de um grau não tão alto de miopia, pode utilizar este pequeno orifício para conseguir enxergar algo que esteja longe, sem os óculos.

Esquema Geral de Montagem

O orifício que aparece na figura acima, apesar de parecer grande, tem o diâmetro de uma seção transversal em um alfinete.

Difração das Ondas

Experimento 2: Difração em uma cuba de onda

Idéia do Experimento

Para simular a difração em uma cuba de ondas, colocamos duas barreiras retilíneas na cuba, (ou uma bacia) deixando uma pequena abertura entre elas, d (fig. 2). Utilizando um gerador de ondas retas, ou produzindo ondas com o auxílio de uma régua grande (figura ao lado), quando uma onda reta periódica de comprimento de onda atravessa a abertura d (fig.2), observa-se que a onda fica curvada nos lados da abertura. A curvatura sofrida pelas frentes de ondas retas ao passarem por um obstáculo ou por uma abertura é devido ao fenômeno da difração.