Experimentos demostrativos de difracción de la luz (página 2)

Desarrollo:

Debe colocarse el láser en
un extremo del banco
óptico, a entre 5 a 10 cm del mismo se pone en diafragma
con el alambre fino, el cual puede construirse con un marco de
diapositiva y un pedazo de alambre, o colocar en el mismo marco
un juego de ellos
que contenga fragmentos de entre 0,1 y 0,5 mm de espesor, lo que
puede incluir también un cabello. La pantalla se coloca a
4 m de la fuente para que el patrón sea observable por
todo el auditorio e inclinarla unos 30º hacia el
mismo.

Si el haz del láser le resulta demasiado angosto,
puede interponer entre el mismo y el diafragma con los alambres,
una lente de f = – 0, 50 m.

Observaciones.

Es importante cuidar que el haz del láser no sea
proyectado en ningún momento hacia el
auditorio.

Debe dirigirse la atención sobre la forma de los patrones de
difracción obtenidos, para alambres de diferentes
espesores y anotar sus semejanzas y diferencias.

De ser posible debe evitarse el empleo de la
lente divergente para ensanchar el haz del láser, o de ser
imprescindible explicar el objetivo de su
uso, para evitarle a los estudiantes que la confundan con la
difracción de Fraunhofer, en la que se emplean lentes
convergentes.

EJEMPLO 2

Título:

Difracción
de Fresnel en orificio circular y pantalla circular
opaca

Objetivo: Mostrar el fenómeno de la
difracción de la luz, en orificio
circular y pantalla circular opaca, así como sus
características.

Materiales y equipos: Banco óptico, fuente
de luz láser, diafragma con orificios y pantallas
circulares, porta diafragma, jinetes para el banco óptico,
pantalla de proyección.

Desarrollo:

Monte el láser en un extremo del banco
óptico. En esta demostración es necesario ensanchar
el haz del láser, por lo que debe colocarse delante del
mismo dos lentes divergentes de f = – 0, 50 m, separadas de 10 a
15 cm entre si, hasta que el haz incidente sobre el diafragma con
los objetos difractares, tenga un ancho de 0,5 a 1 cm, en
dependencia del experimento a realizar.

Para estos experimentos debe
disponerse de un diafragma fabricado de un cristal de unos 2 mm
de espesor, en el que estén dibujados 3 orificios
circulares sobre un fondo negro de 1; 0,5 y 0,25 mm de
diámetro respectivamente, así como de tres manchas
circulares negras sobre fondo transparente, de iguales
diámetros.

Figura 1

La parte A se utiliza para la difracción por
pantalla circular opaca y la B para la difracción por
orificio circular.

a) Difracción por orificio circular.

Regule la posición de las lentes hasta
lograr que el haz que incide sobre el diafragma tenga
0,5 cm. de diámetro.

Mueva el diafragma hasta lograr que haz incida sobre uno
de los orificios circulares, primero el de mayor diámetro.
La pantalla debe colocarla convenientemente para que sea
visible para el auditorio, a unos 5 ó 6 metros del
montaje, por lo que debe poner el blanco óptico
en el fondo de aula.

Obtenga el patrón de anillos brillantes
y oscuros en la pantalla para el primer orificio. Haga notar
si el centro del patrón es brillante u oscuro.
Coloque alternativamente los otros dos orificio delante del haz,
de modo que la mancha central se torne brillante y oscura
alternativamente (esto debe ensayarlo previamente colocando el
diafragma a la distancia adecuada del láser. Con esto
puede explicar la dependencia del número de zonas de
Fresnel, efectivas a la pantalla, con el diámetro del
orificio.

Colocando uno de los orificios frente al
haz, mueva el diafragma a lo largo del banco, de modo
que varíen las distancias diafragma-fuente y
diafragma-pantalla y haga notar coma la mancha
central cambia de brillante a oscuridad
y viceversa.

Haga notar también que, a medida que el
diámetro del orificio es menor, con más
nitidez se ve el
patrón de difracción.

Figura 2: Difracción por
orificio circular, centro brillante

Figura 3: Difracción por
orificio circular, centro oscuro

b)
Difracción por diafragma circular opaco.

Repita las operaciones antes
descritas, utilizando ahora las manchitas circulares, opacas. La
principal diferencia es que en este patrón,
el centro resulta siempre una mancha brillante.

Figura 4: Difracción por
diafragma circular opaco

Observaciones.

Este experimento muestra con gran
visualidad el fenómeno de la difracción de la
luz. . Los patrones de difracción se pueden obtener
de gran tamaño (hasta 50 cm de diámetro) y
tiene gran nitidez, para lo cual el aula debe estar
bien oscurecida.

Debe hacer hincapié en las variaciones que
sufre el patrón de difracción, al variar las
del experimento y analizar los efectos que producen
las variaciones de los
distintos parámetros de los que depende el
fenómeno (excepto la longitud de onda,
lógicamente).

Debe tomar precauciones para que el haz del
láser no vaya a dañar los ojos de los
estudiantes.

EJEMPLO 3

Título:

Difracción
por el borde rectilíneo de un semiplano

Objetivo: Demostrar el fenómeno de
la difracción de la luz por el borde
rectilíneo de un semiplano, así como sus
características.

Materiales y equipos: Banco óptico
graduado, fuente de luz láser, pinzas
de sujeción, 2 lentes f = -0,50 m, cuchillas de
afeitar, pantalla de proyección, porta lentes,
jinetes.

Desarrollo.

Coloque las fuentes
láser en un extremo del banco óptico a
continuación coloque una lente de f = – 0,50 m. y a unos
10 cm de ésta, coloque la otra, de manera que el haz
del láser se ensanche convenientemente hasta tener
uno o dos centímetros de diámetro.

A unos 4 ó 5 cm de la segunda lente,
coloque la cuchilla sujeta a una pinza, de modo que el haz
luminoso incida perpendicularmente al plano de esta por uno de
sus bordes.

La pantalla debe esta colocada a 5 metros o más
del dispositivo. En ella podrá ver la figura de
difracción de franjas alternas claras y oscuras
correspondientes.

Figura 4: Difracción por un
borde rectilíneo

Observaciones.

De acuerdo con la idea de la propagación
rectilínea de la luz, en la pantalla
obtendríamos una
sombra nítida del borde de la cuchilla,
pero en realidad obtenemos una figura de difracción
compleja que demuestra el comportamiento ondulatorio de la
luz.

Debe analizar la forma de este patrón y
compararlo con las anteriores, que eran de forma
circular. 

EJEMPLO 4

Titulo:

Difracción
de Fraunhofer por una rendija

Objetivo: Mostrar el fenómeno de la
difracción de rayos paralelos por
una abertura única, así
como sus características.

Materiales y Equipos: Banco óptico
graduado, lámpara de mercurio y su
fuente de alimentación, diafragma de rendijas de
ancho variable, lente f = +0,10 m, porta lente, jinetes, pantalla
de proyección, diapositiva con abertura en forma de
rendija, porta diafragma de 5×5 cm.

Desarrollo.

Coloque la lámpara en un extremo del banco
óptico, a 5 cm de la misma ponga la abertura de
ancho variable con la ranura en forma vertical,
a 10 cm de ésta ubique la lente de f =+0,10 m y a 20
ó 25 cm de la lente ponga la
abertura única, por último coloque la
pantalla de 2 a 4 m de la abertura y recoja en
ella el patrón de difracción.

Antes de colocar la abertura única, ajuste la
posición de la lente hasta obtener en la pantalla una
imagen nítida de la abertura
de colimador de ancho variable.

La posición de la lente puede variar en
dependencia de la posición de la pantalla.

Observaciones.

La nitidez de este patrón no permite
su observación desde lejos, por lo que
será conveniente acercar a los estudiantes a la
pantalla.

Si dispone de un láser, basta con colocar la
abertura única delante del haz, para que se vea el
patrón de difracción en la pantalla, pero a nuestro
juicio es más recomendable explicar la difracción
de Fraunhofer con una fuente de luz corriente.

EJEMPLO 5

Titulo:

Difracción
de Fraunhofer por una red

Objetivo: Demostrar el fenómeno de la
difracción de Fraunhofer en una red, así sus
características.

Materiales y equipos: Los mismos que en la
demostración No. 4, pero en lugar de la abertura
única, redes de
difracción de 20, 40, 80 y 100 rayas por
centímetros y de 600 rayas por milímetros,
filtros de colores.

Desarrollo:

El montaje es igual a la demostración No 4,
pero en lugar de la abertura única,
ubicará las redes de difracción.
Primero debe mostrar los patrones que se obtienen
con luz blanca con las distintas redes, explicando
cómo varían las características de
patrón a media que decrece el periodo de la red empleada.

Cuando coloque la red a 600 rayas/mm debe acercar
la pantalla, pues el patrón se espacia tanto, que puede
salir de los marcos de la misma. Aquí puede ver la
dependencia de la dispersión angular con el
periodo de la red, así como el aumento del poder
separador.

Colocada la red de 100 rayas/cm, puede colocar
filtros (verde, amarillo y rojo) y comprobar con
varía la separación entre las franjas de
patrón, con la longitud de onda.

Al colocar los filtros, disminuye la intensidad de la
luz y se pierde nitidez en los patrones, por lo que debe
dirigir bien la observación de los
estudiantes.

Observaciones.

Debe hacer notar cómo están modulados
los patrones, por la difracción en cada
abertura de red, es decir, decrece la intensidad de los
máximos, desde el máximo central, hacia los
extremos. Los patrones con luz blanca se
ven coloreados, en ellos puede hacer notar, como
aumenta el poder separador con el aumento del
orden del espectro.

Para esto lo más recomendable es la red
de 100 rayas/cm.

Conclusiones

Si cada demostración se prepara con
antelación y se ensaya convenientemente, el tiempo para su
ejecución en el aula debe ser mínimo, oscilando
desde dos hasta seis minutos las más extensas. El factor
tiempo no debe constituir un impedimento para no realizarla,
porque en la Física lo más
importante es lo fenomenológico del contenido. Las
ecuaciones,
fórmulas, descripciones y definiciones aparecen en los
textos, pero la evidencia viva del fenómeno,
no.

Una mayor efectividad se logra con un local que permita
su oscurecimiento temporal, pero esto se puede lograr con
economía de recursos.

Especial cuidado debe poner el docente con las medidas
de protección al trabajar con fuentes de radiación
ionizantes.

Todas las demostraciones han sido ensayadas y llevadas a
la práctica durante varios cursos y si se ejecutan
siguiendo las indicaciones que se exponen, deben dar los
resultados esperados.

Bibliografía

• Daish, C.B y Fender, D.H (1964) Física
  Experimental para estudios elementales y superiores.
  Editorial UTEHA. México.

• Herrera, J. (2009) Demostraciones Experimentales de
  Óptica. Colección Monográficos InterTech
  No.1. Comunica S,L. Valencia. ISBN-13: 978-84-692-5532-2.
  Pág. 23 – 29

• Westphal, N. F. (1965) Experimentos de
  Física. Editorial Labor. Madrid.

Autor:

Jorge Luis Herrera
Fuentes

Departamento de Física. Universidad de
Pinar del Río. Cuba.