Esperimento di Young

Diffrazione e interferenza della luce

Spesso sentiamo dire che la luce, oltre ad avere una natura corpuscolare,

ha anche una natura ondulatoria.

Allora la luce deve avere una lunghezza d'onda, una frequenza ed una velocità.

In questi appunti verificheremo la natura ondulatoria della luce mediante

l'esperimento di Young .

Le onde si possono sommare per formare una nuova onda. Come pensate possa essere la somma delle due onde del grafico che segue?

Applicando le formule di goniometria si ricava che:

sin(x) +(- sin(x)) = 0 .

Si può anche giustificare tale risultato osservando il grafico.

Perché si produce questo comportamento distruttivo?

Nel grafico, ambedue le onde hanno lunghezza d'onda e frequenza uguali ma sono in opposizione di fase. Se si potesse trascinare l'onda blu indietro vedremmo le due onde sovrapporsi perfettamente.

Ma, siccome sono sfasate di p , esse si distruggono reciprocamente.

Questa interferenza viene detta negativa o distruttiva.

Le onde possono anche essere in fase in modo tale da rinforzarsi:

questa interferenza viene detta positiva o costruttiva .

Si possono avere diversi comportamenti a seconda delle diverse fasi interferenti tra di loro. E qui entra in gioco la diffrazione.

La luce si piega leggermente lungo l'orlo di barriere aggirandole e propagandosi anche dietro di esse quando queste hanno una

dimensione dell'ordine della lunghezza d'onda della luce.

Questo fenomeno è detto diffrazione

ed è caratteristico di tutti i fenomeni ondulatori, ma poiché le lunghezze d'onda della luce visibile sono piccolissime, gli ostacoli corrispondenti dovranno essere piccolissimi.

Quando Francesco Maria Grimaldi (1618–1663) notò la prima volta che i bordi delle ombre non erano netti, attribuì questo effetto alla diffrazione ed ebbe la netta sensazione che la luce fosse un'onda.

Quest'idea fu confermata dal fisico inglese Thomas Young, quando realizzò il merviglioso esperimento della doppia fenditura nel 1801.

Young mise un piccolo foro di fronte ad un fascio di luce monocromatica

(insieme di radiazioni luminose della stessa frequenza).

La luce che passava attraverso la fenditura era tutta in fase e non subiva interferenze distruttive: quella fenditura diventava una sorgente coerente. Ma come fare ad aver due sorgenti di luce coerenti?

Egli piazzò due piccole fenditure di fronte al fascio di luce coerente ed ottenne nel campo elettromagnetico quello che si ottiene in una vaschetta ondoscopica quando due pignoni oscillano periodicamente sulla superficie libera dell'acqua: le frange di interferenza, evidenziabili dietro le due fenditure con particelle di fumo in sospensione nell'aria.

figure interferenziali in un ondoscopio

Ma il risultato non fu solo questo! Quando la luce diffratta giunse ad uno schermo si formarono bande illuminate e bande scure come nella figura qui sotto:

Cosa significa tutto questo?

La luce evidenzia effetti diffrattivi come tutti i fenomeni ondulatori.

Le onde interferiscono una con l'altra creando bande luminose di interferenza costruttiva e bande scure di interferenza distruttiva.

Si può dimostrare che i punti sullo schermo, la cui differenza delle distanze dalle due sorgenti è un multiplo pari di mezza lunghezza d'onda, sono soggetti ad una interfenza costruttiva mentre i punti sullo schermo, la cui differenza delle distanze dalle due sorgenti è un multiplo dispari di mezza lunghezza d'onda, sono sottoposti ad una interferenza distruttiva.

Non solo! Utilizzando la similitudine dei triangoli è possibile calcolare la lunghezza d'onda della radiazione luminosa.

S 2 R è proprio la differenza di percorso tra i raggi SP 1 e S 2 P 1

Ma se in P 1 compare il primo punto d'interferenza costruttiva successivo a P significa che:

con

dove m è la distanza tra le due fenfiture

e poichè

si può confondere il seno con la tangente e scrivere:

dove d è la distanza tra lo schermo e il piano delle due fenditure

In definitiva si avrà :