Laboratório Remoto

Física

• Difração

  Os efeitos da difração da luz foram primeiramente analisados e descritos pelo padre jesuíta e cientista italiano Francesco Maria Grimaldi, que cunhou o termo "difração" (do latim diffringere, 'quebrar em pedaços'), referindo-se à luz quebrando-se em diferentes direções. Seu conceito de luz era essencialmente ondulatório e explicou a difração da luz analogamente à difração de ondas na água, em que as ondas do mar quebram seu movimento regular ao encontrar um barco ancorado. Determinou também uma relação entre a densidade do meio onde a luz propaga-se e a sua velocidade. Os resultados das observações de Grimaldi foram publicados postumamente em 1665. O efeito da difração pode ser observado em todos os tipos de ondas. É o desvio sofrido devido à sua capacidade em contornar obstáculos.

        Difração de ondas eletromagnética e mecânica

  A superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto formam um padrão de interferência e foi estudado pelo cientista inglês Thomas Young. Suas fases podem ter um caráter de sobreposição combinando-se num padrão construtivo, ou de aniquilação, destrutivo. 

  

  Padrão de interferência em fendas simples e dupla

  Muitos foram os cientistas que preocuparam-se em determinar a natureza da luz, estudando portanto, os efeitos da difração. Surgiram, no século XVII, dois pensamentos científicos distintos: a teoria corpuscular da luz, defendida por Isaac Newton; e a teoria ondulatória da luz, defendida por Christiaan Huygens. De ambos os lados, vários cientistas apoiavam uma teoria ou outra com seus conhecimentos e constatações e acabavam refutando inteiramente os aspectos da teoria contrária, pois o conceito de partícula (corpúsculo) é totalmente diferente do conceito de onda. Uma partícula transporta matéria, uma onda não o faz; uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda precisa de um meio para propagar-se (era o que se pensava naquele período); uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não o faz.  À época escolheu-se o modelo de Newton como o mais coerente por sua explicação sobre as cores e por causa de sua fama devido às suas outras realizações. Acreditava na teoria corpuscular da luz e fez importantes experimentos sobre a decomposição da luz com prismas e acreditando que as cores eram devidas ao tamanho da partícula de luz. Thomas Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular. Para ele as afirmações de Newton não explicavam por que a luz tinha a mesma velocidade mesmo sendo emitida por corpos diferentes e por que certos corpúsculos eram refletidos e outros refratados. Considerar a luz uma onda explicaria bem melhor esses fenômenos: as ondas luminosas poderiam, assim como as ondas do mar, anular-se umas às outras ou intensificar-se. Fresnel (1788-1827) usou corretamente a princípio de Huygens para explicar a difração. Naqueles tempos, supunha-se que a luz consistia de ondas mecânicas, produzidas em um éter onipresente. Como Maxwell mostrou que a natureza das ondas luminosas não era mecânica, mas, sim eletromagnética. Einstein (1879-1955) chegou à concepção moderna dessas ondas, eliminando a necessidade do éter.

   

  

  Young, com um experimento brilhante, descobriu um método para obter duas fontes de luz em fase. Thomas fez com que a luz produzida por uma fonte luminosa fosse difratada ao passar por um pequeno orifício (esse comportamento era semelhante ao de se jogar uma pedra em um lago, onde gera anéis de ondulação que vão se expandindo). Após ser difratada, a onda luminosa se propagava em direção a dois outros pequenos orifícios, onde sofria novamente o fenômeno da difração (quando a outra fenda é aberta, seria como se fossem jogadas duas pedras no lago, em conjunto, lado a lado e simultaneamente, fazendo com que as ondas se sobreponham, podendo se somar caso uma crista encontre com outra crista ou se cancelar, caso uma crista encontra um vale). Com isso, surgiam duas novas ondas luminosas que se propagavam com fases constantes. Finalmente, essas duas ondas atingiam um anteparo (alvo) onde era possível ver a existência de regiões claras e escuras. As regiões escuras correspondiam às interferências destrutivas, enquanto que as regiões claras correspondiam às interferências construtivas. Essa experiência teve grande repercussão entre os cientistas, pois ele mostrou que é possível obter interferência com a luz, e dessa forma demonstrou, de forma quase definitiva, que a luz é um fenômeno ondulatório. Foi possível assim, a formalização matemática do fenômeno possibilitando sua aplicação. Para iniciar a discussão sobre a origem, o funcionamento e a emissão em “fase” do laser, iniciamos a discussão a partir da explicação do efeito fotoelétrico, postulado por Albert Einstein em 1905 no qual a luz é constituída por pacotes discretos e bem determinados de energia denominados quanta de luz que, posteriormente, passaram a ser chamados de fótons, termo cunhado por Gilbert Lewis em 1926. Em 1913 o dinamarquês Niels Bohr apresentou seu modelo de átomo, no qual os elétrons orbitam o núcleo em níveis de energia bem determinados e somente podem "saltar" de um nível para outro se receberem ou emitirem fótons com a quantidade de energia (que pode ser calculada a partir de seu comprimento de onda) exata, exigida para o salto completo. Em 1925, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg modificaram a forma de se interpretar o modelo de átomo de Bohr, postulando que os elétrons são partículas que apresentam propriedades de ondas, cujo comportamento pode ser explicado por suas funções de onda. Tais funções foram desenvolvidas por Schrödinger e preveem os diferentes níveis que o elétron pode assumir no átomo e as exatas energias associadas. Isso significa que cada tipo determinado de átomo pode ser excitado sempre em quantidades bem definidas através da absorção de um tipo determinado de fóton de comprimento de onda específico. Em 1953, Charles Hard Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziram o primeiro maser (microwave amplification through stimulated emission of radiation), um dispositivo similar ao laser, que produz micro-ondas, em vez de luz visível. O maser de Townes não tinha capacidade de emitir as ondas de forma contínua. Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov, da União Soviética, laureados com o Prêmio Nobel de Física em 1964, trabalharam de forma independente em um oscilador e resolveram o problema da emissão continua, utilizando duas fontes de energia, com níveis diferentes. Em 1959, Gordon Gould usou pela primeira vez o acrônimo LASER no artigo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. A intenção linguística de Gould era usar a palavra "-aser" como um sufixo para denotar com precisão o espectro da luz emitida pelo aparelho de laser, deste modo: raios-X, Xaser, ultravioleta: uvaser. No ano seguinte, Theodore Harold Maiman produziu o primeiro laser, um laser de três níveis, que utilizava um cristal de rubi como meio ativo. O rubi a laser produz luz pulsada na ordem de milissegundos com comprimento de onda de 694.3 nm, que corresponde à cor vermelha.

  

  Dimensões das fendas dos CD's e DVD's

  Através desse experimento é possível visualizar o efeito da difração e padrões de interferência formados por feixe de luz laser e de diodos led ao atravessar a rede de difração presente nas de mídias como CDs ou DVDs. 

  

  Aparato experimental de acesso remoto

  

  Difração Laser para L = 10,0(5)cm

  

  Difração LED Branco Alto Brilho para L = 10,0(5)cm

  

  Difração LED Violeta para L = 10,0(5)cm

• Ripple Tank Simulation URL
• Interferência numa fenda dupla URL