Interferenza di luce visibile (esperimento di Young )

Un po’ di terminologia:

Onda: un’onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e nel tempo, normalmente con un trasferimento di energia e di informazione ma non di materia.

Matematicamente, la più semplice forma di onda è l’onda sinusoidale (o onda armonica) u descritta dalla relazione:

y(x,t)=y0sen(kx-ωt)

dove y è l’onda che si propaga lungo l’asse x all’istante t.

Le grandezze esprimono:

La frequenza, lunghezza d’onda e velocità di propagazione sono legate dalla relazione:

λf= c

L'interferenza (richiami)
L’interferenza è un fenomeno per cui la sovrapposizione di due (o più) onde, con specifiche relazioni fra loro, determina una particolare distribuzione di intensità dell’onda risultante.

Il principio di sovrapposizione (valido per ogni tipo di onda) stabilisce che l’onda risultante in ogni punto dello spazio è data dalla somma di tutte le onde che arrivano in quel punto.

Quando la sovrapposizione delle onde avviene sotto condizioni particolari, si ha una distribuzione particolare di intensità dell’onda risultante: una figura d’intergerenza.

Nel caso della luce visibile l’interferenza è un fenomeno ottico che produce zone di maggiore o minore luminosità (dette frange d’interferenza) che possono essere raccolte su uno schermo.

Nelle figure sottostanti riporto due esempi di onde che inteferiscono in fase e quindi il risultato e' un'aohda la cui ampiezza e' la somma delle ampiezze.

A destra interferiscono in opposizione di fase e il risultato e' un'onda di ampiezza nulla.

Diffrazione e Interferenza:

Non c’è alcuna distinzione fisica tra diffrazione ed interferenza, in generale si parla di interferenza quando si tratta della sovrapposizione di poche onde.

Quando un fronte d’onda passa attraverso una sottile fenditura esso di sparpaglia: avviene un fenomeno di diffrazione.

Ciò si comprende alla luce del principio di Huygens che stabilisce che ogni punto della fenditura può essere considerato come sorgente di onde secondarie.

L’ammontare dello sparpagliamento dipende dalle dimensioni della fenditura in relazione alla lunghezza d’onda dell’onda incidente.

Se le dimensioni della fenditura sono comparabili con la lunghezza d’onda, la diffrazione è notevole.

Il fascio di luce del puntatore laser illumina le due fenditure, le cui dimensioni assicurano una notevole diffrazione.

I fronti d’onda diffratti dalle due fenditure si sovrappongono e si ha interferenza.

Ciascuna delle due fenditure è una sorgente di luce coerente e della stessa lunghezza d’onda, essendo derivata dalla singola sorgente del fascio laser.

La luce laser diffratta dalle due fenditure interferisce costruttivamente o distruttivamente: si crea una figura
d’interferenza (frange chiare e scure) che può essere raccolta su uno schermo.

Lo figura successiva illustra il processo.

Schema di un esperimento di interferenza alla Young con due fenditure.

La differenza di “cammino ottico” fra due sottili fasci è data da

s1Z=s•sin θ.

La figura d’interferenza, dovuta alla sovrapposizione della luce laser diffratta dalle due fenditure, appare
sullo schermo come un’alternanza di zone (frange) chiare e scure.

Le frange chiare (scure) sono causate da interferenza costruttiva
(distruttiva).

Le frange massimamente luminose accadono nei punti in cui c’è interferenza completamente costruttiva;

la differenza di cammino ottico è nλ (dove n = 0, 1, 2...).

Le frange massimamente scure accadono nei punti in cui c’è interferenza completamente distruttiva;

la differenza di cammino ottico e': (2n+1)λ/2 (dove n = 0, 1, 2... ).

Dallo schema precedente, nel caso della prima frangia chiara (quella centrale) la differenza di cammino ottico è data da s1Z=l(n=1)

Usando la trigonometria si ha:

Lo schema dell’esperimento proposto è illustrato nella figura seguente

Con il righello si misurano la distanza W tra la la frangia chiara centrale (prima) e quella chiara successiva (seconda) e la distanza D tra le fenditure e lo schermo.

Se il valore di s (distanza fra le fenditure) è stato stimato, è possible stimare la lunghezza d’onda della luce del puntatore laser usato. Oppure, se λ è nota, si può ottenere s

Alcune note
L’apparato sperimentale proposto permette di osservare l’interferenza attraverso una chiara figura di frange chiare e scure. Ciò illustra la natura ondulatoria della luce e può servire per introdurre il tema dei modelli corpuscolare e ondulatorio entrambi necessari per descrivere e render conto di diversi fenomeni (es. diffrazione ed interferenza).

La figura seguente illustra una nota storica.

All’inizio del secolo XIX Thomas Young dimostrò per primo l’interferenza della luce nel caso di due sottili fenditure molto vicine.
Il disegno accanto è stato presentato da T. Young alla Royal Society di Londra nel 1803 .Thomas Young spiegò il risultato del suo esperimento come un fenomeno di interferenza di onde diffratte dalle due fenditure e, quindi, che la luce si propaga come onda.
Tra il 1815 ed il 1818 Augustin-Jean Fresnel studio a fondo il fenomeno della diffrazione, sicché la
teoria ondulatoria della luce, proposta per primo da C. Huygens, si affermò definitivamente.