Experimento de interferencia de Young - Young's interference experiment
El experimento de interferencia de Young , también llamado interferómetro de doble rendija de Young , fue la versión original del experimento moderno de doble rendija , realizado a principios del siglo XIX por Thomas Young . Este experimento jugó un papel importante en la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz . A juicio del propio Young, este fue el más importante de sus muchos logros.
Teorías de la propagación de la luz en los siglos XVII y XVIII
Durante este período, muchos científicos propusieron una teoría ondulatoria de la luz basada en observaciones experimentales, incluidos Robert Hooke , Christiaan Huygens y Leonhard Euler . Sin embargo, Isaac Newton , que hizo muchas investigaciones experimentales de la luz, había rechazado la teoría ondulatoria de la luz y desarrolló su teoría corpuscular de la luz según la cual la luz se emite desde un cuerpo luminoso en forma de partículas diminutas. Esta teoría prevaleció hasta principios del siglo XIX a pesar del hecho de que muchos fenómenos, incluidos los efectos de difracción en los bordes o en las aberturas estrechas, los colores en películas delgadas y las alas de los insectos, y la aparente incapacidad de las partículas de luz para chocar entre sí cuando dos Los rayos de luz cruzados no podían ser explicados adecuadamente por la teoría corpuscular que, sin embargo, tenía muchos partidarios eminentes, incluidos Pierre-Simon Laplace y Jean-Baptiste Biot .
El trabajo de Young sobre la teoría de las ondas
Mientras estudiaba medicina en Göttingen en la década de 1790, Young escribió una tesis sobre las propiedades físicas y matemáticas del sonido y, en 1800, presentó un artículo a la Royal Society (escrito en 1799) donde argumentó que la luz también era un movimiento ondulatorio. Su idea fue recibida con cierto escepticismo porque contradecía la teoría corpuscular de Newton. No obstante, continuó desarrollando sus ideas. Creía que un modelo de ondas podría explicar mucho mejor muchos aspectos de la propagación de la luz que el modelo corpuscular:
Una clase muy extensa de fenómenos nos lleva aún más directamente a la misma conclusión; Consisten principalmente en la producción de colores por medio de láminas transparentes, y por difracción o inflexión, ninguna de las cuales ha sido explicada sobre el supuesto de emanación, de una manera lo suficientemente minuciosa o completa para satisfacer al más sincero incluso de los defensores de la sistema de proyectiles; mientras que, por otro lado, todos ellos pueden entenderse a la vez, por el efecto de la interferencia de luces dobles, de una manera casi similar a la que constituye en el sonido la sensación de un latido, cuando dos cuerdas que forman un unísono imperfecto, son escuchado vibrar juntos.
En 1801, Young presentó un famoso artículo a la Royal Society titulado "Sobre la teoría de la luz y los colores", que describe varios fenómenos de interferencia. En 1803, describió su famoso experimento de interferencia. A diferencia del experimento moderno de doble rendija , el experimento de Young refleja la luz solar (usando un espejo de dirección) a través de un pequeño orificio y divide el haz delgado por la mitad con una tarjeta de papel. También menciona la posibilidad de pasar luz a través de dos rendijas en su descripción del experimento:
Suponiendo que la luz de un color determinado consista en ondulaciones de una amplitud determinada o de una frecuencia determinada, se deduce que estas ondulaciones deben estar sujetas a los efectos que ya hemos examinado en el caso de las ondas de agua y los pulsos de agua. sonar. Se ha demostrado que se puede ver que dos series iguales de ondas, que proceden de centros cercanos entre sí, destruyen los efectos de la otra en ciertos puntos, y en otros puntos los redoblan; y el latido de dos sonidos se ha explicado a partir de una interferencia similar. Ahora vamos a aplicar los mismos principios a la unión alterna y extinción de colores.
Para que los efectos de dos porciones de luz puedan combinarse así, es necesario que se deriven del mismo origen y que lleguen al mismo punto por caminos diferentes, en direcciones que no se desvíen mucho entre sí. Esta desviación puede producirse en una o ambas porciones por difracción, por reflexión, por refracción o por cualquiera de estos efectos combinados; pero el caso más simple parece ser, cuando un rayo de luz homogénea incide sobre una pantalla en la que hay dos orificios o rendijas muy pequeñas, que pueden considerarse como centros de divergencia, de donde la luz se difracta en todas direcciones. En este caso, cuando los dos haces recién formados se reciben en una superficie colocada de modo que los intercepte, su luz se divide por franjas oscuras en porciones casi iguales, pero haciéndose más anchas a medida que la superficie está más alejada de las aberturas, de modo que subtiende ángulos casi iguales desde las aberturas en todas las distancias, y más anchos también en la misma proporción en que las aberturas están más cerca entre sí. El medio de las dos porciones es siempre claro, y las franjas brillantes de cada lado están a tal distancia, que la luz que les llega de una de las aberturas debe haber pasado por un espacio más largo que el que procede de la otra, por un intervalo que es igual a la amplitud de una, dos, tres o más de las supuestas ondulaciones, mientras que los espacios oscuros intermedios corresponden a una diferencia de media ondulación supuesta, de una y media, de dos y media, o más.
De la comparación de varios experimentos, parece que la amplitud de las ondulaciones que constituyen la luz roja extrema debe suponerse, en el aire, alrededor de una 36 milésima de pulgada, y las del violeta extremo alrededor de una 60 milésima; la media de todo el espectro, con respecto a la intensidad de la luz, es aproximadamente una 45 milésima. De estas dimensiones se deduce, calculando sobre la velocidad conocida de la luz, que casi 500 millones de millones de las más lentas de tales ondulaciones deben entrar en el ojo en un solo segundo. La combinación de dos porciones de luz blanca o mixta, cuando se ve a gran distancia, exhibe algunas franjas blancas y negras, correspondientes a este intervalo: aunque, al examinarlas más de cerca, aparecen los distintos efectos de un número infinito de franjas de diferente amplitud. para ser combinados, para producir una hermosa diversidad de tintes, pasando gradualmente entre sí. La blancura central se cambia primero a un amarillento, y luego a un color leonado, seguido por el carmesí, y por el violeta y el azul, que juntos aparecen, cuando se ven a la distancia, como una franja oscura; después de esto aparece una luz verde, y el espacio oscuro más allá tiene un tono carmesí; las luces siguientes son todas más o menos verdes, los espacios oscuros morados y rojizos; y la luz roja parece predominar hasta ahora en todos estos efectos, que las franjas rojas o violetas ocupan casi el mismo lugar en las franjas mixtas como si su luz se recibiera por separado.
La figura muestra la geometría de un plano de visión de campo lejano . Se ve que las trayectorias relativas de la luz que viaja desde las dos fuentes puntuales hasta un punto dado en el plano de visión varían con el ángulo θ, de modo que sus fases relativas también varían. Cuando la diferencia de camino es igual a un número entero de longitudes de onda, las dos ondas se suman para dar un máximo en el brillo, mientras que cuando la diferencia de camino es igual a la mitad de una longitud de onda, o una y media, etc., entonces las dos ondas cancelar, y la intensidad es mínima.
La separación lineal (distancia) - entre franjas (líneas con brillo máximo) en la pantalla viene dada por la ecuación:
donde es la distancia entre la rendija y la pantalla, es la longitud de onda de la luz y es la separación de la rendija como se muestra en la figura.
El espaciamiento angular de las franjas, θ f , viene dado por
donde θ f << 1, y λ es la longitud de onda de la luz. Puede verse que el espaciamiento de las franjas depende de la longitud de onda, la separación de los orificios y la distancia entre las rendijas y el plano de observación, como señaló Young.
Esta expresión se aplica cuando la fuente de luz tiene una sola longitud de onda, mientras que Young usó la luz solar y, por lo tanto, estaba mirando las franjas de luz blanca que describe anteriormente. Se puede considerar que un patrón de franjas de luz blanca está compuesto por un conjunto de patrones de franjas individuales de diferentes colores. Todos ellos tienen un valor máximo en el centro, pero su espaciado varía con la longitud de onda, y los patrones superpuestos variarán en color, ya que sus máximos ocurrirán en diferentes lugares. Normalmente sólo se pueden observar dos o tres franjas. Young usó esta fórmula para estimar la longitud de onda de la luz violeta en 400 nm y la de la luz roja en aproximadamente el doble, resultados con los que estaríamos de acuerdo hoy.
En los años 1803–1804, apareció en la Edinburgh Review una serie de ataques sin firmar contra las teorías de Young . El autor anónimo (que luego se reveló como Henry Brougham, fundador de Edinburgh Review ) logró socavar la credibilidad de Young entre el público lector lo suficiente como para que un editor que se había comprometido a publicar las conferencias de la Royal Institution de Young se retirara del trato. Este incidente llevó a Young a centrarse más en su práctica médica y menos en la física.
Aceptación de la teoría ondulatoria de la luz.
En 1817, los teóricos corpusculares de la Academia de Ciencias de Francia, que incluía a Siméon Denis Poisson, estaban tan seguros que fijaron el tema del premio del año siguiente como la difracción, con la certeza de que un teórico de partículas lo ganaría. Augustin-Jean Fresnel presentó una tesis basada en la teoría ondulatoria y cuya sustancia consistía en una síntesis del principio de Huygens y el principio de interferencia de Young .
Poisson estudió la teoría de Fresnel en detalle y, por supuesto, buscó una forma de demostrar que era un defensor de la teoría de partículas de la luz. Poisson pensó que había encontrado un defecto cuando argumentó que una consecuencia de la teoría de Fresnel era que existiría un punto brillante en el eje en la sombra de un obstáculo circular que bloquea una fuente puntual de luz, donde debería haber oscuridad total según la teoría de partículas de la luz. La teoría de Fresnel no podía ser cierta, declaró Poisson: seguramente este resultado era absurdo. (El punto de Poisson no se observa fácilmente en situaciones cotidianas, porque la mayoría de las fuentes de luz cotidianas no son buenas fuentes puntuales. De hecho, es fácilmente visible en la imagen telescópica desenfocada de una estrella moderadamente brillante, donde aparece como un punto central brillante dentro una matriz concéntrica de anillos de difracción).
Sin embargo, el jefe del comité, Dominique-François-Jean Arago pensó que era necesario realizar el experimento con más detalle. Moldeó un disco metálico de 2 mm en una placa de vidrio con cera. Para sorpresa de todos, logró observar el lugar predicho, lo que convenció a la mayoría de los científicos de la naturaleza ondulatoria de la luz. Al final, Fresnel ganó la competencia.
Después de eso, la teoría corpuscular de la luz fue vencida, y no se volvió a escuchar de ella hasta el siglo XX. Arago señaló más tarde que el fenómeno (que a veces se llama la mancha de Arago ) ya había sido observado por Joseph-Nicolas Delisle y Giacomo F. Maraldi un siglo antes.
Ver también
Referencias
Notas al pie
Citas