Thomas Young’s Double Slit Experiment

Thomas Young’s Double Slit Experiment – Java Tutorial

Em 1801, um físico inglês chamado Thomas Young realizou uma experiência que inferiu fortemente a natureza ondulatória da luz. Porque acreditava que a luz era composta por ondas, Young raciocinou que algum tipo de interacção ocorreria quando duas ondas de luz se encontrassem. Este tutorial interactivo explora a forma como ondas de luz coerentes interagem quando passam por duas fendas estreitamente espaçadas.

O tutorial inicializa-se com os raios do sol a serem passados através de uma única fenda num ecrã para produzir luz coerente. Esta luz é então projectada noutra tela que tem fendas duplas (ou duplas), que mais uma vez difunde a iluminação incidente à medida que esta passa. Os resultados da interferência entre os feixes de luz difratados podem ser visualizados como distribuições de intensidade luminosa no filme escuro. O selector rotulado Distância entre fendas pode ser utilizado para variar a distância entre as fendas e produzir variações correspondentes nos padrões de distribuição da intensidade da interferência.

A experiência de Young baseou-se na hipótese de que se a luz fosse de natureza ondulada, então deveria comportar-se de forma semelhante a ondulações ou ondas num tanque de água. Quando duas ondas de água opostas se encontram, deveriam reagir de uma forma específica para se reforçarem ou destruírem uma à outra. Se as duas ondas estiverem em degrau (as cristas encontram-se), então devem combinar-se para fazer uma onda maior. Em contraste, quando duas ondas se encontram fora do degrau (a crista de uma encontra a calha de outra), as ondas devem cancelar e produzir uma superfície plana nessa área.

Para testar a sua hipótese, Young concebeu uma experiência engenhosa. Utilizando a luz solar difratada através de uma pequena fenda como fonte de iluminação coerente, ele projectou os raios de luz que emanavam da fenda para outra tela contendo duas fendas colocadas lado a lado. A luz que passava através das fendas era então autorizada a cair sobre uma tela. Young observou que quando as fendas eram grandes, espaçadas muito afastadas e próximas da tela, formaram-se então duas manchas de luz sobrepostas na tela. No entanto, quando reduziu o tamanho das fendas e as aproximou, a luz que passava através das fendas e para o ecrã produzia faixas distintas de cor separadas por regiões escuras numa ordem de série. Young cunhou o termo franjas de interferência para descrever as faixas e percebeu que estas faixas coloridas só podiam ser produzidas se a luz agisse como uma onda.

A configuração básica da experiência da dupla fenda é ilustrada na Figura 1. A luz vermelha filtrada derivada da luz solar é primeiro passada através de uma fenda para se obter um estado coerente. Ondas de luz que saem da primeira fenda são então incidentes sobre um par de fendas posicionadas próximas umas das outras numa segunda barreira. É colocado um ecrã na região atrás das fendas para capturar raios de luz sobrepostos que passaram através das fendas gémeas, e um padrão de faixas de interferência vermelho vivo e escuro torna-se visível no ecrã. A chave para este tipo de experiência é a coerência mútua entre as ondas de luz difratadas das duas fendas na barreira. Embora Young tenha conseguido esta coerência através da difracção da luz solar da primeira fenda, qualquer fonte de luz coerente (tal como um laser) pode ser substituída pela luz que passa através da única fenda.

A frente de onda coerente da luz que impacta nas fendas gémeas é dividida em duas novas frentes de onda que estão perfeitamente em sintonia entre si. As ondas de luz de cada uma das fendas devem percorrer uma distância igual para atingir o ponto A no ecrã ilustrado na Figura 1, e devem atingir esse ponto ainda em passo ou com o mesmo deslocamento de fase. Uma vez que as duas ondas que chegam ao ponto A possuem os requisitos necessários para uma interferência construtiva, devem somar-se para produzir uma franja de interferência vermelha brilhante no ecrã.

Em contraste, nenhum dos pontos B no ecrã está posicionado equidistante das duas fendas, pelo que a luz deve percorrer uma distância maior de uma fenda até chegar ao ponto B do que da outra. A onda que emana da fenda mais próxima do ponto B (tomar por exemplo a fenda e o ponto B do lado esquerdo da figura 1) não tem tanto distância para viajar até ao seu destino como uma onda que viaja a partir da outra fenda. Como consequência, a onda da fenda mais próxima deve chegar ao ponto B ligeiramente à frente da onda a partir da fenda mais distante. Uma vez que estas ondas não chegarão ao ponto B em fase (ou em passo uma com a outra), sofrerão uma interferência destrutiva para produzir uma região escura (franja de interferência no ecrã. Os padrões de franja de interferência não se limitam a experiências com a configuração de dupla fenda, mas podem ser produzidos por qualquer evento que resulte na divisão da luz em ondas que possam ser canceladas ou adicionadas em conjunto.

O sucesso da experiência de Young foi um forte testemunho a favor da teoria da onda, mas não foi imediatamente aceite pelos seus pares. Os acontecimentos ocorridos por detrás de fenómenos como o arco-íris de cores observado nas bolhas de sabão e nos anéis de Newton (a serem discutidos abaixo), embora explicados por este trabalho, não foram imediatamente óbvios para os cientistas que acreditavam firmemente que a luz se propagava como um fluxo de partículas. Outros tipos de experiências foram mais tarde concebidos e realizados para demonstrar a natureza ondulatória da luz e os efeitos de interferência. Os mais notáveis são a experiência de espelho único de Humphrey Lloyd e as experiências de espelho duplo e bi-prisma concebidas por Augustin Fresnel para luz polarizada em cristais uniaxial e birefringente. Fresnel concluiu que a interferência entre feixes de luz polarizada só pode ser obtida com feixes que tenham a mesma direcção de polarização. Com efeito, ondas de luz polarizada tendo as suas direcções de vibração orientadas paralelamente umas às outras podem combinar-se para produzir interferência, enquanto que as que são perpendiculares não interferem.