L’interferenza 05.c L’interferenza Thomas Young UK 1773 – 1829 Albert Abraham Michelson USA 1852 – 1931 T. Young è stato uno dei padri della teoria ondulatoria della luce. Si è anche occupato di elasticità dei corpi e di altri temi scientifici, dalla fisiologia alla decrittazione dell’antico Egizio. A.A. Michelson è stato uno dei padri dell’interferometria moderna, e autore dell’esperimento che sancì la fine della teoria dell’etere di Maxwell. 05.c L’interferenza Principio di sovrapposizione r E r B Le equazioni di Maxwell in una regione priva di cariche hanno la forma: r ∇⋅E = 0 r r ∂B ∇×E = − ∂t r ∇⋅B = 0 r r 1 ∂E ∇×B = 2 c ∂t r k Si tratta di equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti, per le quali vale il principio di sovrapposizione: r r E1 , E 2 r r B1 , B2 sono soluzioni ⇒ r c1 E1 + c 2 r c1 B1 + c 2 r E2 r B2 è soluzione Una combinazione lineare di due soluzioni è ancora soluzione r r Attenzione: i coefficienti della combinazione devono essere gli stessi per E e B 05.c L’interferenza Principio di sovrapposizione Un esperimento di concetto Dalla sorgente O partono in direzioni diverse varie onde monocromatiche di uguale lunghezza d’onda. Con l’aiuto di componenti ottici (per esempio, specchi), i raggi vengono fatti convergere nel rivelatore R. ln O R Principio di sovrapposizione Il campo EM totale nel rivelatore R si trova sommando i campi EM associati ai raggi che provengono dalla sorgente O. r E(x , t ) = r B(x, t ) = ∑ n ∑ r E n exp [ i (k l n − ω t )] r Bn exp [ i (k l n − ω t )] n “Somma sui cammini” 05.c L’interferenza Principio di sovrapposizione r E(x , t ) = ∑ r E n exp [ i ( k l n − ω t) ] n La fase di ciascuna componente all’arrivo in R dipende dalla lunghezza del cammino seguito Le componenti che giungono in R con fasi simili si sommano costruttivamente e rafforzano il segnale le componenti che giungono in R con fasi opposte si sommano distruttivamente e indeboliscono il segnale Questo fenomeno è detto interferenza Andamento del segnale ricevuto in R in funzione del tempo: a) per due componenti in fase e b) per due componenti in opposizione di fase. 05.c L’interferenza Fisica sperimentale La diffrazione da singola fenditura Un’onda EM piana monocromatica incide su uno schermo con una singola fenditura di larghezza L. Le onde determinano una figura di diffrazione sullo schermo schermo h Io, λ Radiazione incidente D Singola fenditura rettangolare Un effetto analogo si osserva quando le onde di superficie di un liquido incontrano un ostacolo con una piccola apertura. 05.c L’interferenza La diffrazione da singola fenditura A Per il Principio di Huygens, quando l’onda piana incide sulla fenditura, ogni punto del fronte d’onda si comporta come una sorgente secondaria, dalla quale partono raggi in tutte le direzioni. O In base alla regola di somma sui cammini, il campo elettrico totale è dato dalla somma dei campi associati a ciascun raggio. r E(x , t ) = ∑ r E n exp [ i ( k l n − ω t) ] n In O convergono fasci che hanno percorso cammini simili. I raggi hanno perciò fasi simili; si ha una condizione di interferenza costruttiva e il campo totale si rafforza. Man mano che ci si allontana, i raggi percorrono cammini sempre più dissimili. Le fasi diventano perciò molto diverse; si ha una condizione di interferenza distruttiva e il campo totale si indebolisce. Quando d sen θ = λ , i raggi 1 e 2 arrivano in opposizione 2 di fase, perché nel trattino in rosso entra esattamente mezza lunghezza d’onda. Approssimando senθ ≈ θ, il limite oltre il quale il campo totale diventa molto piccolo è quindi θ ≈ λ 2d 05.c L’interferenza Fisica sperimentale La diffrazione da singola fenditura Qualcosa di simile accade con un piccolo foro circolare. Il diametro dell’immagine sullo schermo è inversamente proporzionale al diametro del foro. ∆x ≈ D ∆θ schermo Φ = L ∆θ ≈ Io, λ Radiazione incidente λ L D Foro o lente Lo stesso effetto di diffrazione si ottiene se al posto del foro c’è una lente. A causa della diffrazione, non si può determinare quanto è grande una stella guardandola col telescopio. La dimensione apparente ∆x dipende solo dal diametro L della lente e dalla lunghezza D del telescopio: ∆x ≈ Dλ L 05.c L’interferenza L’esperimento di Young Fisica sperimentale L’esperimento storico più famoso spiegato dalla “Somma sui cammini” è quello della doppia fenditura, realizzato per la prima volta da Young. y y x z Figura di interferenza sullo schermo Quando tra le due lenti si interpone un ostacolo opaco con due fenditure, sullo schermo appare un’immagine a righe. Nell’esperimento originale, condotto con luce bianca, le righe mostravano bordi colorati. L’interpretazione, in accordo col Principio di Huygens, è che le fenditure si comportino come sorgenti di onde secondarie. La sovrapposizione di queste onde determina la figura di interferenza. 05.c L’interferenza L’esperimento di Young Fisica sperimentale Il confronto con il comportamento delle onde sulla superficie dell’acqua convinse Young del fatto che la luce è un’onda. In un ondoscopio è possibile produrre onde piane monocromatiche sulla superficie dell’acqua contenuta in una vasca. L’immagine delle onde può essere proiettata su uno schermo ricorrendo a una lavagna luminosa. In queso esperimento, un’onda piana incontra due fenditure ravvicinate. Ciascuna fenditura si comporta come sorgente secondaria di onde circolari; la sovrapposizione di queste onde determina la figura di interferenza. Lo stesso effetto si nota tutte le volte che le onde incontrano ostacoli di dimensioni confrontabili con la lunghezza d’onda. In questa foto, si vede la figura di interferenza tra onde che passano tra gli scogli in prossimità della costa. 05.c L’interferenza Altri esperimenti classici di interferenza Fisica sperimentale E’ possibile realizzare molte varianti dell’esperimento di Young. Qui sono messi a confronto alcuni schemi di principio. Reticolo di diffrazione Negli esperimenti di Young, Fresnel e Lloyd, la figura di interferenza può essere ricondotta alla sovrapposizione delle onde provenienti da due sorgenti secondarie. Nel caso del reticolo di diffrazione, si devono immaginare molte sorgenti equispaziate. 05.c L’interferenza Fenomenologia L’interferenza di due fasci: l’intensità totale r E Se le due onde hanno la stessa polarizzazione, l’intensità totale dipende dallo sfasamento: φ I = I1 + I 2 + 2 r r E1 // E 2 r r E1 ⋅ E 2 = E1 E 2 I1 I 2 cos ( φ1 − φ2 ) kx φ = φ1 - φ2 Termine di interferenza r r E1 ⋅ E 2 = 0 Se le due onde hanno polarizzazioni ortogonali, il termine di interferenza si cancella: I = I1 + I 2 05.c L’interferenza Fenomenologia L’interferenza di due fasci: l’intensità totale I = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos φ stessa polarizzazione φ = φ1 - φ2 Radiazione monocromatica Frangia chiara: interferenza costruttiva φ=0 Frangia scura: interferenza distruttiva I max = I1 + I 2 + 2 I1 I 2 I min = I1 + I 2 − 2 I1 I 2 φ=π I max = 4 Io Se le due onde hanno uguale ampiezza Io : I min = 0 Quattro, non due! 05.c L’interferenza Fenomenologia L’interferenza di due fasci con la stessa polarizzazione I Nessuna interferenza I = 2 Io Con interferenza I max = 4 Io x I min = 0 L’interferenza non viola la conservazione dell’energia, ma ne determina una redistribuzione sui punti dello schermo approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. La diffrazione da singola fenditura: il calcolo del campo elettrico La diffrazione si spiega in termini di “somma sui cammini”. r r E(x , t ) = E o ∑ exp [ i (k l n − ω t )] = ... calcoli... n E (x , t ) ∝ Si sommano i campi elettrici corrispondenti a tutti i possibili percorsi, dalla fenditura al punto x sen α −i ω t e α ; α= πL x λD E/Eo 1.0 0.5 0.0 -0.5 -8 π -4π 0 α 4π 8π approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. La diffrazione da singola fenditura: il calcolo del campo elettrico La diffrazione si spiega in termini di “somma sui cammini”. sen α −i ω t E (x , t ) ∝ e ; α r r E ⋅ E* I (x ) = = ... calcoli ... 2 Zo L’intensità è proporzionale al modulo quadro del campo elettrico totale L2 sen α I (x ) = Io λD α 2 ; α= 4π 8π Cammini diversi, fasi diverse → interferenza distruttiva I / Imax 1.0 0.5 0.0 -8 π -4 π 0 α Cammini simili, fasi simili → interferenza costruttiva π πL x λD Approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. L’interferenza di due fasci: calcolo dell’intensità Due onde EM piane monocromatiche (di pari lunghezza d’onda) procedono nella stessa direzione x e incidono r r r sullo schermo S posto in x = 0. ( ) ( ) E x , t = E x , t + E 1 2 (x , t ) è data da: L’intensità I della radiazione totale r r* E⋅E I = Teoria 2 Zo Quindi: r E1 (x , t ) = r E 2 (x , t ) = Sostituendo: r E o1 e i (kx − ωt + φ1 ) r E o 2 e i (kx − ωt + φ 2 ) I = [( Er o1 ⇒ ) ) ( ) ] [( ) r r r ei φ1 + E o 2 ei φ 2 e i (kx − ωt ) ⋅ E o1 e −i φ1 + E o 2 e −i φ 2 e −i (kx − ωt ) 2 Zo r r r r E o1 ⋅ E o1 Eo2 ⋅ Eo2 I = + + 2 Zo 2 Zo I1 ( r r r E (x , t ) = E o1 ei φ1 + E o 2 ei φ 2 e i (kx − ωt ) r r r* E (x , t ) = E o1 e −i φ1 + E o 2 e −i φ 2 e −i (kx − ωt ) I2 r r E o1 ⋅ E o 2 e i ( φ1 − φ 2 ) + e − i ( φ1 − φ 2 ) 2 Zo ( Stessa polarizzazione ⇒ 2 ] ) I1 I 2 cos ( φ1 − φ 2 Polarizzazione ortogonale ⇒ 0 ) 1 05.d L’interferenza. θ Esercizi e complementi. L’esperimento di Young l = d sen θ 1 Esercizio In un certo esperimento di Young, è possibile assumere che le due fenditure si comportino come sorgenti di uguale intensità Io e identico stato di polarizzazione 2 d Determinare le posizioni di massima e di minima intensità. Determinare l’intensità sullo schermo in funzione di θ. La differenza di fase tra le due onde sullo schermo è dovuta al diverso cammino percorso: 2π φ1 − φ2 = k d sen θ = d sen θ λ Massimi di intensità: d sen θ = m λ Minimi di intensità: 1 d sen θ = m + λ 2 m numero intero relativo Nelle situazioni reali, è sempre θ << 1, sicché φ ≈ k d θ. Quindi: θ I = 2 Io 1 + 2 cos 2π θ o ; θo = λ d 2 05.d L’interferenza. θ Esercizi e complementi. L’esperimento di Young l = d sen θ 1 Esercizio In un certo esperimento di Young, è possibile assumere che le due fenditure si comportino come sorgenti di uguale intensità Io e identico stato di polarizzazione 2 d Determinare le posizioni di massima e di minima intensità. Determinare l’intensità sullo schermo in funzione di θ. Massimi di intensità: d sen θ = m λ Il percorso in eccesso del raggio 1 corrisponde a un multiplo intero della lunghezza d’onda Minimi di intensità: 1 d sen θ = m + λ 2 Il percorso in eccesso del raggio 1 corrisponde a un multiplo semintero della lunghezza d’onda approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. L’esperimento di Young: l’effetto della diffrazione I / Ιo 4 Fisica sperimentale L’intensità calcolata per l’esperimento di Young è: 3 θ I = 2 Io 1 + 2 cos 2π θ o 2 θo = ; λ d 1 Per la periodicità della funzione coseno, sembrerebbe che si possa trovare una sequenza illimitata di righe chiare e scure. 0 -4 -2 0 2 4 θ / θo Questo effetto di diffrazione è dovuto alla larghezza delle fenditure: più sono larghe, meno frange si possono osservare. 4 I / Ιo In un esperimento reale, invece, la figura di interferenza è limitata a una piccola regione dello schermo intorno al centro. 3 2 1 0 -4 -2 0 θ / θo 2 4 approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. L’esperimento di Young: l’effetto della diffrazione λ L I / Ιo 4 θo = Fisica sperimentale λ L λ d λ d 3 2 1 0 -4 -2 0 2 4 λ d θ / θo Radiazione monocromatica La distanza tra le fenditure d determina la separazione tra frange chiare e scure. La larghezza L delle fenditure determina la larghezza della figura di interferenza. approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fisica sperimentale L’esperimento di Young: l’effetto della lunghezza d’onda I / Ιo 4 θo = λ d λ d Blu λ blu d 3 2 1 0 -4 -2 0 2 x / xo 4 Rosso λ rosso d Luce bianca La distanza tra le frange dipende dalla lunghezza d’onda. Le frange blu sono più ravvicinate di quelle rosse. 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Il reticolo di diffrazione Esercizio Un’onda EM di lunghezza λ incide su uno schermo con N fenditure equispaziate. Ciascuna si comporta come una sorgente di uguale intensità Io. Determinare la distanza tra le frange chiare e la loro intensità. Se I primi due raggi giungono in fase sullo schermo, anche tutti gli altri giungeranno in fase. Nella condizione corrispondente alla prima frangia chiara, ad esempio, il percorso in eccesso dei raggi 2, 3… rispetto a 1 sarà: ∆s 2 = λ ; ∆s3 = 2 λ ; ... I massimi sono molto più stretti rispetto al caso della doppia fenditura In conseguenza, la distanza tra frange chiare ha la stessa espressione trovata per il caso di 2 fenditure: d sen θ = m λ I Nella condizione di interferenza costruttiva, il campo elettrico totale è determinato dalla somma di N campi uguali: r r E tot = N E L’intensità scala col quadrato del campo elettrico; si avrà perciò I tot = N 2 Io 0 λ d 2 λ d 3 λ d θ 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. La diffrazione di raggi x R S C C Esercizio In un esperimento di diffrazione x alla Bragg, la radiazione x (λ = 0.18 nm) generata dalla sorgente S incide su un cristallo C (passo reticolare a = 0.4 nm). Determinare il valore dell’angolo 2θ (definito in figura) per il quale si ha un massimo di intensità riflessa nel rivelatore R. Per osservare un massimo di intensità, la differenza di cammino tra i raggi riflessi dai piani cristallini adiacenti deve essere pari a un multiplo della lunghezza d’onda: 2 d senθ = n λ Formula di Bragg In questo caso, risolvendo per θ, si trovano I valori 2θ1 = 26.0° ; 2θ2 = 53.5° ; … d senθ 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fenomenologia La legge di Snell Un raggio luminoso che incide su un dielettrico trasparente è in parte riflesso e in parte trasmesso. Gli angoli di incidenza, riflessione e trasmissione sono valutati rispetto alla normale alla superficie. Il raggio trasmesso è detto rifratto, e il fenomeno per il quale cambia direzione è detto rifrazione. Aria o vuoto θi θr dielettrico θt Legge della riflessione: θi = θr Legge della rifrazione: sen θi = n sen θt Sperimentalmente, si osserva che l’indice di rifrazione n dei dielettrici comuni è compreso tra 1 e 2. Ad esempio, per l’acqua n = 1.3. Segue che: n = εr ⇒ ε r = n 2 << 80 Attenzione: la costante dielettrica alla frequenza del visibile (≈1014 Hz) è molto minore di quella elettrostatica! Ciò accade perché alle frequenze ottiche, le molecole non hanno tempo di ruotare seguendo il campo elettrico, ma solo di spostare al loro interno gli elettroni. Non conta più il dipolo elettrostatico, ma la polarizzabilità. 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. La riflessione Esercizio Ricavare la legge della riflessione utilizzando la regola di somma sui cammini. Fronte d’onda 1 2 Consideriamo due raggi incidenti sulla superficie riflettente. Il raggio 2 raggiunge la superficie con un ritardo di fase, dovuto al tratto in più che ha dovuto percorrere: ∆φ 2 = k o ∆l Dopo la riflessione, è invece il raggio 1 percorrere un tratto in più e ad accumulare ritardo di fase: ∆φ1 = k o ∆l ' Per la regola di somma sui cammini, l’intensità della radiazione in uscita è massima se i raggi tornano in fase. Ciò accade se ∆l = ∆l ' I triangoli rettangoli APB e AQB hanno allora due lati congruenti e sono perciò congruenti. Ne segue che hanno angoli uguali; da qui la conclusione che l’angolo di incidenza debba essere uguale a quello di riflessione. 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. La rifrazione Esercizio Ricavare la legge della rifrazione utilizzando la regola di somma sui cammini. Fronte d’onda 1 2 Consideriamo due raggi incidenti sulla superficie riflettente. Il raggio 2 raggiunge la superficie con un ritardo di fase, dovuto al tratto in più che ha dovuto percorrere: ∆φ 2 = k o ∆l = k o d sen θ i AB = d Dopo la rifrazione, è invece il raggio 1 percorrere un tratto in più e ad accumulare ritardo di fase. Ricordando che nel dielettrico, a causa della diversa velocità della luce, il numero d’onda è moltiplicato per l’indice di rifrazione n: ∆φ1 = k ∆l" = n k o ∆l" = n k o d sen θ t Per la regola di somma sui cammini, l’intensità della radiazione in uscita è massima se i raggi tornano in fase. Ciò accade se ∆φ1 = ∆φ2 ; sen θi = n sen θ t n k o d sen θ t = k o d sen θ i ; 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Gli interferometri Elettronica di misura Supporto per lenti e specchi Ammortizzatore Banco ottico Gli esperimenti di interferenza si realizzano montando i componenti su un banco ottico. Nei laboratori di ricerca si usano banchi massicci montati su ammortizzatori e dotati di fori per il montaggio. Spesso i componenti ottici sono dotati di manipolatori micrometrici per gli allineamenti di precisione. Le sorgenti più comuni sono i laser. approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fisica sperimentale Componenti ottici: Gli specchi dielettrici In molti casi, la qualità ottica degli specchi metallici è insufficiente, soprattutto a causa delle perdite di potenza. Si ricorre allora agli specchi dielettrici. Uno specchio dielettrico è costituito da un vetro ricoperto da uno o più strati sottili (spessore ≈ λ) di dielettrici con indice di rifrazione diverso (coating ottico). Riflessione esterna r Et Riflessione interna r Er r Er r Ei r Ei Il campo elettrico riflesso ha la stessa fase del campo elettrico incidente φr = φι r Et coating Il campo elettrico riflesso aumenta di π la fase rispetto al campo elettrico incidente φr = φi + π approfondimento 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fisica sperimentale Componenti ottici: Il beam splitter Il divisore di fascio (beam splitter) è un dispositivo ottico che permette di separare un raggio luminoso in due parti che seguiranno poi cammini diversi. Due prismi incollati formano un Beam splitter cube Specchio dielettrico semiriflettente T S R T R S I beam splitter possono anche essere usati alla rovescia, come ricombinatori di fascio. 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Esercizio In figura è mostrato un interferometro di Mc Zehnder, dotato di due specchi dielettrici semiriflettenti. Si supponga una geometria ideale. Se si accende la sorgente, quale dei due rivelatori viene eccitato dalla radiazione? R2 Visto che I bracci hanno lunghezze identiche, gli sfasamenti tra I raggi che arrivano ai rivelatori sono determinati solo dagli specchi. In figura sono riportate le variazioni di fase dopo ciascuna riflessione. Si noti che la riflessione interna sullo specchietto semiriflettente non determina variazione di fase. R1 I raggi arrivano sfasati di π sul rivelatore R1; si ha perciò interferenza distruttiva. La differenza di fase è invece 2π sul rivelatore R2. Si ha quindi interferenza costruttiva. Il rivelatore R1 resterà spento,mentre R2 sarà eccitato. S specchio 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Specchio semiriflettente Interferometro di Fizeau α Esercizio Un interferometro di Fizeau è montato come in figura. Determinare la lunghezza d’onda λ sapendo α = 2° e che la distanza tra due frange chiare è d = 9 µm. rivelatore S Supponiamo che in P si osservi una frangia chiara. Dunque, il raggio incidente 1 e il suo riflesso proveniente dallo specchio giungono in P con la stessa fase, che si può assumere pari a 0. Il raggio 2 giunge in Q dopo aver percorso in più, rispetto al raggio 1, un tratto di lunghezza d senα. Il ritardo di fase è quindi: Fascio riflesso P Q φ = k d sen α Il riflesso del raggio 2 giunge in Q dopo aver percorso in meno, rispetto al riflesso del raggio 1, un tratto di lunghezza d sena. L’anticipo di fase è quindi: 1 2 Fascio incidente φr = − k d sen α Affinché si osservi in Q la prima frangia chiara, la differenza di fase deve essere pari a 2π: ∆φ = φ − φr = 2 k d sen α = 2 2π d sen α = 2π λ ⇒ λ = 2d sen α = 630 nm 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fisica sperimentale Interferometro di Michelson specchio Riflessioni multiple per allungare il percorso della luce Lampada al sodio Beam splitter specchio Banco ottico specchio sorgente specchio Microscopio specchio Schema di principio Microscopio Mercurio specchio Supporto flottante Basamento L’interferometro di Michelson ha grande importanza storica perché permise di sconfessare la Teoria dell’etere, proposta da Maxwell. E’ molto usato ancora oggi, perché permette di determinare piccolissime differenze di lunghezza dei bracci grazie all’osservazione dello spostamento delle frange di interferenza. Nell’esperimento storico, la sensibilità era ≈ 20 nm. spostamento di una frangia, immagine al microscopio 05.d L’interferenza. Esercizi e complementi. Fisica sperimentale La scoperta delle Onde Gravitazionali Se un’onda gravitazionale investe un corpo, questo si allunga in una direzione e si contrae nell’altra. Per misurare le piccolissime variazioni di lunghezza, l’esperimento LIGO ha fatto ricorso all’interferometria in uno schema molto simile a quello di Michelson Il “corpo” in questione sono I due bracci di LIGO, lunghi ≈4 km. L’interferometro è tanto sofisticato da misurare oscillazioni nella loro lunghezza con ampiezze inferiori al diametro di un protone! Dettaglio dell’interferometro di LIGO 4 km