Licht (2)

Inhoud

Het lichtspectrum met golflengten in vacuüm.

Buiging & interferentie

Net als alle golven vertonen lichtgolven BUIGING (= DIFFRRACTIE): het licht kan "achter het hoekje" van een obstakel buigen.

Net als alle golven vertonen lichtgolven INTERFERENTIE: lichtgolven kunnen elkaar versterken (constructieve interferentie) en uitdoven (destructieve interferentie).

Wanneer een ruw maar onregelmatig oppervlak glimt, dan krijg je een wazige reflectie. Maar als het oppervlak een regelmatig patroon vertoont én de oneffenheden een grootte hebben in de buurt van de golflengte van het invallend licht, dan krijg je iets speciaals. Je ziet dan een deel normale reflectie en een deel diffractie. Bovendien is die diffractie afhankelijk van de golflengte van het licht. Vandaar dat je alle kleuren van de regenboog ziet als je licht laat invallen op een cd.

Een diffractierooster is een barrière waarin heel veel spleetjes zitten, bv. 500 spleetjes per millimeter. De breedte van de spleetjes is van de grootte- orde van de golflengte van licht.

Als je dan achtereenvolgens wit, rood, groen en blauw licht door zo’n rooster stuurt, krijg je dergelijke diffractiepatronen.

Dit patroon onstaat door constructieve en destructieve interferentie van lichtgolven die doorheen de verschillende spleetjes gaan en daar buiging ondergaan.

Merk op dat de plaatsen van constructieve en destructieve interferentie bij de verschillende kleuren niet op dezelfde plaats liggen. Logisch want diffractie hangt af van de golflengte van de golf.

OPDRACHT

Bekijk de prachtige video over diffractie waarin de auteur diffractiepatronen creëert met alledaagse dingen.

EXPERIMENT

We maken zelf diffractiepatronen.

EXPERIMENT voor thuis

Hou twee vingers héél dicht bij elkaar en kijk door de smalle opening naar een lichtbron, zoals een straatlantaarn of gloeilamp. Welk type patroon zie je? Hoe verandert het wanneer je de vingers een beetje verder uit elkaar beweegt? Is het duidelijker voor een monochromatische bron, zoals het gele licht van een natriumdamplamp, dan voor een gloeilamp?

Dunne laag interferentie

Ooit afgevraagd waarom je allerlei kleuren ziet in een olievlek of op een zeepbel?
Het antwoord: dunne laag interferentie.

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Light Mixing van oPhysics. Maak eerst wit licht door alle kleuren samen te voegen.

Welke kleur krijg je dan als je ...

blauw verwijdert?
rood verwijdert?
groen verwijder?

Welke kleur krijg je als je ...

blauw verwijdert? ➡ GEEL
rood verwijdert? ➡ CYAAN
groen verwijder? ➡ MAGENTA

Dit zijn (ongeveer) de kleuren die je ziet als je naar een zeepbel kijkt.

Het tweespletenexperiment

Het interferentie-experiment van Thomas Young uit de vroege jaren 1800 toonde overtuigend aan dat licht wel degelijk een golfverschijnsel is.

Young liet licht vallen door 2 smalle spleten en observeerde wat er op een scherm gebeurde. Als 1 van de spleten was afgedekt, kreeg hij een typisch buigingspatroon. Als de 2 spleten open waren, kreeg hij een typisch interferentiepatroon.

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Young’s Double Slit van Javalab en simuleer het experiment van Young.

Bekijk wat er gebeurt als je de golflengte van het licht verandert. Bekijk wat er gebeurt als je de afstand van de spleten tot het scherm verandert.

Het typische diffractiepatroon dat Young kreeg bestond uit donkere en lichte banden op het scherm. Het is niet moeilijk om te bepalen waar precies die banden op het scherm ontstaan.

Als het scherm zich op een grote afstand bevindt vergeleken met de afstand tussen de spleten, dan is de hoek (θ) tussen het pad en een lijn van de spleten naar het scherm voor elk pad nagenoeg hetzelfde. We kunnen dan uitgaan van evenwijdige lichtstralen.

Als d de afstand is tussen de spleten, dan is het wegverschil van de 2 lichtstralen tot het scherm:

∆L = d sin(θ)

Constructieve interferentie krijg je als het wegverschil van de 2 lichtstralen tot het scherm:

met n = 0, 1, −1 ,2 ,−2, …

Destructieve interferentie krijg je als het wegverschil van de 2 lichtstralen tot het scherm:

met n = 0, 1, −1 ,2 ,−2, …

Voor diffractieroosters geldt dezelfde argumentatie maar bij dergelijke roosters zijn de lijnen die je op het scherm ziet scherper. Typische diffractieroosters voor zichtbaar licht hebben enkele honderden tot enkele duizenden lijnen per millimeter.

Als licht door een diffractierooster gaat, krijg je beurtelings heldere en donkere gebieden omwille van resp. constructieve en destructieve interferentie van lichtstralen die onder een hoek (θ) buigen.

Constructieve interferentie treedt op als:

Destructieve interferentie treedt op als:

Hierin is:

θ de hoek waaronder de lichtstraal buigt.
λ de golflengte van het licht.
d de (regelmatige) afstand tussen de spleten in het diffractierooster.
n = 0, 1, −1 ,2 ,−2, … (de zgn. orde)

OEFENING

We sturen licht van een He-Ne laser door twee spleten die 0,0100 mm van elkaar verwijderd zijn. We meten dat de derde heldere lijn (orde n = 3) op een scherm wordt gevormd onder een hoek van 10,95º ten opzichte van de invallende bundel. Wat is de golflengte van het licht?

OPLOSSING

θ = 10,95º
n = 3
d = 0,0100 mm

Gebruik deze formule:

Invullen en je vindt:

λ = 6,33∙10−4 mm = 633 nm (rood)

OEFENING

Ga verder met de vorige oefening en bereken de afstand (x) tussen het centrale maximum en de derde heldere lijn op een scherm dat zich op een afstand D = 0,678 meter bevindt van het diffractierooster.

OPLOSSING