Medindo comprimentos de onda do laser: 4 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Olá a todos, bem-vindos a outro instrutível! Desta vez, eu queria fazer um instrutível realmente fácil que você possa fazer como um projeto noturno ou de fim de semana. Como parte do meu aprendizado contínuo em espectrofotometria, tenho feito experiências com grades de difração e monocromadores, e me deparei com "o experimento de dupla fenda de Young". Esta é uma observação fascinante sobre como a luz viaja (em ondas) e revela o efeito da difração para diferentes comprimentos de onda da luz.

Decidi tentar replicar o experimento para descobrir por mim mesmo como funcionava com alguns ponteiros laser e ver se conseguia fazer o experimento funcionar.

Etapa 1: Pré-requisitos e segurança

Lasers são muito legais, mas um aviso antes de continuarmos! Olhar para um laser ou um forte feixe colimado pode cegar você. Sempre que possível, eu recomendaria o uso de óculos de segurança com filtro de cor para evitar que raios soltos danifiquem seus olhos.

Os ponteiros laser costumam ser vendidos como "brinquedos para gatos" e adoro provocar meu gato com isso, mas achei o verde muito forte (quase brilhante demais para se olhar). Eles também professam ter menos de 5 mW de potência, mas descobri uma grande disparidade entre as intensidades de cada cor (posso fazer um medidor de potência óptica para medir isso em um instrutível separado?). Duvido que o rótulo corresponda à realidade, que logo descobriremos quando medirmos os comprimentos de onda.

Comprei os seguintes materiais para o experimento:

• x3 ponteiros laser (vermelho, verde, azul)
• Um suporte de retorta
• Um slide de grade de difração (500 linhas por mm)
• Papel e canetas
• Punhos de bulldog
• Régua de medição
• Óculos de segurança

Etapa 2: Configuração do equipamento

O suporte deve ser configurado de forma que o apontador laser esteja direcionado para a grade de difração. O laser passará pela grade e será projetado em um pedaço de papel na parte inferior (a tela). Para configurar isso, siga estas etapas simples:

1. Coloque um pedaço de papel na parte inferior do suporte para fazer uma tela
2. Coloque o antebraço do suporte da retorta cerca de 10 cm acima do suporte
3. Prenda a grade de difração na parte inferior do braço e prenda-a com uma empunhadura de bulldog
4. Coloque o braço acima da grade de difração (a distância acima da grade não importa)
5. Anexe o laser à parte superior do braço de modo que seja direcionado para que o feixe passe através da grade de difração
6. Coloque seu equipamento de segurança e, em seguida, esteja pronto para atirar alguns lasers!

Etapa 3: experimente

Para encontrar o comprimento de onda do laser, você precisa medir a separação da franja. Para fazer isso, siga este método:

1. Quando os lasers atingirem o papel (tela), escreva com uma caneta onde ocorrem os pontos de luz (conhecidos como dedos). Certifique-se de anotar o do meio e os dos dois lados.
2. Repita a etapa 1 para cada cor, marcando as franjas no papel
3. Depois de fazer isso para todos os lasers, meça a distância entre a franja do meio e a 1ª franja próxima a ela (isso é conhecido como a franja de 1ª ordem).

(Você notará que há uma discrepância entre a imagem e o que registrei em meus resultados posteriormente. Isso ocorre porque fiz isso algumas vezes para determinar a incerteza na medição).

Mas como isso se relaciona com o comprimento de onda? A equação é lambda = (a * x) / d, onde 'lambda' é o comprimento de onda em metros, 'a' é a distância entre as fendas na rede de difração, 'x' é a separação da franja e 'd' é a distância entre a tela e a grade. Tudo isso está disponível para você substituir na equação para fornecer o comprimento de onda.

Mas você pode perguntar "como sei o que é 'a'?". Bem, se sabemos que a grade tem 500 'linhas' por mm, isso significa que há 500.000 linhas por m. Se dividirmos 1m por 500.000 linhas, obtemos a distância entre eles que é 2 µm. Junto com xed podemos agora calcular o comprimento de onda.

Lembre-se de que todas essas distâncias estão em metros. O comprimento de onda é geralmente expresso em nanômetros (10 ^ -9 m), portanto, você precisará considerar se deseja converter sua resposta em nanômetros ou simplesmente expressar algo vezes 10 ^ -9.

Etapa 4: Resultados

Repeti este experimento para este instrutível para produzir o gráfico acima. Na tabela, você pode ver duas linhas (mín. E máx.). Esses são os comprimentos de onda máximos e mínimos indicados nos próprios lasers, então eu sabia aproximadamente qual deveria ser o comprimento de onda para ver se obtinha a resposta certa.

Olhando para os cálculos, minhas medidas não estão dentro dos limites máximo e mínimo, mas são pelo menos consistentes. A diferença entre o medido e o esperado ficou entre 4% e 10%. Eu não fiz uma medição de incerteza completa, mas é óbvio que haverá incerteza introduzida pelas técnicas de medição (ou seja, medir a distância até a tela não ser perfeitamente perpendicular, etc.). Mesmo com algum erro não explicado, acredito que esta é uma representação justa dos comprimentos de onda reais e demonstra perfeitamente o experimento de dupla fenda.

Se você estiver interessado em ver o conjunto completo de resultados, anexei o arquivo do Excel que você pode usar para realizar suas próprias medições. Estou agora no processo de brincar com lentes colimadoras e refletores, me diga se você teria interesse em um instrutível sobre isso, e me diga o que achou deste rápido instrutível nos comentários.