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Fenda Dupla de Young (1801)
O estudo detalhado da luz e de suas propriedades começou com Newton na segunda metade do século XVII. Ao descrever o comportamento da luz, Newton a considerava como que formada por minúsculas partículas. A lei da reflexão, por exemplo, podia ser facilmente descrita considerando uma bola se chocando contra uma parede.
Outros físicos, como Huygens, adotavam um modelo ondulatório para a luz e conseguiam também descrever todos os fenômenos ópticos observados até então. Foi apenas no início do século 19 que o primeiro experimento para demonstrar o caráter ondulatório (e destruir o corpuscular) da luz foi feito, e é sobre ele que falaremos agora.
Antes de prosseguirmos vamos nos lembrar do que é o fenômeno da interferência. Suponha que você e um amigo seguram uma corda, cada um em uma extremidade. Se você levantar e baixar a mão rapidamente, gerando um pulso de onda que se propaga em direção ao seu amigo e ele fizer o mesmo, gerando um pulso que se propaga em sua direção, o que irá acontecer quando os dois pulsos se encontrarem no meio da corda? Interferência!
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Se os dois pulsos se encontrarem “em fase”, isto é: ambos para cima ou ambos para baixo, ocorre uma interferência construtiva, e a amplitude do pulso resultante é o dobro da inicial. Se, ao invés disso, os pulsos estiverem em inversão de fase (um para cima e outro para baixo) ocorrerá uma interferência destrutiva, e a onda “desaparecerá”. A figura ao lado ilustra o fenômeno da interferência em uma onda bidimensional, no caso temos |
duas fontes gerando ondas na superfície da água. Olhando com atenção percebemos regiões onde as ondas se cancelam (interferência destrutiva) e outras onde elas se somam (interferência construtiva).
O fato crucial é que interferência é um fenômeno estritamente ondulatório. Se colocarmos duas bolas de futebol para se chocarem é claro que não podemos fazer com que o resultado seja nenhuma bola, como no caso da interferência destrutiva. O experimento de fenda dupla de Young é semelhante ao mostrado na figura acima sendo que feito com luz!
A armação experimental consiste em uma fonte de luz (Laser), um anteparo com uma fenda, para que o Laser através de um processo de difração se abra, como se a fenda fosse uma fonte puntiforme de luz, de acordo com o princípio de Huygens, um anteparo com duas fendas, onde cada uma das fendas se comporta como uma nova fonte de luz, e um anteparo final, onde será observado o padrão (imagem) formado pela luz. Observe o esquema na figura abaixo.
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Cada ponto do anteparo (anteparo final) recebe a luz vindo de dois pontos distintos (as duas fendas do anteparo anterior), a diferença do percurso da luz proveniente de cada uma das fendas até o ponto de observação faz com que ocorra uma diferença de fase entre as ondas. Nos pontos onde as duas ondas chegam em oposição de fase ocorre interferência destrutiva e então não é observada luz nenhuma, já nos pontos onde as ondas provenientes das duas fendas chegam em concordância de fase ocorre interferência construtiva e uma faixa brilhante aparece no anteparo.
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Na figura ao lado estamos detalhando as duas fendas (A e B) bem como os raios de luz provenientes desta fenda com destino a algum determinado ponto no anteparo.
Como tipicamente a distância entre as fendas e o anteparo final é muito maior do que a abertura entre as fendas (d), os raios emergentes podem ser considerados paralelos e a diferença de percurso é imediatamente calculada por  . Onde na figura a diferença de percurso é o trecho AC. |
Quando essa diferença é um número impar de meio comprimento de onda ocorre que as duas ondas chegam em oposição de fase, o que caracteriza uma interferência destrutiva... O padrão final observado no anteparo é uma seqüência de faixas luminosas (onde ocorre interferência construtiva) e escuras (destrutivas), como ilustra a figura abaixo. |
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A realização desse experimento histórico deu grande peso à hipótese ondulatória da luz. Muitas outras versões desse experimento foram feitas posteriormente com algumas
implementações. Para se ter uma idéia da sua importância desse experimento, o físico e prêmio Nobel norte americano Richard Feyman declarou certa vez que esse simples experimento resumia toda a essência e todos os mistérios da mecânica quântica.
É importante lembrar que Einstein em 1905 para explicar o efeito foto elétrico considerou a luz como partículas, os fótons, dando início a famosa dualidade onda-partícula existente em toda a mecânica quântica.
O auge de todas as verões já realizadas desse experimento foi feita em 1989 pelo físico alemão Akira Tonomura quando foi observado um padrão de interferência num experimento de fenda duplas com elétrons enviados um a um! Isto é duplamente espantoso: primeiro pelo fato de o elétron, tido como uma partícula, também apresentar o caráter ondulatório, ao sofrer interferência, e o segundo consiste no grande enigma da mecânica quântica: mesmo quando enviamos um elétron de cada vez é observado o padrão de interferência! Ou seja: um só elétron interfere com ele mesmo, como se ele ao mesmo tempo tivesse passado pelas duas fendas!
Esse vídeo (4Mb) com explicação em inglês mostra um filme do experimento real realizado por Tonomura, onde os elétrons vão chegando um a um no anteparo e, após um certo tempo, é visto o padrão de interferência.
A versão mais interessante desse experimento, contudo, é aquela que você pode fazer em casa! O único equipamento necessário é um apontador laser, daqueles vendidos em qualquer esquina. O procedimento: arranque um fio do seu cabelo e o estique firmemente. Vá para algum cômodo bem escuro e fique de frente a alguma parede clara, a cerca de 3 m dela, aponte o laser para a parede, você deverá ver apenas uma bolinha vermelha; agora estique seu fio de cabelo alguns centímetros na frente do laser, numa direção perpendicular à de propagação do laser. Mire o laser para passar como que cortando o fio, ele funcionará como uma fenda dupla, a parte do feixe que atravessa o cabelo por um dos lados interfere com aquela que o atravessa pelo outro lado, dando origem a um padrão de interferência como o mostrado na figura abaixo: |
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Boa sorte!
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