Semana 3
Nesta semana iremos estudar em mais detalhes a difração por uma fenda simples. Desta vez mediremos o espectro de difração, isto é, intensidade luminosa em função do ângulo de difração em relação à direção inicial do feixe de laser.
Atividade preparatória para a tomada de dados
Apresente o gráfico dos dados obtidos para a rede de difração, na semana anterior, com o modelo apropriado ajustado. Apresente a densidade da rede de difração, em linhas/cm, obtida do ajuste realizado.
Arranjo experimental e medidas
ALINHAMENTO DO SISTEMA ÓTICO É FUNDAMENTAL! utilize algum tempo da sua medida para pensar na melhor forma de alinhar o sistema ótico.
Fotos do arranjo experimental são mostradas nas figuras 1 à 3. Na figura 1 temos uma foto global do arranjo. Na figura 2 são mostrados os detalhes do fotosensor, do colimador de luz e da lente de focalização. NÃO É NECESSÁRIO UTILIZAR AS LENTES DE FOCALIZAÇÃO. Preste atenção nisto. A figura 3 mostra detalhes do laser, da fenda de alinhamento e de uma segunda lente de focalização. Assim, como no caso anterior, muitas vezes as medidas ficam melhores sem esta lente.
Figura 1 - Arranjo experimental
Figura 2 - Arranjo experimental com detalhes para as fendas
Figura 3 - Arranjo experimental com detalhes para o laser.
A aquisição de dados será feita utilizando o sofware DataStudio (na sala 112) ou Capstone (na sala do LabFlex). O Capstone é a evolução do DataStudio, parece ser um pouco mais simples de utilizar. A intensidade de luz será lida com o foto-sensor e a posição do braço (ângulo) será lida com um sensor de rotação atrelado ao prato giratório. GIRE O PRATO DEVAGAR. Uma tomada de dados típica deve levar cerca de 20 segundos. Faça algumas tentativas antes de tomar os dados em definitivo.
O procedimento básico para tomar os dados é:
- Posicione a fenda do slide a ser estudada no centro do espectrômetro. Fique atento ao alinhamento. UTILIZE A MESMA FENDA SIMPLES DA SEMANA ANTERIOR.
- Alinhe o feixe de laser. Ele deve incidir perpendicularmente na fenda e bem alinhado com a origem do sistema de medida angular.
- Ajuste a sensibilidade do fotosensor para 10X. Neste caso, a intensidade para o pico principal da difração pode estar saturada. O que fazer nesta região? Remover os dados ou tomar um outro conjunto de dados com sensibilidade menor e substituir nesta região? Não dá para medir todo o espectro na sensibilidade de 1X pois não é sensível o suficiente para medir vários picos de difração.
- Selecione o colimador mais estreito (COLIMADOR 1) na abertura do fotosensor. Isto garante maior precisão angular. Depois você deve repetir as medidas com os colimadores 4 e 6 para comparar os resultados.
- No caso do sensor de posição, selecionar a sensibilidade de 1440 divisões/grau. O valor do ângulo de medida pode ser obtido através da expressão ÂNGULO = LEITURA DO SENSOR DE POSIÇÃO / 60. O leitor assume como zero a posição do braço quando se inicia uma tomada de dados. Pode ser necessário corrigir as leituras caso o braço não esteja na origem no início da tomada de dados. Sempre compare a leitura de ângulo do sensor de posição com a escala graduada no prato do espectrômetro para garantir que a leitura está correta.
- Ajuste a frequência de amostragem para algo próximo de 20 Hz.
- Inicie uma tomada de dados. Guarde os dados em um arquivo para análise. Um exemplo típico de intensidade em função do ângulo pode ser visto na figura 4. Note que em uma boa medida dá para observar um número razoavelmente grande de picos de difração (em escala log).
- Adquira espectros também utilizando o colimador intermediário e o colimador mais aberto (somente dentre os retangulares) na abertura do fotosensor (COLIMADORES 4 e 6). Compare estes resultados para discutir o efeito da escolha do colimador nos espectros obtidos.
Figura 4 - Espectro típico obtido.
No caso de uma fenda simples, ajuste a expressão teórica que estabelece a relação entre intensidade e ângulo de difração. Faça o ajuste adequado e extraia as dimensões da fenda a partir deste ajuste. O Ajuste é razoável? Faça testes de chi2 e discuta este aspecto da sua análise. Compare o valor da espessura da fenda obtida com este método com a espessura obtida na semana anterior através das medidas de posição de máximo e mínimo.
Compare também as amplitudes relativas entre os máximos de difração com o esperado para uma transformada de Fourier de uma onda quadrada. Note que a transformada de Fourier se dá no campo elétrico e você está medindo intensidade.