Física universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2
21Interferência de múltiplas ondas e redes de difração
Incline um disco compacto sob uma lâmpada e ele lança um arco-íris: sua espiral de sulcos, separados por um micrômetro e meio, é uma rede — milhares de minúsculas tiras refletoras, cada uma devolvendo uma cópia da onda, todas interferindo. Duas ondas dão as franjas suaves em dos últimos capítulos; mil dão franjas mil vezes mais estreitas, nítidas o bastante para separar dois comprimentos de onda que diferem de uma parte em cem mil. É o instrumento com o qual se leram a composição do Sol e a velocidade das galáxias, e que está em todo espectrômetro. Este capítulo soma ondas, deduz a equação das redes, sua dispersão e seu poder de resolução, e apresenta o outro dispositivo de múltiplas ondas, a cavidade de Fabry–Pérot, que se tornará o ressonador do laser.
21.1 Interferência de ondas
Teorema 21.1 ( ondas iguais em progressão aritmética de fase)
ondas coerentes de mesma amplitude , cada uma atrasada em relação à anterior de uma fase , se superpõem numa onda de amplitude e intensidade
máximos principais de intensidade onde (todas as ondas em fase), de semilargura angular em (os primeiros zeros estão em ), separados por máximos secundários não mais altos que cerca de dos principais para grande. Quanto mais ondas, mais finos e mais brilhantes os picos: a largura encolhe como , a altura cresce como , a energia (seu produto) como .
Demonstração. Amplitudes complexas , : uma série geométrica, . Zeros onde mas : , com não múltiplo de . Na representação por fasores as flechas se fecham num polígono regular nos zeros e se alinham nos máximos principais. ∎
21.2 A rede de difração
Proposição 21.2 (Equação das redes)
Uma rede é um conjunto de fendas idênticas, equidistantes e paralelas (ou de sulcos) de período . Uma onda plana incidente sob o ângulo em relação à normal é reemitida por cada fenda; na direção as ondas de fendas vizinhas têm a diferença de caminho , e elas se reforçam nas direções
— as ordens da rede. A ordem zero é o feixe não desviado para todo comprimento de onda; cada uma das outras ordens espalha os comprimentos de onda, com a dispersão angular
maior para uma rede mais fina e uma ordem mais alta; a ordem máxima é . Uma rede por reflexão (sulcos gravados num espelho) obedece à mesma equação com os ângulos refletidos.
Demonstração. A fase entre fendas sucessivas é ; os máximos principais do Teorema 21.1 estão em . Derive a , fixos. ∎
Exemplo 21.3 (Uma rede de sala de aula e um CD)
Uma rede de linhas por milímetro () sob incidência normal envia a luz de para , na primeira ordem, na segunda, e não tem terceira ordem (); seu espectro de primeira ordem vai de () a (). Um disco compacto, , é uma rede desse tipo em reflexão — daí o arco-íris, e o fato de um DVD () o espalhar mais. O vermelho de segunda ordem ( em ) se superpõe ao violeta de terceira ordem: as ordens se superpõem além da primeira, um incômodo que se cura com filtros ou com um prisma.
21.3 Poder de resolução
Proposição 21.4 (Poder de resolução de uma rede)
Dois comprimentos de onda próximos e ficam no limite da separação na ordem quando o máximo principal de um cai sobre o primeiro zero do outro (critério de Rayleigh), o que acontece para
o poder de resolução é a ordem vezes o número de linhas iluminadas. Ele também pode ser escrito com a largura da rede: a maior diferença de caminho ao longo da rede, em comprimentos de onda — razão pela qual os grandes espectrógrafos usam redes de dezenas de centímetros de largura e trabalham sob ângulos rasantes.
Demonstração. O máximo de ordem para está em para esse comprimento de onda, ou seja, em ; o primeiro zero do máximo para está em . Igualando: . Então . ∎
Exemplo 21.5 (Separar as linhas do sódio)
O dubleto, em , exige : mil linhas na primeira ordem, de uma rede de . Sua própria largura de linha, , exige : uma rede de na primeira ordem, ou na segunda — e uma rede de com na segunda ordem alcança , resolvendo : a largura de uma linha alargada pelo movimento térmico dos átomos, e o desvio Doppler de uma estrela que se move a .
21.4 A cavidade de Fabry–Pérot
Proposição 21.6 (Interferência de múltiplas ondas por divisão da amplitude)
Dois espelhos paralelos parcialmente refletores (refletância em intensidade ) separados por uma distância só transmitem uma onda sob incidência normal na medida em que as ondas que ricochetearam vezes entre eles se somam em fase: com a fase de ida e volta, a intensidade transmitida vale (função de Airy)
picos estreitos de transmissão total em (as ressonâncias da cavidade, espaçadas em frequência do intervalo espectral livre ), de largura relativa com a finesse — para , para . Ela iguala a rede em poder de resolução ( com , logo ) e, fechada sobre si mesma, é o ressonador do laser (Capítulo 23).
Demonstração. Cada ida e volta multiplica a amplitude por (a menos de uma fase constante); a amplitude transmitida é com ; seu módulo ao quadrado vale . Picos em ; meia altura onde , ou seja, , contra os entre picos. ∎
Método 21.7 (Cálculos com redes)
(1) Período ; equação das redes com os sinais dos ângulos. (2) Liste as ordens que existem () e verifique sua superposição ( contra ). (3) Dispersão , convertida numa posição sobre o detector com a distância focal: . (4) Poder de resolução com o número de linhas efetivamente iluminadas; compare com a estrutura a resolver. (5) Para instrumentos reais acrescente a largura da fenda de entrada (ela borra as linhas) e os pixels do detector.
21.5 Exercícios
Exercício 21.1 ★
Uma rede de linhas por milímetro sob incidência normal, : ângulos das ordens; ordem mais alta; largura angular do espectro visível de primeira ordem (–); a mesma rede sob incidência de : ordens de cada lado.
Solução
Solução de Exercício 21.1.
, : , , ; não há quarta ordem. O visível de primeira ordem vai de a : . Sob : : () de um lado, a (, , , , ) do outro.
Exercício 21.2 ★
O dubleto do sódio com uma rede de linhas/mm e uma lente de : separação angular e linear das duas linhas sobre o detector na primeira e na segunda ordens; tamanho de pixel necessário para distingui-las.
Solução
Solução de Exercício 21.2.
. Ordem 1: , , ; ordem 2: , , . Pixels de ou menores.
Exercício 21.3 ★
Poder de resolução de uma rede de com linhas/mm nas ordens , , ; menor resolvido em ; ela separa o dubleto do sódio? E a linha H do hidrogênio de sua gêmea do deutério ( de diferença)?
Solução
Solução de Exercício 21.3.
: , , ; , , ; o dubleto () e o par H/D (, que exige ) são separados com folga.
Exercício 21.4 ★
Um disco compacto () e um DVD () iluminados sob incidência normal: ângulos do violeta e do vermelho de primeira ordem; que ordens existem para cada um; por que o CD mostra dois arco-íris e o DVD um só?
Solução
Solução de Exercício 21.4.
CD: violeta , vermelho ; o vermelho existe até a ordem 2, o violeta até a ordem 4: dois arco-íris (parcialmente superpostos). DVD: violeta , vermelho ; o vermelho só tem a primeira ordem: um arco-íris, mais largo.
Exercício 21.5 ★★
O padrão de fendas. (a) Mostre que entre dois máximos principais há zeros e máximos secundários. (b) Para grande, intensidade do primeiro máximo secundário em relação ao principal (em ): cerca de . (c) Esboce o padrão para e e dê as alturas dos máximos secundários para . (d) Fração da energia total nos máximos principais para grande (compare as integrais do pico, de largura e altura , com o resto).
Solução
Solução de Exercício 21.5.
(a) Zeros em , : zeros e máximos entre eles. (b) Em , : de . (c) : um único máximo secundário em , de altura , um nono do principal ; : quatro máximos secundários de alguns por cento. (d) O lóbulo central de contém da energia.
Exercício 21.6 ★★
Ordens superpostas. (a) Mostre que a ordem de se superpõe à ordem de quando ; para –, a partir de que ordem? (b) Intervalo espectral livre na ordem : . (c) Um espectrógrafo trabalha na ordem perto de (uma rede echelle): intervalo espectral livre; como se elimina a superposição (dispersor cruzado)? (d) O intervalo espectral livre do Fabry–Pérot é : escreva-o em comprimento de onda e compare com o da rede.
Solução
Solução de Exercício 21.6.
(a) : a partir de . (b) . (c) ; um prisma cruzado com a rede empilha as ordens uma acima da outra. (d) , uma fração de nanômetro — centenas de vezes menor que o de uma rede.
Exercício 21.7 ★★
Rede com blaze. Uma rede por reflexão tem seus sulcos inclinados do ângulo de blaze para que cada faceta reflita especularmente na direção em que se quer a ordem . (a) Para a montagem de Littrow (): mostre que ; ângulo de blaze para em primeira ordem com linhas/mm. (b) Por que o blaze envia a maior parte da luz para uma única ordem (pense na envoltória da difração de uma única faceta, Capítulo 22)? (c) A mesma rede recebe um blaze para : em que ordem ela é eficiente em ? (d) Poder de resolução de uma rede de em Littrow com , (use ).
Solução
Solução de Exercício 21.7.
(a) , . (b) A faceta isolada difrata num lóbulo largo centrado em sua direção especular; as ordens que caem dentro dele recebem a luz. (c) Ordem 2 ( no mesmo ângulo). (d) .
Exercício 21.8 ★★
A fenda. A fenda de entrada de um espectrômetro, de largura , é imageada sobre o detector com ampliação ; a rede ( linhas/mm, , ordem , ) dispersa. (a) Largura de uma linha sobre o detector devida só à fenda, para , em nm. (b) Largura devida ao poder de resolução da rede. (c) Qual domina; largura de fenda para a qual as duas se igualam. (d) Por que não fechar mais a fenda?
Solução
Solução de Exercício 21.8.
(a) : valem . (b) : . (c) A fenda, por um fator nove; iguais em . (d) A difração na fenda e um detector faminto de luz.
Exercício 21.9 ★★
Fabry–Pérot. Espelhos com , , . (a) Ordem , intervalo espectral livre em frequência e em comprimento de onda. (b) Finesse; largura de um pico de transmissão em frequência e em comprimento de onda. (c) Poder de resolução ; compare com a rede de . (d) Por que um Fabry–Pérot é sempre usado com um pré-filtro ou uma rede?
Solução
Solução de Exercício 21.9.
(a) ; ISL , . (b) ; , . (c) , quatro vezes o da rede de . (d) Seu intervalo espectral livre é uma fração de nanômetro: as ordens se superpõem a menos que a luz seja pré-filtrada para uma delas.
Exercício 21.10 ★★★
O limite de uma rede. (a) Mostre que : o poder de resolução não pode ultrapassar a largura da rede em comprimentos de onda, vezes dois. (b) Interprete: a maior diferença de caminho entre os raios extremos. (c) Uma rede de em : máximo; menor velocidade resolvível por desvio Doppler (). (d) Por que os astrônomos ainda assim chegam a (pense em medir a posição de uma linha com uma fração de sua largura, sobre muitas linhas)?
Solução
Solução de Exercício 21.10.
(a) . (b) Os raios extremos diferem em caminho de , no máximo . (c) ; . (d) O centro de uma linha é localizado com um centésimo de sua largura, e mil linhas baixam a média de : metros por segundo, com uma estabilidade heroica.
Exercício 21.11 ★★★
Bragg. Um cristal é uma rede tridimensional: raios X refletidos por planos atômicos sucessivos separados por uma distância , sob o ângulo rasante , interferem construtivamente quando (Bragg). (a) Deduza isso da diferença de caminho entre dois planos. (b) A radiação K do cobre () sobre sal-gema (): os ângulos de Bragg. (c) Por que os comprimentos de onda visíveis não dão nenhuma reflexão de Bragg nos cristais, e o que a recíproca (nenhuma difração de raios X no vidro) diz sobre o vidro? (d) Por que é preciso que ?
Solução
Solução de Exercício 21.11.
(a) A onda refletida pelo plano inferior percorre a mais. (b) : , , . (c) : nenhum ângulo satisfaz a equação; o vidro não tem planos regulares, daí apenas anéis difusos — ele é amorfo. (d) .
Exercício 21.12 ★★★
Arranjo em fase. antenas idênticas alinhadas, espaçadas de , alimentadas com a mesma amplitude e um salto de fase entre vizinhas. (a) Mostre que o campo irradiado na direção é o da soma de ondas com : o feixe principal aponta para onde . (b) Semilargura do feixe principal, . (c) Por que é preciso para evitar um segundo feixe principal (um lóbulo de rede) ao orientar o feixe? (d) Um radar com elementos a , : largura do feixe; tempo para varrer em passos de uma largura de feixe se as fases comutam em .
Solução
Solução de Exercício 21.12.
(a) As vizinhas diferem em fase de pelo caminho e de pela alimentação; o máximo principal está em . (b) Primeiro zero em : . (c) Um segundo máximo principal em exige : isso é impossível para todo ângulo de apontamento apenas se . (d) : ; passos, .
21.6 Problema: um espectrógrafo para uma estrela
Problema 21.1
Problema de fim de semana — projetar o espectrógrafo que lê a luz de uma estrela: a rede, o detector, as linhas do hidrogênio e o bamboleio de um planeta
Um espectrógrafo: fenda de entrada, colimador de distância focal , uma rede por reflexão de linhas/mm e largura , uma câmera de , um detector com pixels de . Ele trabalha na primeira ordem, em torno de , com a rede sob incidência de .
Parte I — A rede.
- Período da rede; número de linhas iluminadas se o feixe cobre toda a largura.
- Ângulo de difração de na primeira ordem; de e de ; largura angular do espectro visível.
- Dispersão angular em ; dispersão linear sobre o detector em nm por mm e em nm por pixel.
- Poder de resolução; menor resolvido em ; em pixels.
- O violeta de segunda ordem cai sobre o visível de primeira ordem? Que filtro o elimina?
- Comprimento de detector necessário para todo o espectro visível na primeira ordem.
- A rede tem blaze a : para que comprimento de onda ela é mais eficiente na primeira ordem sob essa incidência (use a estimativa de Littrow )?
- A rede devolve da luz no comprimento de onda de blaze e o telescópio mais a óptica, : fração dos fótons da estrela que chegam ao detector.
Parte II — As linhas.
- As linhas de Balmer do hidrogênio da estrela: H , H , H : suas posições sobre o detector em relação a .
- A H de um átomo de deutério é mais curta: fica separada? De quantos pixels?
- O dubleto do sódio no espectro da estrela: separação em pixels; e a largura de cada linha se a atmosfera da estrela as alarga até .
- A fenda de entrada tem de largura, imageada com ampliação : sua largura sobre o detector em pixels e em nm; o espectrógrafo é limitado pela fenda ou pela rede?
- A luz do telescópio chega como um disco de no céu, que o telescópio () torna de largura na fenda: fração de luz perdida se a fenda for estreitada para (tome o disco como uniforme).
- Por que uma fenda mais estreita dá linhas mais nítidas mas espectros mais ruidosos?
Parte III — A estrela se move.
- Uma estrela se afasta a : desvio Doppler da H em nm e em pixels.
- O movimento orbital da Terra acrescenta ao longo do ano: por que ele deve ser subtraído, e com que precisão se se quer ?
- Um planeta faz sua estrela bambolear a : desvio em nm e em pixels; ele está abaixo da resolução? Explique como medir o centro de uma linha com um centésimo de sua largura, sobre mil linhas, o recupera (ganho estatístico ).
- A temperatura do instrumento muda de e a rede (vidro, dilatação ) se dilata: deslocamento das linhas em pixels; que estabilidade é preciso para ?
- Uma lâmpada de calibração (tório–argônio) põe centenas de linhas conhecidas sobre o mesmo detector: explique seu papel.
Parte IV — Alternativas.
- A mesma largura de rede gravada com linhas/mm e usada na quarta ordem (com um dispersor cruzado para separar as ordens): ângulo de difração, poder de resolução, dispersão e intervalo espectral livre em ; o que mudou, o que não mudou?
- Um etalon de Fabry–Pérot (, ) colocado antes da fenda: intervalo espectral livre em nm, finesse, largura dos picos; qual é o aspecto de seu pente de picos de transmissão sobre o detector, e para que ele serve?
- Um prisma de de vidro com tem a dispersão angular perto do desvio mínimo: compare com a da rede; por que as redes substituíram os prismas?
- Por que os maiores espectrógrafos astronômicos são construídos com redes de um metro de largura e usados sob grandes ângulos (o limite )?
- Uma estrela de magnitude 8 entrega fótons por segundo e por nanômetro no telescópio: fótons por pixel por segundo sobre o detector, e a relação sinal-ruído de uma exposição de (só o ruído de fótons).
- Resuma: os três números que descrevem um espectrógrafo (dispersão, poder de resolução, intervalo espectral livre) e o que determina cada um.
Solução
Solução de Problema 21.1.
1. ; .
2. (a ordem fica do outro lado da normal): a , a , a : de espectro.
3. ; : , ou seja, , por pixel.
4. : , um terço de pixel.
5. O de segunda ordem cai onde cairia o de primeira ordem, além do vermelho: nenhuma superposição no visível; a superposição começaria em , que um filtro de vidro elimina.
6. : um detector cobre uma fatia; gira-se a rede para escolhê-la.
7. .
8. .
9. Ângulos , , : , e em relação à posição de .
10. valem pixels: separadas.
11. pixels de separação, cada uma com pixels de largura.
12. , pixels, — vinte vezes o limite da rede: limitado pela fenda.
13. A imagem tem de largura: uma fenda de deixa passar metade da luz.
14. Menos luz para a mesma nitidez: o ruído de fótons cresce.
15. , pixels.
16. A velocidade da Terra desloca cada linha de até pixels ao longo do ano; ela é conhecida pelas efemérides muito melhor que os necessários para .
17. , pixel — muito abaixo da largura da linha. Um centroide com um centésimo de uma linha de dá ; mil linhas dão : pixel — o sinal, no limite. Os instrumentos reais acrescentam poder de resolução e estabilidade.
18. , , : meio pixel por kelvin — milikelvins para .
19. Suas linhas, registradas no mesmo instante sobre os mesmos pixels, dão a escala de comprimentos de onda e acompanham toda deriva.
20. , , mesmo ângulo (), , mesma dispersão, ISL : o poder de resolução e a dispersão dependem só de e do ângulo; o intervalo espectral livre encolheu.
21. ISL ( pixels); ; picos de de largura: um pente de linhas finas ao longo do detector, uma régua de comprimentos de onda.
22. contra : seis vezes menos, e o poder de resolução de um prisma () e sua escala não linear também perdem; as redes ainda funcionam no ultravioleta.
23. : para um metro em — a largura e o ângulo são os únicos caminhos para cima.
24. fótons por pixel por segundo; em : relação sinal-ruído .
25. A dispersão, fixada por e pela distância focal da câmera; o poder de resolução, pela largura iluminada e pelos ângulos (); o intervalo espectral livre, pela ordem ().