Misurazione delle lunghezze d'onda del laser: 4 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Ciao a tutti, benvenuti in un altro istruibile! Questa volta volevo creare un tutorial davvero semplice che puoi fare come progetto serale o nel fine settimana. Come parte del mio continuo apprendimento sulla spettrofotometria, ho sperimentato con reticoli di diffrazione e monocromatori, e mi sono imbattuto nell'"esperimento della doppia fenditura di Young". Questa è un'osservazione affascinante su come la luce viaggia (in onde) e rivela l'effetto della diffrazione per diverse lunghezze d'onda della luce.

Ho deciso di provare a replicare l'esperimento per scoprire da solo come funzionava con alcuni puntatori laser e vedere se potevo far funzionare l'esperimento.

Fase 1: Prerequisiti e sicurezza

I laser sono davvero fantastici, ma un avvertimento prima di continuare! Guardare un laser o un forte raggio collimato può accecarti. Ove possibile, consiglierei l'uso di occhiali di sicurezza con filtro colorato per evitare che i raggi vaganti danneggino gli occhi.

I puntatori laser sono spesso venduti come "giocattoli per gatti" e mi piace stuzzicare il mio gatto con questo, ma ho trovato quello verde molto forte (quasi troppo luminoso da guardare). Dichiarano anche di avere una potenza inferiore a 5 mW, ma ho riscontrato una grande disparità tra le intensità di ciascun colore (potrei creare un misuratore di potenza ottico per misurarlo in un'istruzione separata?). Dubito che l'etichetta corrisponda alla realtà, che scopriremo presto quando misuriamo le lunghezze d'onda.

Ho acquistato i seguenti materiali per l'esperimento:

• x3 puntatori laser (rosso, verde, blu)
• Una replica
• Una diapositiva reticolo di diffrazione (500 linee per mm)
• Carta e penne
• Impugnature Bulldog
• Righello di misurazione
• Occhiali di sicurezza

Passaggio 2: configurazione dell'attrezzatura

Il supporto deve essere impostato in modo che il puntatore laser sia rivolto verso il basso verso il reticolo di diffrazione. Il laser passerà attraverso il reticolo e sarà proiettato su un pezzo di carta in basso (lo schermo). Per configurarlo segui questi semplici passaggi:

1. Metti un pezzo di carta nella parte inferiore del supporto per creare uno schermo
2. Posizionare il braccio inferiore del supporto della storta a circa 10 cm sopra il supporto
3. Attacca la griglia di diffrazione al braccio inferiore e fissala con una presa bulldog
4. Posizionare il braccio superiore sopra il reticolo di diffrazione (la distanza sopra il reticolo non ha importanza)
5. Attaccare il laser al braccio superiore in modo che sia puntato in modo che il raggio passi attraverso il reticolo di diffrazione
6. Metti la tua attrezzatura di sicurezza e poi sei pronto a sparare dei laser!

Fase 3: Esperimento

Per trovare la lunghezza d'onda del laser è necessario misurare la separazione delle frange. Per farlo segui questo metodo:

1. Quando i laser colpiscono la carta (schermo) scrivi con una penna dove si verificano i punti luminosi (questi sono noti come dita). Assicurati di annotare quello centrale e quelli su entrambi i lati.
2. Ripetere il passaggio 1 per ogni colore, segnando le frange sulla carta
3. Una volta fatto questo per tutti i laser, misura la distanza tra la frangia centrale e la prima frangia accanto ad essa (questa è nota come frangia del 1° ordine).

(Noterai che c'è una discrepanza tra l'immagine e ciò che ho registrato nei miei risultati in seguito. Questo perché l'ho fatto alcune volte per determinare l'incertezza nella misurazione).

Ma come si collega questo alla lunghezza d'onda? L'equazione è lambda = (a * x) / d, dove "lambda" è la lunghezza d'onda in metri, "a" è la distanza tra le fenditure nel reticolo di diffrazione, "x" è la separazione delle frange e "d" è la distanza tra lo schermo e la grata. Tutto questo è disponibile per essere sostituito nell'equazione per darti la lunghezza d'onda.

Ma potresti chiedere "come faccio a sapere cos'è 'a'?". Bene, se sappiamo che il reticolo ha 500 "linee" per mm, significa che ci sono 500.000 linee per m. Se dividiamo 1 m per 500.000 linee, otteniamo la distanza tra loro che è 2 µm. Insieme a x e d possiamo ora calcolare la lunghezza d'onda.

Ricorda che tutte queste distanze sono in metri. La lunghezza d'onda è solitamente espressa in nanometri (10^-9 m), quindi dovrai considerare se vuoi convertire la tua risposta in nanometri o semplicemente esprimere è un qualcosa per 10^-9.

Passaggio 4: risultati

Ho ripetuto questo esperimento per questo istruibile per produrre il grafico sopra. Nella tabella puoi vedere due righe (min e max). Queste sono lunghezze d'onda massime e minime che sono indicate sui laser stessi, quindi sapevo approssimativamente quale dovrebbe essere la lunghezza d'onda per vedere se ho ottenuto la risposta giusta.

Guardando i calcoli, le mie misurazioni non rientrano nei limiti massimo e minimo ma sono almeno coerenti. La differenza tra il misurato e l'atteso era tra il 4% e il 10%. Non ho fatto una misurazione completa dell'incertezza, ma è ovvio che ci sarà incertezza introdotta dalle tecniche di misurazione (es. misurare la distanza dallo schermo non perfettamente perpendicolare, ecc.). Anche con qualche errore non giustificato, credo che questa sia una corretta rappresentazione delle lunghezze d'onda effettive e dimostri perfettamente l'esperimento della doppia fenditura.

Se sei interessato a vedere il set completo dei risultati, ho allegato il file excel che puoi utilizzare per eseguire le tue misurazioni. Ora sto giocando con lenti e riflettori di collimazione, fammi sapere se saresti interessato a un istruibile su questo, e fammi sapere cosa ne pensi di questo rapido istruibile nei commenti.