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Interferencia (doble rendija de Young) y difracción por una rendija

Dos fuentes coherentes (misma frecuencia y diferencia de fase constante) forman un patrón estable de franjas brillantes y oscuras. En un punto de la pantalla la diferencia de camino es Δ = yd/D: hay brillo donde Δ = nλ y oscuridad donde Δ = (n + ½)λ. Todas las franjas tienen el mismo ancho β = λD/d. Una sola rendija de ancho a produce difracción: un máximo central brillante de ancho 2λD/a, con los primeros mínimos donde a sen θ = λ, y máximos laterales más débiles.

🎬 Historia paso a paso

  1. La luz de una sola fuente llega a dos rendijas muy finas, S₁ y S₂. Las dos copias vienen de la misma onda, así que su diferencia de fase nunca cambia. Son fuentes coherentes.
  2. Las ondas de S₁ y S₂ se superponen. Donde una cresta se encuentra con otra cresta, la luz se suma: una banda brillante. Donde una cresta se encuentra con un valle, se anulan: una banda oscura. En la pantalla aparecen rayas.
  3. Ahora subimos un punto P por la pantalla. Su distancia a S₂ crece más que su distancia a S₁. Si el camino extra es un número entero de λ, P es brillante. Si es un número y medio, P es oscuro.
  4. Separamos poco a poco las rendijas (d crece). Las rayas se juntan. La interfranja β = λD/d se hace más pequeña.
  5. Ahora usamos una sola rendija más ancha. La luz se abre detrás de ella. La pantalla muestra una banda central ancha y brillante y bandas débiles a los lados. Esto es la difracción.
  6. Juego libre. Cambia λ, d, D y a. Prueba con fuentes incoherentes: las rayas desaparecen.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué dos bombillas no pueden formar franjas de interferencia?

La fase de cada bombilla cambia al azar millones de veces por segundo. El patrón de franjas salta demasiado rápido y el ojo ve luz uniforme. Las fuentes coherentes mantienen una diferencia de fase fija.

¿Por qué el centro siempre es brillante?

El centro está a la misma distancia de S₁ y de S₂. Las dos ondas llegan en fase (diferencia de camino cero), así que cresta se encuentra con cresta.

¿Cómo decide la diferencia de camino si hay brillo u oscuridad?

Si una onda recorre un número entero de longitudes de onda más, las crestas siguen alineadas (brillo). Si recorre media longitud de onda más, la cresta se encuentra con un valle (oscuridad).

¿Por qué las franjas se juntan cuando las rendijas se separan?

Con una d mayor, la diferencia de camino cambia más rápido al subir por la pantalla, así que llegas antes al siguiente punto brillante: β = λD/d.

¿Por qué la banda central de una rendija es tan ancha?

Se extiende desde la primera banda oscura de un lado (θ = −λ/a) hasta la primera banda oscura del otro (θ = +λ/a), así que es el doble de ancha que las bandas laterales.

¿A dónde va la luz en una franja oscura?

Va a las franjas brillantes. Las franjas brillantes reciben 4 veces la luz de una onda, las oscuras reciben cero, así que el promedio se mantiene igual.

Superposición y fuentes coherentes

Cuando dos ondas se encuentran, la perturbación total en un punto es la suma de las dos: es el principio de superposición. Si dos ondas de luz de amplitud a se encuentran con una diferencia de fase φ, la intensidad resultante es I = 4I₀ cos²(φ/2).

Para que el patrón sea estable, las fuentes deben ser coherentes: misma frecuencia y una diferencia de fase constante. Dos bombillas distintas no son coherentes: sus fases cambian al azar millones de veces por segundo, así que las franjas se mueven demasiado rápido para verlas y la pantalla se ve iluminada por igual (I = I₁ + I₂). Por eso Young dividió la luz de una sola fuente en dos rendijas. Un láser da luz muy coherente.

El experimento de la doble rendija de Young

Thomas Young (1801) hizo que la luz de una rendija estrecha cayera sobre dos rendijas paralelas muy próximas, S₁ y S₂ (separadas una distancia d). Puso una pantalla a una distancia D (D ≫ d). Vio bandas brillantes y oscuras igualmente espaciadas, llamadas franjas.

Diferencia de camino

Para un punto P a una altura y sobre el centro O, la distancia extra desde S₂ es Δ = S₂P − S₁P ≈ yd/D.

Franjas brillantes

Δ = nλ → yₙ = nλD/d (n = 0, 1, 2…). El centro O (n = 0) siempre es brillante.

Franjas oscuras

Δ = (n + ½)λ → yₙ = (n + ½)λD/d.

Interfranja (ancho de franja)

La distancia entre dos franjas brillantes (u oscuras) vecinas es

β = λD/d

Todas las franjas tienen el mismo ancho. El ancho angular es θ = λ/d.

¿Qué cambia las franjas?

Difracción por una rendija

La difracción es la desviación y el ensanchamiento de la luz alrededor del borde de una abertura pequeña o de un obstáculo. Se nota cuando la abertura no es mucho mayor que la longitud de onda.

Ilumina una sola rendija estrecha de ancho a. Imagina la rendija como muchas fuentes diminutas de Huygens puestas una junto a otra. Justo de frente, todas llegan en fase: el máximo central es brillante.

Primera banda oscura

En el ángulo donde la diferencia de camino entre el borde de arriba y el de abajo es λ, divide la rendija en dos mitades: cada punto de la mitad de arriba se anula con un compañero de la mitad de abajo. Así, el primer mínimo está en a sen θ = λ, o θ ≈ λ/a. Mínimos: a sen θ = nλ.

Ancho del máximo central

Va de −λ/a a +λ/a, así que el ancho angular es 2λ/a y en la pantalla

ancho del máximo central = 2λD/a

Es el doble de ancho que cada banda lateral, y los máximos laterales (cerca de a sen θ ≈ (n + ½)λ) son mucho más débiles. Una rendija más estrecha da una banda central más ancha.

Interferencia frente a difracción

InterferenciaDifracción (una rendija)
Se superponen ondas de dos fuentes coherentesSe superponen ondículas de distintas partes de una sola rendija
Todas las franjas tienen el mismo anchoEl máximo central es el doble de ancho que los demás
Todas las franjas brillantes tienen casi el mismo brilloEl brillo cae rápido al alejarse del centro
Las franjas oscuras son totalmente oscurasLos mínimos son oscuros, los máximos laterales son débiles

En una doble rendija real ocurren las dos cosas: las franjas de interferencia están dentro del ancho patrón de difracción de cada rendija.

Pruébalo: mira la difracción con tus dedos

Junta dos dedos muy cerca delante de un ojo, dejando un hueco fino como un pelo, y mira un tubo fluorescente brillante a través de él. Verás finas líneas oscuras a lo largo del hueco: es un patrón de difracción. Aprieta más el hueco: el patrón se ensancha (a menor, 2λD/a mayor). En el 3D, predice qué pasa con β si duplicas d y luego mueve el control deslizante para comprobarlo.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. En el experimento de Young, λ = 600 nm, d = 0.5 mm, D = 1 m. Calcula la interfranja.

Paso 1: β = λD/d. Paso 2: = 600 × 10⁻⁹ × 1 / 0.5 × 10⁻³. Paso 3: β = 1.2 × 10⁻³ m = 1.2 mm.

2. Con el mismo montaje (β = 1.2 mm), calcula la distancia al centro de la 3.ª franja brillante y de la 2.ª franja oscura.

Paso 1: 3.ª brillante: y = 3β = 3.6 mm. Paso 2: 2.ª oscura (n = 1): y = (1 + ½)β = 1.5 × 1.2 = 1.8 mm.

3. La interfranja es 2 mm con D = 1.2 m y d = 0.3 mm. Calcula la longitud de onda.

Paso 1: λ = βd/D. Paso 2: = 2 × 10⁻³ × 0.3 × 10⁻³ / 1.2. Paso 3: λ = 5 × 10⁻⁷ m = 500 nm.

4. ¿Qué le pasa a β = 1.2 mm si (a) se duplica D, (b) se duplica d, (c) se pone el aparato en agua (n = 4/3)?

Paso 1: β ∝ D, así que (a) β = 2.4 mm. Paso 2: β ∝ 1/d, así que (b) β = 0.6 mm. Paso 3: λ pasa a ser λ/n, así que (c) β = 1.2 × 3/4 = 0.9 mm.

5. En un punto P de la pantalla, la diferencia de camino es 1800 nm para luz de λ = 600 nm. ¿P es brillante u oscuro? ¿Y si λ = 720 nm?

Paso 1: 1800/600 = 3, un número entero → brillante (3.ª franja brillante). Paso 2: 1800/720 = 2.5 → un número y medio → oscuro.

6. Dos ondas coherentes, cada una de intensidad I₀, se encuentran con una diferencia de fase π/2. Calcula la intensidad resultante.

Paso 1: I = 4I₀ cos²(φ/2). Paso 2: = 4I₀ cos²(45°) = 4I₀ × ½. Paso 3: I = 2I₀.

7. Luz de λ = 500 nm cae sobre una rendija de ancho 0.2 mm. La pantalla está a 2 m. Calcula el ancho del máximo central.

Paso 1: ancho = 2λD/a. Paso 2: = 2 × 500 × 10⁻⁹ × 2 / 0.2 × 10⁻³. Paso 3: = 1 × 10⁻² m = 10 mm.

8. En un experimento de una rendija, el primer mínimo para luz roja (660 nm) está a 30°. Calcula el ancho de la rendija.

Paso 1: a sen θ = λ. Paso 2: a = 660 nm / sen 30° = 660/0.5. Paso 3: a = 1320 nm = 1.32 μm.

9. Se usan juntas dos longitudes de onda, 650 nm y 520 nm, en una doble rendija (d = 2 mm, D = 1.2 m). Calcula la menor distancia al centro donde coinciden sus franjas brillantes.

Paso 1: n₁ × 650 = n₂ × 520 → n₁/n₂ = 4/5. Paso 2: y mínima = 4 × 650 × 10⁻⁹ × 1.2 / 2 × 10⁻³. Paso 3: y = 1.56 × 10⁻³ m = 1.56 mm.

Errores comunes

Test de práctica

1. La interfranja en el experimento de la doble rendija de Young es:
2. Las fuentes coherentes deben tener:
3. Una franja oscura se forma donde la diferencia de camino es:
4. El ancho del máximo central en la difracción por una rendija es:
5. Si la separación d entre las rendijas se reduce a la mitad, la interfranja:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la fórmula de la interfranja?

β = λD/d, donde λ es la longitud de onda, D la distancia de las rendijas a la pantalla y d la separación entre las rendijas.

¿Qué son las fuentes coherentes?

Son fuentes que dan luz de la misma frecuencia con una diferencia de fase constante. En la práctica se consiguen dividiendo la luz de una sola fuente, como en la doble rendija de Young.

¿Cuál es el ancho del máximo central en la difracción por una rendija?

2λD/a en la pantalla (ancho angular 2λ/a), donde a es el ancho de la rendija. Es el doble del ancho de los otros máximos.

Dónde se estudia

Canada (Ontario)Grade 12E. The Wave Nature of Light
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Optional domains (choose two)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIWaves and optics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVWaves and optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
Ukraine11 класOptics
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Optics
England (GCSE, A level)Year 123.3 Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 2학년Light and communication
South Korea고등학교 2학년Light and matter
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
South Korea고등학교 3학년Waves and properties of matter
FranceTerminaleWaves and signals
FranceTerminalePhysics complement
Russia9 классElectromagnetic field and waves
Russia11 классOptics
Russia11 классOptics
China高二Selective 1 Ch.3 Mechanical waves
China高二Selective 1 Ch.4 Light

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