Interference

Interferência de luz é o fenômeno de várias ondas de luz interagindo umas com as outras sob certas circunstâncias, fazendo com que as amplitudes combinadas das ondas aumentem ou diminuam. Neste artigo, debatemos sobre a interferência construtiva e destrutiva das ondas de luz, o que causa a interferência e alguns exemplos e experimentos do mundo real que demonstram esse fenômeno.  

O que é interferência de ondas de luz?

Uma característica importante das ondas de luz é sua capacidade, sob certas circunstâncias, de interferir umas nas outras. A definição de interferência na física é a superposição de ondas, causando aumento ou diminuição na amplitude da onda resultante. A maioria das pessoas observa algum tipo de interferência óptica todos os dias, mas não percebe o que acontece para produzir esse fenômeno. Um dos melhores exemplos da interferência da luz é demonstrado pela luz refletida de uma película de óleo flutuando na água. Outro exemplo é a bolha de sabão ilustrada na Figura 1, que reflete uma variedade de belas cores quando iluminada por fontes de luz naturais ou artificiais.

Qual é a diferença entre interferência construtiva e destrutiva?

Essa interação dinâmica de cores deriva da reflexão simultânea da luz das superfícies interna e externa da bolha (Figura 1). As duas superfícies estão muito próximas (a bolha tem apenas alguns mícrons de espessura) e a luz refletida da superfície interna interfere de forma construtiva e destrutiva na luz refletida da superfície externa. Isso ocorre porque a luz refletida na superfície interna da bolha deve viajar mais longe do que a luz refletida na superfície externa. Quando as ondas de luz refletidas da superfície interna e externa se combinam, elas interferem umas nas outras, removendo ou reforçando algumas partes da luz branca por interferência destrutiva ou construtiva. Isso resulta nas variações visíveis de cor refletidas na bolha. Se a distância extra percorrida pelas ondas de luz internas for exatamente o comprimento de onda das ondas de luz externas, elas se recombinarão construtivamente e cores brilhantes desses comprimentos de onda serão produzidas. Em locais onde as ondas estão defasadas, ocorrerá interferência destrutiva, anulando a luz refletida (e a cor).

Como ocorre a interferência da luz?

A seguir temos é uma explicação de como as ondas de luz interferem umas nas outras. Considere um par de ondas de luz da mesma fonte que se propagam, por exemplo, na direção D. Esta é a direção de propagação (conforme ilustrado na Figura 2), e se as vibrações (que são perpendiculares à direção de propagação conforme representado por C na Figura 2) forem paralelas entre si e também paralelas em relação na direção da vibração, as ondas de luz podem interferir umas nas outras. Se as vibrações não estiverem no mesmo plano e estiverem vibrando a 90 graus uma da outra, elas não podem interferir uma na outra.

Interferência construtiva

Supondo que todos os critérios listados acima sejam atendidos, as ondas podem interferir entre si de forma construtiva ou destrutiva. Se as cristas de uma das ondas coincidem com as cristas da outra, as amplitudes são aditivas. Se as amplitudes de ambas as ondas forem iguais, a amplitude resultante seria dobrada. Lembre-se de que a intensidade da luz varia diretamente conforme o quadrado da amplitude. Assim, se a amplitude for dobrada, a intensidade é quadruplicada. Essa interferência aditiva é chamada de interferência construtiva (ilustrada na Figura 2).

Interferência destrutiva

Se as cristas de uma onda coincidirem com os vales da outra onda, a amplitude resultante diminui ou pode até ser completamente cancelada, conforme ilustrado na Figura 3. Isso é chamado de interferência destrutiva. O resultado é uma queda de intensidade ou, no caso de cancelamento total, escuridão.

Explore como duas ondas de luz podem se combinar para produzir interferência uma na outra.

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Exemplos de interferência

Thomas Young foi um físico do início do século 19 que demonstrou a interferência mostrando que a luz é um fenômeno ondulatório e também postulou que diferentes cores de luz eram feitas de ondas com diferentes comprimentos. Isso era contrário à opinião comum da época, que era amplamente tendenciosa em relação à teoria de que a luz é um fluxo de partículas. Em 1801, Young conduziu um experimento fornecendo evidências importantes de que a luz visível tem propriedades ondulatórias. Esse experimento clássico, muitas vezes chamado de "experimento da fenda dupla", originalmente usava a luz do sol que havia sido difratada por uma única fenda como fonte de luz. No entanto, descreveremos o experimento usando luz laser vermelha coerente.

O experimento da fenda dupla

A configuração básica do experimento de dupla fenda é ilustrada na Figura 4. A luz laser coerente é permitida para iluminar uma barreira contendo duas aberturas de pinholes que permitem apenas a passagem de parte da luz. Uma tela é colocada atrás das fendas e um padrão de faixas de interferência vermelhas e escuras torna-se visível na tela. O segredo para este experimento é a coerência mútua entre a luz difratada das duas fendas na barreira. 

Saiba como os padrões de interferência mudam com o comprimento de onda e o tamanho da fenda.

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O que são franjas de interferência?

À medida que a luz do laser é difratada pelas duas fendas de barreira, cada onda difratada encontra a outra em uma série de etapas, conforme ilustrado na Figura 4 (e graficamente no tutorial interativo descrito acima). Às vezes as ondas se encontram em sincronia (ou em fase; interferência construtiva), às vezes elas se encontram fora de sincronia (ou fora de fase; interferência destrutiva) e às vezes elas se encontram parcialmente em sincronia. Quando as ondas se encontram em sincronia, elas se somam devido à interferência construtiva e uma área clara é exibida na tela. Em áreas onde as ondas estão totalmente fora de sincronia, elas se subtrairão umas às outras devido à interferência destrutiva e uma área escura aparecerá nessa parte da tela. Os padrões resultantes na tela, um produto da interferência entre os dois feixes difratados de luz laser, geralmente são chamados de franjas de interferência.

Outros tipos de experimentos foram concebidos para demonstrar a natureza ondulatória da luz e dos efeitos de interferência. Os mais notáveis são o experimento de espelho único de Humphrey Lloyd e os experimentos de espelho duplo e biprisma concebidos por Augustin Fresnel. Esses experimentos são descritos em detalhes em muitos dos livros de física listados em nossa bibliografia.

Experiência dos anéis de Newton

Sir Isaac Newton, o famoso matemático e físico do século 17, foi um dos primeiros cientistas a estudar fenômenos de interferência. Em seu famoso experimento Anéis de Newton, ele colocou uma lente convexa de grande raio de curvatura em uma placa de vidro plana e aplicou pressão para manter a lente e a placa de vidro juntas. Quando ele viu as placas através da luz solar refletida, ele observou uma série de luz concêntrica e faixas escuras altamente coloridas de luz semelhantes às ilustradas na Figura 5. Newton reconheceu que os anéis indicavam a presença de algum grau de periodicidade e usou essa observação para sugerir uma teoria ondulatória da luz. Apesar disso, Newton considerava a luz como um fluxo de partículas.

Os anéis ocorrem por causa de uma fina camada de ar que existe entre as superfícies curvas convexa e plana do vidro. A luz refletida nas superfícies superior e inferior do vidro é sobreposta (combinada) e produz padrões de interferência que aparecem como anéis coloridos. Este princípio é muitas vezes usado pelos fabricantes de lentes para testar a uniformidade de grandes superfícies polidas.

Intensidade de interferência e distribuição de franja

As franjas de distribuição de intensidade de interferência (como aquelas observadas no experimento de dupla fenda de Young) variam em intensidade quando são apresentadas em um fundo uniforme. A visibilidade (V) da intensidade foi definida por Albert Michelson, um físico do início do século 20, como a diferença entre a intensidade máxima e mínima de uma franja dividida por sua soma:

V = I(máx.) - I(mín.)/I(máx.) + I(mín.)

onde I(máx.) é a intensidade máxima e I(mín.) é a intensidade mínima. A partir da equação, a intensidade da franja idealizada sempre fica entre zero e um, porém, na prática, a visibilidade da franja depende do desenho geométrico do experimento e da faixa espectral utilizada. Isso é responsável pela miríade de padrões de interferência observados em eventos que ocorrem naturalmente.

Cores de interferência decorrentes de regiões estressadas em materiais podem ser facilmente observadas em luz polarizada. A régua da Figura 6 é feita de plástico e está sendo observada através de polarizadores cruzados. Sob luz normal, a régua aparece translúcida com suas graduações claramente visíveis. No entanto, quando observada sob luz polarizada, a régua exibe padrões de tensão que parecem mais profundos em áreas mais altamente deformadas. Isso se deve ao alto grau de alinhamento das moléculas poliméricas de cadeia longa que compõem a régua. Observe que o maior grau de birrefringência ocorre próximo ao orifício do lado esquerdo da régua.

Usos de interferência no mundo real

Outros usos da interferência da luz são medições feitas a longas distâncias com lasers. Neste caso, os lasers podem ser usados para medir distância muito pequenas em um alcance de muitos quilômetros. Isso é feito dividindo o feixe de laser e refletindo-o de volta em diferentes superfícies. A análise das franjas de interferência resultantes (ao recombinar os feixes de laser separados) produzirá um cálculo notavelmente preciso da distância entre os dois objetos.

Os hologramas também dependem da interferência da luz para produzir suas imagens tridimensionais. Nos hologramas de reflexão, tanto o feixe de referência quanto o de iluminação do objeto são refletidos em uma película espessa de lados opostos. Esses feixes interferem para produzir áreas claras e escuras que correspondem a uma imagem que parece tridimensional. Hologramas de transmissão usam os feixes de referência e de iluminação do objeto no mesmo lado da película para produzir um tipo de efeito semelhante.

A interferência também ocorre com ondas sonoras e ondas induzidas em uma poça de água parada. Um experimento de interferência muito conciso e fácil pode ser realizado em casa usando uma pia cheia de água e duas bolinhas de gude. Primeiro, deixe a água ficar bem parada e, em seguida, jogue simultaneamente as bolinhas na água (cerca de 10 a 14 polegadas de distância) de uma altura de cerca de um pé. Assim como as ondas de luz, as duas bolinhas induzirão uma série de ondas na água que emanam em todas as direções. As ondas formadas na área entre o local as bolinhas entraram na água acabarão por colidir. Onde elas colidem em sincronia, elas se somam construtivamente para formar uma onda maior e onde elas colidem fora de sincronia, elas se anulam de forma destrutiva. Tente!