Componentes de um espectrofotômetro: Rede de difração

Introdução

Difração a partir de fonte de luz branca

Difração a partir de fonte LASER

Mas como acontece a formação espectral a partir de uma rede de difração?

Primeiramente, REDES DE DIFRAÇÃO são arranjos com muitas fendas, em geral,
Para encurtarmos, o post, vamos começar pela equação presente na página de blog, Teoria com Simuladores (aproveita a estadia lá, e veja mais sobre simuladores de interferometria e difração da luz, e veja mais a respeito do comportamento da luz).

Rede de Difração

  (1)

Esta equação se traduz neste gráfico:

Parece meio complicado mas o gráfico nos diz que todo o ponto de máximo de Intensidade I/Io:

• se situará dentro da curva pontilhada, 
• e dentro dos respectivos máximos dos picos azuis. 

Deste modo no ponto que a curva pontilhada passar pelos picos azuis, este será o ponto de máxima intensidade I/Io, o que significa dizer que:

• este máximo será o produto entre o fator da curva pontilhada e o fator dos máximos primários dos picos azuis, ou seja, a equação (1).

E, pela eq. (1), na componente com o termo g verificamos que os máximos principais ocorrem quando o termo for igual a N, isto é para:

g = 0, ±p, ±2p,..., np

Assim, de acordo com a Eq. 1, teremos:

dsen(q) = nl  (n=1, 2, 3,...)          (2)

Onde n é um número inteiro, que se designamos por ordem espectral, e d é o parâmetro da rede (o tamanho de cada linha, antes da fenda).

Assim, um feixe de luz que incide nesta rede de difração é difratado (IF - UFRGS, 2011) e os raios provenientes das diversas fendas interferem formando uma figura de intensidade variável. 

É como se cada ponto de cada frente de onda (dado pela diferença de caminho óptico, dsenq) fosse formando padrões de interferferência, ou seja, um frente de onda forma um padrão claro e escuro. 

Deste modo que ao se passar pelo conjunto de fendas (rede de difração), e portanto cada onda sofrendo sucessiva interferência construtiva e destrutivas, forma-se a figura como esta a seguir:

Link: http://www.ifi.unicamp.br/~hugo/apostilas/diffraction.pdf

Ou, em forma do gráfico:

Difração por uma rede de N fendas, de largura b e separação h (neste exemplo h = 3b e N = 10). Os máximos de interferência, com largura δy, ficam cada vez mais finos à medida que aumenta N.

Perceba que esta figura apresenta máximos de intensidade em diversas posições sempre que a diferença de caminho ótico d.sen(θ) entre os raios provenientes de duas fendas adjacentes,  distantes d entre si, for igual a um número inteiro (n = 0, 1, 2,...) de comprimentos de onda λ. 
Portanto, ocorrem máximos de intensidade quando θ é o ângulo de difração, para o máximo de ordem n.

Rede de Difração e Feixe Contínuo

Ao incidirmos um feixe de luz composto por vários comprimentos de onda (feixe contínuo) em uma rede de difração teremos a sua decomposição. A informação espectral se repete para cada valor de N (ordem do espectro). À medida que aumentamos o valor de N, temos um ganho na resolução da medida efetuada, porém reduzimos a intensidade espectral (ou seja, a raia de ordem N+1 será melhor definida, embora menor, do que a mesma raia de N).

Na imagem a seguir, você poderá notar a contribuição visível para o espectro de Hidrogênio obtido com uma rede de difração de 600 linhas/mm. Observa-se um maior espaçamento entre as linhas para a 2ª ordem espectral, porém uma redução considerável para a intensidade.

Espectro do Hidrogênio mostra a contribuição visível do espectro do Hidrogênio, obtido a partir de uma rede de difração.

Nesta figura, mostramos o espectro de 1ª ordem, em que observam-se duas linhas violetas, uma azul e uma vermelha. Já para a 2ª ordem espectral não conseguimos observar a linha Hδ, devido a sua baixa intensidade. 

(Link para imagem: Física Moderna Experimental.)

E, lembrando, quanto maior for o número de fendas da rede de difração, ou seja, se N (onde N = 1/d) é muito grande (como da rede ao lado, de 1000 traços/mm), os máximos de intensidade que definem as raias espectrais são estreitos e bem definidos de modo a se calcular os l com boa precisão.

Bom, com isso, vimos como é formado o espectro de raias, formado pela difração de um espectro contínuo (fonte de luz branca).

...

No próximo item veremos o que podemos usar como um elemento de rede de difração, e que custa bem menos que uma comercial (!): 

o CD! 

(a parte transparente dele, que é responsável por difratar o feixe que chega a ele) 

(e, sim, você deverá depenar um CD...)

OBS: em geral, os CDs apresentam 500 a 700 linhas/mm, o que faz dele um bom objeto para ser usado como rede de difração.