1. Costruzione della fenditura con l’uso di due lamette da taglierino e relativo supporto di sostegno;
2. invio di luce laser elio-neon di bassa potenza attraverso la fenditura ed osservazione della figura di diffrazione su uno schermo bianco posto a qualche metro di distanza;
3. misura indiretta della larghezza della fenditura;
4. misura della distanza tra minimi dello stesso ordine nelle figura di diffrazione;
5. ricavo della lunghezza d’onda della luce laser e suo confronto con la lunghezza d’onda dichiarata dalla casa costruttrice.

• Piano di lavoro solido e stabile (come la superficie di una cattedra o un banco);
• supporto per fissare il puntatore laser;
• una coppia di lame da taglierino;
• nastro isolante, nastro adesivo;
• foglio di carta millimetrata A4;
• spillo o ago;
• puntatore laser di bassa potenza (tipo elio- neon da 1mW);
• metro a nastro (meglio se di portata almeno 3m), righello, calibro;
• macchina fotografica o cellulare con fotocamera;
• matita, penna calcolatrice tascabile.

• Onde armoniche e relative caratteristiche;
• principio di sovrapposizione delle onde;
• interferenza e condizioni di interferenza costruttiva e distruttiva;
• diffrazione della luce e sua interpretazione con il principio di Huygens;
• determinazione della figura di interferenza della diffrazione della luce monocromatica emessa da due fenditure (esperimento di Young) e suo adattamento ad una singola fenditura;
• sapere effettuare misure di lunghezza con calibro, righello millimetrato, metro a nastro millimetrato;
• sapere allineare componenti ottici;
• sapere applicare la teoria degli errori su misure dirette ed indirette.

• Comprendere il motivo per cui l’osservazione della diffrazione della luce non è un fenomeno di esperienza comune e quindi la difficoltà degli scienziati del 18°- 19° secolo a scoprire e studiare questo fenomeno;
• misurare spessori o fenditure dell’ordine di grandezza del micron con l’uso della luce laser;
• comprendere come la diffrazione scompone la luce policromatica in modo analogo ad un prisma di vetro triangolare.

Approntamento dell’esperimento

Abbiamo costruito una fenditura di larghezza variabile usando le due lamette da taglierino protette da nastro isolante già predisposte nella cassetta del materiale “kit di ottica” dei laboratori itineranti.
Una difficoltà è stata sistemare le lamette in modo che siano stabili e, una volta infilato lo spillo nella fessura, sia visibile il punto O di distanza zero tra le lamette. A questo scopo abbiamo leggermente sovrapposto le lamette in modo che O non si trovasse sotto il nastro isolante che le univa così che la distanza OA fosse misurabile. Abbiamo preventivamente fissato una striscia di carta millimetrata su una lametta per leggere facilmente OA (figura 1).

Procedura di misura e risultati sperimentali

• Misurare con calibro centesimale il diametro a dello spillo (figura 2);
• infilare lo spillo tra le lamette già fissate, misurare la distanza tra spillo (A) e il punto di incrocio delle lamette (O) con un righello sulla carta millimetrata AO = L;
• con il laser sulla fenditura stabilire la posizione del laser in altezza (B) che fornisce una chiara figura di diffrazione sullo schermo.

In tabella 1 sono riportati i valori sperimentali e gli errori.

 
L'errore relativo su d è stato ottenuto mediante la propagazione degli errori, sommando gli errori relativi su a, L e x: 
$$\frac{\sigma_d}{d} =  \frac{\sigma_a}{a} +  \frac{\sigma_L}{L} +  \frac{\sigma_x}{x} $$ 
 

• Misurare la distanza H schermo – fenditura con metro a nastro millimetrato;
• Misurare la distanza D tra i due minimi simmetrici del primo ordine, utilizzando i vari minimi di diffrazione; considerando che i massimi secondari sono larghi la metà del massimo centrale, per minimizzare l’errore è bene misurare la distanza tra minimi dello stesso ordine (simmetrici rispetto al massimo centrale) e poi dividere per il numero d’ordine k. Per la misura utilizzare un foglio di carta millimetrata messo sulla figura di diffrazione e segnare i punti A e B, poi, alla luce, misurare in millimetri il segmento AB.  Esempio: A e B minimi di ordine 5, cioè k = 5; risulta così:
  $$ \frac{D}{2} = \frac{AB}{10} \longrightarrow D = \frac{AB}{5}$$

 

• determinare la lunghezza d'onda del laser utilizzando la relazione: $$\lambda = D \cdot \frac{d}{2H}$$  
  
  
• determinare infine lo scarto % tra $\lambda_{medio}$ e $\lambda_{teorico}$ riportato sull’involucro del laser: 
  $scarto \% = \frac{|633-561|}{633} \cdot 100 = 2,8\% ≈ 3\%$. La tabella 2 riporta i valori sperimentali misurati.
  
  

• c'è stato un miglioramento nella precisione della misura della lunghezza d'onda della luce perché si è scelto di non misurare la larghezza del massimo centrale ma di misurare la distanza tra i minimi di ordine superiore
• la scelta di  misurare la lunghezza d’onda della luce laser confrontandola con quella dell’etichetta dello strumento ha un motivo didattico: scoprire come con la diffrazione della luce si arriva a misurare una lunghezza d'onda così piccola con misure di lunghezze di dimensioni comuni.
• in seguito è altrettanto utile invertire lo sviluppo dei dati e fare notare che questo esperimento sulla diffrazione della luce è uno strumento molto sensibile per misure di sezione (larghezza fenditura, diametro di un ostacolo) proponendo così la misura della sezione di un capello.

• E’ un argomento di ottica che mette in evidenza in modo inequivocabile la natura ondulatoria della luce e, nello stesso tempo, il fatto che la sua osservazione non sia di esperienza comune a causa della piccola lunghezza d’onda della luce. Questo spiega le difficoltà che hanno avuto gli scienziati del 18°- 19° secolo a scoprire e studiare questo fenomeno (si inserisce a pieno nel dibattito sulla natura della luce dove l’interpretazione meccanicistica di Newton è stata messa in discussione dall’esperimento di Young della doppia fenditura).
• La trattazione teorica che si propone agli alunni di quarta liceo scientifico (principio di Huyghens per interpretare il fenomeno e ricavo formule di interferenza costruttiva e distruttiva) è abbastanza semplice.
• Gli esperimenti proposti sono semplici e chiari sia nella costruzione dell’apparato sia per le misure.
• Il percorso sperimentale conduce alla spettroscopia, strumento fondamentale per gli scienziati di fine ‘800 (vedi Kirchhoff) per indagare sulle proprietà microscopiche della materia.
• Il percorso storico conduce al dualismo onda-corpuscolo fino alla descrizione di De Broglie del comportamento ondulatorio dell’elettrone confermato sperimentalmente proprio dalla diffrazione degli elettroni che forma figure di interferenza del tutto simili alla diffrazione dei raggi x.

• Laboratori itineranti LS-OSA, scheda 20 " Diffrazione da fenditura singola" redatta da  Carlo Meneghini: carlo.meneghini@uniroma3.it e Monica Bionducci: m.bionducci@gmail.com;
• Bergamaschini, Marazzini, Mazzoni “L’INDAGINE DEL MONDO FISICO – Onde e luce – volume D” Carlo Signorelli Editore.