Diffrazione
Diffrazione della luce: spiegazione e definizione del fenomeno
Con il termine di diffrazione si indica un fenomeno che si ha quando le onde, di qualunque natura esse siano, incontrano sul loro cammino aperture di dimensioni comparabili con la loro lunghezza d'onda. Rientra in questo gruppo di fenomeni il fatto constatato sperimentalmente che le onde acustiche "girano gli ostacoli" e così pure le onde del mare, quelle sismiche e anche quelle elettromagnetiche; in questa lezione studieremo il caso particolare della diffrazione delle onde elettromagnetiche.
Diffrazione della luce
In ottica, la diffrazione è quel fenomeno per cui una onda elettromagnetica devia quando incontra una fenditura (o una apertura) avente dimensioni paragonabili o minori rispetto alla lunghezza d'onda.
Supponiamo di illuminare con una luce monocromatica uno schermo opaco con una fenditura di larghezza regolabile.
Se la fenditura è sufficientemente larga, su uno schermo posto oltre la fenditura si osserva una striscia luminosa dai contorni ben definiti (figura seguente, in alto).
Se si restringe la fenditura, però, la striscia luminosa invece di assottigliarsi si allarga e inoltre se ne vengono a formare delle altre ai suoi lati (figura seguente, al centro).
Quando la larghezza della fenditura diventa paragonabile alla lunghezza d'onda della radiazione che la attraversa, sullo schermo si raccolgono delle frange luminose, via via più tenui a partire dal centro (figura seguente, in basso).
Formazione di frange di interferenza.
Spiegazione del fenomeno della diffrazione
La diffrazione può essere spiegata in base al fenomeno della interferenza della luce; infatti, per il principio di Huygens-Fresnel, ogni punto della fenditura diventa, a sua volta, una sorgente di onde che si propagano in tutte le direzioni dello spazio.
L'interferenza fra queste onde produce l'alternanza di zone luminose e zone scure sullo schermo e porta alla formazione delle frange di interferenza.
Per il principio di Huygens ogni punto della fenditura diventa una sorgente di onde sferiche.
Diffrazione ottenuta da una singola fenditura lineare
Considerato che il fenomeno della diffrazione trae origine dall'incontro tra un fascio luminoso ed un ostacolo, è chiaro che la forma di quest'ultimo influenzerà la figura delle frange che si vengono a formare su uno schermo lontano.
Analizziamo nel dettaglio il caso più semplice di diffrazione ottenuta da una singola fenditura lineare. Consideriamo una fenditura di larghezza a paragonabile alla lunghezza d'onda λ della luce.
Come detto in precedenza, per il principio di Huygens-Fresnel, ogni punto della fenditura diventa, a sua volta, una sorgente di onde secondarie che si propagano in tutte le direzioni dello spazio.
Se la differenza di cammino ottico delle onde secondarie è pari alla lunghezza d'onda della luce (o a un suo multiplo), si ha interferenza costruttiva delle onde e quindi un massimo nell'intensità di luce sullo schermo, viceversa si ha un minimo.
Per formulare una legge matematica che esprima le condizioni geometriche affinché si abbia interferenza costruttiva o distruttiva, si può pensare che, una volta raggiunta la fenditura, ogni raggio venga diffratto con un angolo di deviazione θ (vedi figura seguente).
La differenza di cammino ottico tra due raggi che giungono fino alla schermo è il segmento (a/2)·sinθ:
1) se tale differenza di cammino ottico è pari a un numero intero (n = 1, 2, 3, ecc.) di lunghezze d'onda λ, cioè se:
allora si ha interferenza costruttiva e quindi una zona di minima intensità;
2) se tale differenza di cammino ottico è pari a un numero dispari (n = 1, 3, 5, ecc.) di mezze lunghezze d'onda λ/2, cioè se:
ovvero:
allora si ha interferenza distruttiva, e quindi un massimo di intensità.
Diffrazione ottenuta da una singola fenditura lineare: l'immagine centrale corrisponde alla banda di ordine 0 (n = 0) per la quale non si verifica interferenza in quanto tutti i raggi percorrono lo stesso cammino; simmetricamente, a lato della banda centrale, si hanno le bande di primo ordine (n=1), di secondo ordine (n=2), di terzo ordine (n=3), ecc.
Il fenomeno della diffrazione è coinvolto nella formazione dell'alone solare e dell'alone lunare.
Impiego del fenomeno della diffrazione
Il fenomeno della diffrazione viene sfruttato nella realizzazione di un particolare tipo di dispositivo, impiegato come monocromatore, noto con il nome di reticolo di trasmissione.
Tale reticolo è costituito da una superficie trasparente rivestita da uno strato sottile di materiale opaco: su quest'ultimo vengono incisi una serie di fenditure, fino a 2000 per mm.
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