Descrizione della diffrazione della luce, applicazioni, esempi

IL Diffrazione della luce È il nome che riceve la distorsione di un raggio di luce quando colpisce un piccolo oggetto o una piccola apertura su uno schermo. Fu la Francesco Maria Grimaldi italiana a diede il nome di diffrazione a questo fenomeno e il primo a studiarlo nel 1665.

Quando l'oggetto o lo slot che intercetta il raggio di luce è dell'ordine di decimi di millimetro o meno, l'ombra proiettata non è accurata. Piuttosto si diffonde attorno a quella che dovrebbe essere la sua ombra geometrica. Questo perché il raggio di luce viene deviato e si diffonde ai bordi dell'ostacolo.

Diffrazione della luce di un puntatore laser a causa di un'apertura quadrata e del suo modello di diffrazione proiettato su uno schermo. Fonte: f. Zapata.

La figura superiore mostra un modello molto particolare di aree chiare e scure che si alternano. È prodotto dalla luce di un puntatore laser (lunghezza d'onda 650 nm) quando si passa attraverso uno slot quadrato di 0,1 mm x 0,1 mm e viene proiettato su uno schermo. 

Questo fenomeno di formazione di pattern è anche osservato nelle onde sonore e nelle onde sulla superficie dell'acqua, nonché nelle onde radio e nei raggi X. Ecco perché sappiamo che si tratta di un fenomeno eminentemente ondulato.

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Descrizione del fenomeno di diffrazione

In un fascio di luce monocromatica (che contiene una singola lunghezza d'onda) come la luce laser, la diffrazione del raggio luminoso incidente sull'ostacolo forma un modello di luce e fasce scure quando proietta su uno schermo.

A questa disposizione della luce e delle aree scure si chiama schema di diffrazione.

Principio di Fresnel - Huygens

Diffrazione delle onde nel modo di Huygens e Fresnel

La diffrazione viene spiegata classicamente, secondo Principio di Fresnel - Huygens.

Viene dalla sovrapposizione delle onde sferiche che emana dal bordo dell'ostacolo e dagli altri punti del fronte d'onda che confina con i bordi, in modo che si verifichi un'interferenza tra le onde da questo insieme di fonti secondarie. 

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Quando due o più onde coincidono nello stesso luogo di spazio, si verifica l'interferenza tra loro. Può succedere quindi che le loro rispettive ampiezze vengano aggiunte o sottratte, dopo di che ognuna segue.

Tutto dipende dal fatto che le onde coincidano in fase. In tal caso, le ampiezze sono aggiunte.

Ecco perché il modello di diffrazione ha aree illuminate e scure. 

A differenza del fenomeno di interferenza luminosa, in cui il numero di fonti d'onda è due o tre, nel caso di diffrazione il numero di fonti secondarie di onde sferiche è molto grande e tende a formare un continuum da Fuentes. 

L'interferenza ondulata nella diffrazione è più notevole se la sorgente ha una singola lunghezza d'onda e tutti i fotoni che compongono il raggio di luce sono in fase, come nel caso della luce da un laser.

Applicazioni di diffrazione della luce

Rilevamento di guasti o fratture superficiali

IL interferometria chiazzata È una delle applicazioni pratiche del fenomeno di diffrazione luminosa.

Quando una superficie è illuminata con luce laser, la parte anteriore dell'onda leggera.

Esiste un modello di diffrazione con aspetto chiazzato (Macchie in inglese), che fornisce informazioni dalla superficie da cui vengono i fotoni riflessi.

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In questo modo, i fallimenti o le fratture possono essere rilevati in un pezzo, che difficilmente sarebbe visibile a occhio nudo.

Miglioramento delle immagini fotografiche

La conoscenza dei modelli di diffrazione presenti nelle immagini fotografiche o digitali degli oggetti astronomici: stelle o asteroidi, serve a migliorare la risoluzione delle immagini astronomiche.

La tecnica consiste nel raccogliere un gran numero di immagini dello stesso oggetto che sono individualmente di poca definizione o luminosità.

Quindi, quando vengono elaborati dal punto di vista computazionalmente ed estraggono il rumore dalla diffrazione, si traducono in un'immagine a risoluzione maggiore.

Quindi è possibile mostrare i dettagli utilizzati in precedenza negli originali, a causa della diffrazione luminosa.

Esempi giornalieri di diffrazione

La diffrazione è un fenomeno che sicuramente abbiamo osservato quasi tutti noi, ma non sempre identifichiamo correttamente la sua origine. Qui abbiamo alcuni esempi:

Arcobaleno

L'arcobaleno è causato principalmente dalla sovrapposizione di onde di rifrazione e riflesse all'interno delle sottili gocce d'acqua.

Costituiscono una serie molto ampia di fonti luminose secondarie, le cui onde interferiscono formano il motivo colorato dell'arcobaleno che ammiriamo dopo la pioggia.

Colori del CD

La luce che rimbalza un CD o un DVD forma anche motivi colorati sorprendenti. Hanno la loro origine nel fenomeno della diffrazione della luce riflessa dalle scanalature sub-militari che compongono gli indizi.

Ologrammi

L'ologramma che di solito appare su carte di credito e prodotti di marca, forma un'immagine tridimensionale.

È dovuto alla sovrapposizione delle onde dagli innumerevoli punti di riflesso stampati. Tali punti non sono distribuiti in modo casuale, ma sono stati formati dal modello di diffrazione dell'oggetto originale, che è stato illuminato con luce laser e successivamente incisa su una placca fotografica.

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Aloni intorno ai corpi luminosi

Le ferite luminose o i turbini del solino come sono anche noti sono formati dalla diffrazione della luce da parte delle particelle o dei cristalli presenti nell'atmosfera superiore. Fonte: Pixabay.

A volte puoi vedere grandine o anelli intorno al sole o alla luna.

Si formano perché la luce di questi corpi celesti rimbalza o si riflette in una innumerevole quantità di particelle o cristalli formati nell'atmosfera superiore.

Agiscono a loro volta come fonti secondarie e la loro sovrapposizione provoca il modello di diffrazione che forma l'alotto celeste.

Colori delle bolle di sapone

L'iridescenza di alcune superfici come bolle di sapone o ali traslucide di alcuni insetti, è spiegata dalla diffrazione della luce. In queste superfici i toni e i colori della luce osservati variano a seconda dell'angolo di osservazione.

I fotoni riflessi negli strati semitrasparenti sottili costituiscono una grande serie di fonti luminose che interferiscono in modo costruttivo o distruttivo.

Forma così i motivi corrispondenti alle diverse lunghezze d'onda o colori, di cui è composta la luce della sorgente originale. 

In modo che si osservano solo lunghezze d'onda di alcune traiettorie: quelle che vanno dai punti riflesse, all'occhio dell'osservatore e hanno un'intera differenza nelle lunghezze d'onda.

Le lunghezze d'onda che non soddisfano questo requisito vengono annullate e non possono essere osservate.

Riferimenti

1. Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 7. Onde e fisica quantistica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
4. Serway, r., Jewett, J. (2008). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. 7 °. Ed. Apprendimento del Cengage.
5. Tipler, p. (2006). Fisica per la scienza e la tecnologia. 5 ° ed. Volume 1. Editoriale tornato.
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