Diffrazione

La diffrazione è un fenomeno che interessa le onde quando incontrano un oggetto o un'apertura lungo il loro percorso di propagazione. Il modo in cui la propagazione è influenzata dall'oggetto o dall'apertura dipende dalle dimensioni dell'ostacolo.

Diffrazione: significato

Quando un'onda si propaga attraverso un oggetto, si verifica un'interazione tra i due. Un esempio è dato da una brezza calma che muove l'acqua intorno a una roccia che taglia la superficie di un lago. In queste condizioni, si formano onde parallele dove non c'è nulla che le blocchi, mentre dietro la roccia la forma delle onde diventa irregolare. Più grande è la roccia, maggiore è l'irregolarità.

Mantenendo lo stesso esempio, ma sostituendo la roccia con un cancello aperto, si verifica lo stesso comportamento. L'onda forma linee parallele prima dell'ostacolo, ma irregolari quando attraversa e supera l'apertura del cancello. Le irregolarità sono causate dai bordi del cancello.

Diffrazione: singola fenditura

La dimensione dell'apertura influisce sulla sua interazione con l'onda. Al centro dell'apertura, quando la sua lunghezza d è maggiore della lunghezza d'onda \(\lambda\), una parte dell'onda passa inalterata, creando un massimo al di là di essa.

Figura 2. Un'onda che passa attraverso un'apertura la cui lunghezza \(d\) è maggiore della lunghezza d'onda \(\lambda\).

Se aumentiamo la lunghezza d'onda dell'onda, la differenza tra massimi e minimi non è più evidente. Ciò che accade è che le onde interferiscono tra loro in modo distruttivo in base alla larghezza \(d\) della fenditura e alla lunghezza d'onda \(\lambda\). Per determinare il punto in cui si verifica l'interferenza distruttiva utilizziamo la seguente formula:

\[n \lambda = dsin\theta\]

dove \(n=0,1,2\) è usato per indicare i multipli interi della lunghezza d'onda. Quindi esiste una relazione tra i multipli della lunghezza d'onda \(\lambda\) e l'angolo \(\theta\) a cui appaiono i minimi di interferenza e sono legati dalla larghezza \(d\) della fenditura.

L'interferenza costruttiva, invece, può essere osservata in quei punti che sono multipli della metà della lunghezza d'onda. Questo fenomeno si può esprimere con la seguente relazione:

\[n(\lambda/2) = dsin\theta\]

Fig. 3 - In questo caso, l'energia è distribuita su una lunghezza d'onda più ampia, come indicato dalla distanza tra le linee blu. Si nota una transizione più lenta tra un massimo (blu) e un minimo (nero) prima dell'apertura.

Infine, \(n\) nella formula indica non solo che si tratta di multipli della lunghezza d'onda, ma anche l'ordine del minimo o del massimo. Quando \(n = 1\), l'angolo di incidenza risultante è l'angolo del primo minimo o massimo, mentre \(n = 2\) è il secondo e così via.

Diffrazione da ostacoli

Il nostro primo esempio di diffrazione è stato un sasso nell'acqua, cioè un oggetto che ostacola l'onda. Questo è l'inverso di un'apertura, ma poiché anche in questa situazione esistono dei bordi che causano la diffrazione, esploriamo anche questo aspetto. Mentre nel caso di un'apertura l'onda può propagarsi, creando un massimo subito dopo l'apertura, un oggetto "rompe" il fronte d'onda, causando un minimo subito dopo l'ostacolo.

Fig- 4 - Sotto l'ostacolo si genera un'onda, con le creste d'onda rappresentate a colori e le valli in nero.

La figura illustra uno scenario in cui l'onda è sempre la stessa, mentre gli ostacoli sono sempre più larghi.

L'onda viene disturbata dall'ostacolo più piccolo, ma non abbastanza da rompere il fronte d'onda. Questo perché la larghezza dell'ostacolo è piccola rispetto alla lunghezza d'onda.

Un ostacolo più grande, la cui larghezza è simile alla lunghezza d'onda, provoca un singolo minimo subito dopo di esso (cerchio rosso, seconda immagine da sinistra), che indica che il fronte d'onda è stato rotto.

Nel terzo caso possiamo osservare come dietro l'ostacolo si crei inizialmente un minimo che poi si sviluppa in un pattern più complesso di massimi e minimi dovuto all'interferenza delle onde disturbate dall'ostacolo. È evidente che l'ostacolo provoca un disallineamento del fronte d'onda. Al di sopra della linea gialla, sono presenti due piccole creste inaspettate e causate dalla flessione dell'onda.