La diffrazione

La diffrazione
Riflessione e rifrazione sono fenomeni che permettono di attribuire alla luce una
natura corpuscolare. La riflessione si può interpretare come il fatto che corpuscoli
di luce urtano una superficie e rimbalzano su di essa; la rifrazione, invece, si spiega
con la diversa velocità con la quale questi corpuscoli viaggiano nei diversi mezzi.
Ma riflessione e rifrazione sono fenomeni cui sono soggette anche le onde: il
suono, per esempio, è riflesso nel fenomeno dell’eco e le onde sulla superficie di un
liquido cambiano direzione se cambia la velocità di propagazione.
La luce, quindi, potrebbe anche essere un fenomeno ondulatorio: potrebbe cioè
trattarsi di una perturbazione che si propaga nello spazio oscillando come un’onda.
Per decidere quale sia la vera natura della luce si può fare un esperimento di diffrazione. La diffrazione consiste nella modifica della forma del fronte d’onda, cioè
del profilo formato da tutti i punti di un’onda che si trovano nella stessa condizione.
In alto mare, per esempio, le onde hanno un fronte piano: i fronti d’onda sono le
linee immaginarie che si possono disegnare sopra le creste delle onde. Quando queste
onde arrivano in prossimità di una diga con un’apertura, la forma del fronte cambia
e diventa circolare, come si vede nella foto.
Quando poi due o piú onde s’incontrano nello stesso punto possono interferire: i
loro effetti si sommano e il risultato può essere un aumento dell’ampiezza dell’onda o
una diminuzione. Se due onde uguali arrivano nello stesso punto nello stesso istante
in fase (per esempio entrambe assumono il loro valore massimo) l’onda risultante
sarà un’onda di ampiezza doppia di quelle originali. Se invece una delle due assume
il suo valore massimo e l’altra il minimo, le onde si cancellano a vicenda.
All’indirizzo https://www.youtube.com/watch?v=Iuv6hY6zsd0, a partire dal
minuto 4:32, puoi vedere cosa succede a due onde circolari uguali prodotte in due
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punti leggermente distanti l’uno dall’altro di uno stagno: a certi angoli le onde
interferiscono sommandosi e si vedono onde propagarsi, ad altri angoli le onde interferiscono cancellandosi e l’acqua non si muove. La presenza di massimi e di minimi
distribuiti in maniera regolare a certi angoli è un fenomeno caratteristico delle onde.
Se le onde del mare, invece che essere acqua che si muove in su e in giú, fossero
fatte di acqua che si sposta nella direzione dell’onda, dalle dighe al largo della costa
vedresti uscire un flusso di acqua che si muove nella direzione originale: invece vedi
onde circolari.
Se la luce fosse un’onda quindi dovrebbe dar luogo a questo fenomeno. Facendo
passare la luce attraverso due fenditure molto strette, nel caso in cui la luce fosse
composta di corpuscoli vedremmo due immagini delle fenditure al di là dello schermo.
Se invece fosse un’onda, al di là dello schermo si propagherebbero onde circolari
di luce che, interferendo, produrrebbero molte immagini della sorgente a intervalli
regolari.
Puoi fare tu stesso questo esperimento: procurati un CD con una porzione del disco trasparente (oppure togli in qualche maniera l’etichetta che lo ricopre) e illuminane la superficie con un laser di quelli che puoi trovare sulle bancarelle. Vedrai almeno
tre punti luminosi: quello diretto e altri due punti simmetrici disposti perpendicolarmente al raggio del CD lungo il quale hai inviato la luce. Se fai l’esperimento al
buio potresti anche osservare altri due punti piú debole a distanza maggiore.
È la prova che la luce è un’onda: sulla superficie del CD, infatti, sono incise
moltissime sottilissime tracce che funzionano come fenditure per la luce.
Un fenomeno analogo si verifica quando sei in auto e guardi fuori attraverso
un parabrezza poco pulito sul quale hai passato il tergicristallo. Le luci esterne
appaiono allungate nella direzione perpendicolare al solco lasciato dal tergicristallo
sul parabrezza. Se guardi meglio e se i solchi sono abbastanza sottili vedrai che
l’immagine è formata da tanti punti luminosi poco distanti l’uno dall’altro.
La luce dunque dev’essere un’onda. C’è voluto molto tempo per scoprire di
cosa: la scoperta della diffrazione della luce si deve a Thomas Young, che realizzò
l’esperimento e a Augustin Fresnel che lo interpretò, nel 1815. Ma è solo verso
la fine del 1 900 che si scoprirà, grazie a James Maxwell, che la luce è un’onda
elettromagnetica, come i raggi X, i raggi γ, le onde radio, etc..
Quello che i nostri occhi sono in grado di vedere è solo una piccola parte di
quello che si chiama spettro elettromagnetico: le onde elettromagnetiche, come
tutte le onde, si differenziano per una caratteristica detta lunghezza d’onda che
è la distanza tra due massimi successivi oppure per la frequenza che è il numero
di onde che si succedono nell’unità di tempo. Le due caratteristiche sono legate
l’una all’altra: nota la frequenza di un’onda se ne può ricavare la lunghezza d’onda
conoscendone la velocità di propagazione, che per la luce è di 300 000 km/s. La
lunghezza d’onda tipica della luce è di qualche centinaio di nanometri (nm, pari a
un miliardesimo di metro o a un milionesimo di mm). La frequenza della luce invece
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si aggira sulle centinaia di THz (1 THz, leggi Terahertz, corrisponde a mille miliardi
di oscillazioni al secondo).
© 2015 Giovanni Organtini
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