9. Difracción de las ondas.
El término difracción viene del latín diffractus que significa quebrado. La etimología alude al fenómeno por el que una onda puede contornear un obstáculo en su propagación, alejándose del comporamiento de rayos rectilíneos.
Este fenómeno típico de las ondas consiste en que al llegar la onda a un obstáculo o rendija pequeña (en relación a su longitud de onda λ) se abre en todas las direcciones lo que le permite rodear, ocupar todo el espacio detrás de la rendija etc.
En la fotografía vemos a la izquierda una onda plana que se propaga. Al llegar a una pared con un pequeño orificio (de tamaño similar a la longitud de onda) la onda se abre formando ondas circulares. Como el obstáculo es pequeño estas ondas son muy poco intensas pero lo más importante es que las ondas ocupan toda la cubeta y no solo una línea recta a partir del agujero.
Si el orificio fuera más grande las ondas serían mas intensas pero no se producirían círculos. La onda en este caso tendría una algo parecido a una propagación en línea recta.
En este gráfico hemos representado una onda sonora. la longitud de onda de estas ondas es de unos metros. Una rendija pequeña puede ser una puerta abierta. El sonido llega a la puerta y en la otra habitación se abre en ondas circulares. En cualquier lado de la habitación vamos a oír el sonido (aunque con menor intensidad que fuera). El sonido tiene facilidad para bordear los obstáculos.
Los ultrasonidos tienen longitud de onda muy pequeñas y por tanto pierden esta capacidad. Los ultrasonidos se pueden dirigir en forma de haces que no se obran en los obstáculos o rendijas lo que hace posible su utilización en el sonar o ecografías.
Observar la difracción de la luz es más complicado. La luz visible tiene longitudes de onda del orden de micras. Para poder observar que la luz visible se abre detrás de una rendija, o que bordea un obstáculo deberíamos tener un tamaño de milésimas de milímetro difícil de construir y difícil de conseguir que pase al otro lado algo de la onda. La utilización del laser permite visualizar este fenómeno en nuestro laboratorio de una manera sencilla.
La difracción de la luz permitió inclinar la balanza hacia los partidarios de la naturaleza ondulatoria de la luz. Si la luz estuviera formada por partículas (fotones) no se abriría detrás de las rendijas.
La difracción se puede reforzar utilizando en vez un pequeño orificio varios juntos. De esta manera en cada orificio se produce una difracción y después se produce una interferencia de las ondas que provienen de cada agujero. De esta manera se pueden producir espectaculares difracciones en redes cristalinas. Según varios autores el experimento más bello jamás realizado en física se debe a Thomas Young que mediante la difracción en dos rendijas logró demostrar que el electrón se puede comportar en determinadas condiciones como una onda.
Pero esto lo estudiaremos más adelante.
El hecho de que las ondas no produzcan sombras nítidas en obstaculos pequeños (en relación a su longitud de onda) hace no se puedan utilizar en instrumentos de observación tales como el ecógrafo, el sonar o el mismo microscopio. No podremos ver objetos de tamaño inferior a la ongitud de onda utilizada. Esto nos obliga a utilizar ondas de longitud cada vez más pequeña, ultrasonidos, luz ultravioleta, rayos X, ondas de electrones, etc.
En la imagen tenemos una imagen obtenida por medio de un microscopio electrónico de granos metálicos de 5 micras.
Actividad 1:
¿Qué dimensiones debería tener un obstáculo para producir difracción en las olas del mar, en el sonido de frecuencia 500Hz, en la luz de frecuencia 1014 Hz, y en la onda de Radio Santander FM?
¿Cómo podríamos construir este obstáculo y que influencia tendría en la propagación?
Actividad 2:
¿Qué problemas pueden tener los microscopios ópticos a la hora de ver objetos muy pequeños? ¿Tiene algún arreglo este problema?.
Vídeo sobre difracción:
Difracción de ondas en el agua: http://www.youtube.com/watch?v=4EDr2YY9lyA