Diffraction
Définition
La diffraction est la déviation des ondes sur un obstacle. Par diffraction, une onde peut se propager dans des zones de l'espace qui seraient bloquées par un droit chemin à travers l'obstacle. Tout type d'ondes physiques peut montrer une diffraction. Elle est particulièrement visible avec les vagues ou le son.
Une diffraction de lumière :
La diffraction est la propagation et l'interférence de la lumière traversant des espaces ou rebondissant sur des réseaux d'objets, comparables en distance d'espacement ou en taille à la longueur d'onde de la lumière. La diffraction est un phénomène caractéristique des ondes (par opposition à la nature particulaire de la matière).
Explications
En physique, la diffraction est un phénomène caractéristique des ondes qui repose sur leur déviation lors de la rencontre d'un obstacle ou de la traversée d'une fente. La diffraction existe dans tous les types d'ondes, des ondes sonores aux ondes de fluide et aux ondes électromagnétiques telles que la lumière visible et les ondes radio.
Dans le langage scientifique, la diffraction est une déviation que subit la direction de propagation des ondes (acoustiques, lumineuses, rayons X...) lorsque celles-ci rencontrent un obstacle ou une ouverture de dimensions du même ordre de grandeur que leur longueur d'onde.
Le phénomène existe également lorsqu'un groupe d'ondes de taille finie se propage; par exemple, à cause de la diffraction, le faisceau d'ondes lumineuses collimaté provenant d'un laser doit finalement diverger en un faisceau plus large situé à une certaine distance de l'émetteur.
La diffraction, selon l'origine latine diffractus, consiste en une "mise en morceau".
Théorie
La diffraction peut être comprise au niveau phénoménologique en utilisant le principe de Huygens selon lequel un front d'onde peut être visualisé comme une succession d'émetteurs de points qui réémettent l'onde lorsqu'elle oscille en réponse et contribue ainsi à sa propagation. Bien que chaque oscillateur génère une onde sphérique, l'interférence de chacun d'eux génère une onde plane qui se déplace dans la même direction que l'onde initiale. Lorsque le front d'onde rencontre un obstacle, les émetteurs correspondant à la fin du front d'onde obstrué n'ont pas d'autres émetteurs qui interfèrent avec les ondes générées, lesquelles s'approchent d'ondes sphériques ou cylindriques. En conséquence, lorsque le front de la vague adopte une forme arrondie à l'endroit où il a été coupé, la direction de propagation de la vague change en se tournant vers l'obstacle. On dit souvent que la vague "plie" les coins.
Les effets de la diffraction peuvent être prédits mathématiquement en utilisant deux approches différentes. La diffraction de Fraunhofer permet d'estimer le comportement du phénomène produit par un obstacle situé à une distance suffisante de la zone d'étude. C'est une méthode mathématiquement simple, mais limitée par cette condition. D'autre part, l'approche connue sous le nom de diffraction de Fresnel prend en compte le caractère vectoriel des allongements des ondes, permettant ainsi de faire des prédictions au voisinage de l'obstacle produit par diffraction. Elle est mathématiquement plus compliquée que la méthode Fraunhofer et son application est donc limitée aux régions où la diffraction de Fraunhofer n'est pas applicable.
Il est intéressant de penser que la diffraction est une conséquence de l'équation d'onde. Alors qu'une onde plane infinie est une solution à l'équation d'onde, une onde à coupe plate ne l'est pas. Pour que ce soit la même solution de cette équation, la diffraction doit être introduite. C'est le cas d'un faisceau laser à onde plate mais obstrué par les dimensions finies du dispositif de génération. La conséquence immédiate est que l'équation d'onde nécessite que cette condition ne persiste pas et qu'une composante de diffraction soit immédiatement introduite. C'est pourquoi le faisceau diverge au fur et à mesure qu'il avance, augmentant ainsi sa section.
Il est à noter que la diffraction est l'un des cinq phénomènes de lumière dans lesquels se trouvent la réflexion, la réfraction, l'interférence et la polarisation.
Diffraction et interférence
La diffraction et les interférences sont des phénomènes indissociables, au point qu'il n'est pas toujours facile de les distinguer. En effet, la diffraction est une forme particulière d'interférence. En conséquence, lorsque, en physique, il est nécessaire d'étudier des formes d'interférences spécifiques, il est nécessaire de pouvoir distinguer les effets qui en découlent des effets provenant de la diffraction.
L'interférence survient lorsque la longueur d'onde λ est supérieure aux dimensions de l'objet. Par conséquent, les effets de la diffraction diminuent jusqu'à devenir indétectables à mesure que la taille de l'objet augmente par rapport à la longueur d'onde.
Applications
Pour les microscopistes et les photographes, la diffraction est généralement une limitation pour obtenir des images claires. Cependant, l'effet peut être utilisé pour plusieurs techniques.
Nous avons mentionné trois applications de la diffraction :
- des expériences pour démontrer la dualité onde-particule,
- l'analyse de profils de diffraction pour connaître la structure des matériaux cristallins et
- l'utilisation de réseaux de diffraction pour construire des spectromètres, instruments permettant l'identification de substances dans les matériaux.
En raison de la dualité onde-corpuscule caractéristique de la mécanique quantique, il est possible d'observer la diffraction de particules telles que les neutrons ou les électrons. Aux débuts de la mécanique quantique, il s'agissait de l'un des arguments les plus clairs en faveur de la description de l'onde utilisée par la mécanique quantique des particules subatomiques.
En ce qui concerne le spectre électromagnétique, les rayons X ont des longueurs d'onde similaires aux distances interatomiques dans la matière. Par conséquent, il est possible d'utiliser la diffraction des rayons X comme méthode pour explorer la nature des cristaux et d'autres matériaux à structure périodique.
Par exemple, la diffraction des rayons X produite par une structure cristalline (telle que sel de table NaCl) vérifie la loi de Bragg. L'analyse de la géométrie du motif de diffraction peut en déduire la structure avec laquelle les molécules de l'échantillon étudié sont ordonnées. Ainsi, cette technique a été utilisée pour discerner la structure de l'ADN et a été l'un des tests factuels de sa configuration en double hélice présentée par James Watson et Francis Crick en 1953.
En ce qui concerne le spectre électromagnétique proche de la zone visible, le phénomène de diffraction est utilisé pour étudier et identifier des substances au moyen d'une technique spectroscopique 4. Par exemple, les spectromètres à absorption optique montrent généralement les instruments suivants : une lampe éclaire un échantillon (qui peut être un colorant dissous dans un liquide clair); la lumière émise par l'échantillon contient des informations sur la composition et la structure du colorant, et c'est au moyen d'un réseau de diffraction que cette lumière se décompose (comme le fait un prisme avec un rayon de lumière, mais de manière plus efficace), diriger la lumière vers un capteur doté d'une interface connectée à un ordinateur. Le réseau de diffraction est un composant essentiel pour la construction d'instruments de haute précision tels que les spectromètres.
Diffraction laser
La mesure de granulométrie par "diffraction laser" est basée sur le principe de la diffraction de la lumière. Les particules en suspension (dans l'eau ou dans un flux d'air) diffusent la lumière émise par un faisceau laser. La distribution spatiale de cette lumière, fonction de la taille des particules, est enregistrée à l'aide d'un ensemble de photodiodes. L'analyse de cette distribution dans le plan focal permet de déterminer la proportion de chaque classe dimensionnelle. L'interprétation est faite en utilisant la théorie de Fraunhofer.
Cependant, cette méthode est limitée d'une part par la longueur d'onde du faisceau laser et la transparence des grains. En fait, la théorie de Fraunhofer suppose des particules qui sont opaques mais aussi significativement plus grandes que la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, de nouvelles méthodes pour analyser la distribution spatiale de la lumière ont été développées à partir de la théorie de Rayleigh- Mie. Dans ce cas, la diffraction, la réfraction, la réflexion et l'absorption lumineuse par les grains sont prises en compte. Cela permet des mesures de tailles beaucoup plus petites.
Synonymes, antonymes
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0 antonyme (sens contraire).
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