Il fenomeno per me più interessante delle onde elettromagnetiche è la loro proprietà[1] di “aggirare gli ostacoli”. Infatti quando la luce attraversa una fenditura non si propaga solo “in avanti”, ma tende a espandersi nello spazio, coprendo una regione ben più grande della fenditura attraverso la quale essa stessa è passata.
Come noto, tale fenomeno prende il nome di diffrazione. Tuttavia è un fenomeno che si manifesta quando le dimensioni degli ostacoli che l’onda incontra risultano paragonabili alla sua lunghezza d’onda. Inoltre, nello stesso modo, se la luce incontra un ostacolo sufficientemente piccolo, non si crea una zona d’ombra netta dietro a esso, perché la luce tende a “richiudersi” per ripristinare il fronte d’onda originario.
In altri termini, qualunque deviazione di un raggio di luce non imputabile a riflessione o rifrazione è chiamato diffrazione. Questa è la classica definizione riscontrata nel trattato classico di Ottica di Arnold Sommerfeld[2]. È sorprendente notare che questa stessa definizione ricalca quanto descritto per la prima volta dal Francesco Maria Grimaldi[3], coniandone il termine (diffracte) che significa “frazionamento in più parti” nel 1665.
D’altro canto, Isaac Newton attribuì la causa del fenomeno a un incurvamento dei raggi luminosi (non osservando le frange all’interno dell’ombra di un capello).[4]
Thomas Young[5], invece, studiò la diffrazione come sovrapposizione tra la luce direttamente trasmessa oltre un’apertura in uno schermo e un’onda avente origine dal bordo dell’apertura. E lo stesso A. J. Fresnel adottò inizialmente il modello di Thomas Young. Tuttavia alcune esperienze atte ad evidenziare variazioni della figura di diffrazione dai parametri caratteristici del bordo (natura, geometria del bordo) e un’inversione rispetto alla posizione prevista delle frange scure nella regione esterna all’ombra di un capello, convinsero Young ad un abbandono della teoria dell’onda di bordo (stabilita da A. Fresnel in modo del tutto indipendente da Thomas Young), a favore della teoria basata sul principio di Huygens[6], riuscendo soprattutto a fornire una descrizione del fenomeno dal punto di vista matematico.
Pertanto, quando un’onda elettromagnetica incidente batte su una fenditura, tutti i punti del piano della fenditura diventano a loro volta sorgenti secondarie della radiazione, al contrario un flusso continuo di particelle, comporta che esse vengono semplicemente “filtrate” (setacciate) distinguendo quelle che passano nella fenditura da quelle che, invece, vengono respinte. Le onde secondarie sono chiamate onde diffratte e possono essere osservate ponendo uno schermo ad una distanza dalla fenditura.
Infine ritengo utile elencare brevemente i diversi “tipi” di diffrazione: la diffrazione dei raggi x[7], la diffrazione dell’elettrone, la diffrazione del neutrone[8], la diffrazione di Fraunhofer[9], la diffrazione di Bragg, la diffrazione di Fresnel[10] e la diffrazione atmosferica.
[1] Proprietà comune a tutti i fenomeni ondulatori.
[2] A. Sommerfeld, Optics (Academic press, New York,1954) p.179
[3] Gesuita. “lumen propagatur et diffunditur non solum directe, refracte, ac reflexe, sed etiam alio quodam quarto modo: diffracte”.
[4] Il termine newtoniano che designa la diffrazione è inflexion.
[5] Thomas Young, oltre al più famoso modulo, ha fondato l’ottica fisiologica. E nel 1793 ha spiegato come l’occhio veicola la luce a distanze diverse a seconda del grado di curvatura del cristallino. Nel 1801 ha descritto il difetto ottico noto come astigmatismo.
[6] L’Aia, 1629 – 1695. E’ stato un matematico, astronomo e fisico olandese, fra i protagonisti della rivoluzione scientifica.
[7] La diffrazione dei raggi X è la tecnica più importante per lo studio dei solidi cristallini.
[8] La diffrazione di particelle materiali come gli elettroni è uno dei maggiori punti di forza della meccanica quantistica: osservare la diffrazione di un elettrone o di un neutrone consente di verificare l’esistenza della dualità onda-particella.
[9] Corrisponde al caso in cui la luce diffratta da uno schermo sul quale incide un fascio di raggi luminosi paralleli è osservata a grande distanza dallo schermo stesso.
[10] Si dice diffrazione di Fresnel (o diffrazione da campo vicino) il processo di diffrazione di un’onda, nel caso in cui la distanza tra la fenditura e il piano di osservazione sia piccola rispetto all’ampiezza della fenditura (il che è caratterizzato da un numero di Fresnel prossimo a 1 o maggiore di 1).
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