Cos'è la diffrazione?

Quando un'onda incontra sulla sua strada un ostacolo o è costretta a passare attraverso una piccola fenditura, sotto certe condizioni fisiche che indagheremo, manifesta un comportamento peculiare: essa (e con essa l'energia che trasporta) è in grado di raggiungere anche punti che non sarebbero raggiungibili se la propagazione avvenisse per raggi d'onda rettilinei. È come se l'onda si "rompesse" (da cui il nome del fenomeno dal latino "diffractus" participio passato di de-frangere coniato per la prima volta da F.M. Grimaldi nel 1665) e si ricomponesse, sparpagliandosi, al di là dell'ostacolo o della fenditura. Come l'interferenza e la polarizzazione, la diffrazione è un "marchio di fabbrica" del comportamento ondulatorio e quindi manifesta inequivocabilmente la natura ondulatoria degli enti che la producono (luce, suono, onde,ecc). La spiegazione della diffrazione non può quindi cadere nel dominio dell'ottica geometrica ma richiede una trattazione "ondulatoria". Ad un livello più qualitativo il solo principio di Huygens è in grado di spiegare il fenomeno mentre per una trattazione più quantitativa è necessario ricorrere alla teoria dell'interferenza.

dimensioni della feritoia stretta	dimensioni della feritoia larga

Diffrazione prodotta da un ostacolo

Cosa succede se un'onda incontra un ostacolo le cui dimensioni trasversali (cioè perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda) diventano confrontabili (o inferiori) con la lunghezza d'onda dell'onda incidente? Per sperimentarlo ti invitiamo a visitare il nostro laboratorio virtuale Onde 2D. Ti proponiamo di seguito una serie di esperienze guidate, ma puoi benissimo sperimentare nuove configurazioni e nuovi esperimenti. L'applet è molto intuitivo; per una corretta comprensione di quello che osservi, tieni solo presente che le zone colorate rappresentano l'ampiezza dell'oscillazione. Tanto più brillante appare il colore, maggiore è l'ampiezza delle oscillazioni (verde per le cime, rosso per le valli).

• Diffrazione prodotta da un semipiano
• Diffrazione prodotta da un ostacolo

Le esperienze lasciano pochi dubbi: quando le dimensioni dell'ostacolo sono minori della lunghezza d'onda dell'onda incidente, quest'ultima prosegue quasi imperturbata come se non "avesse visto" il corpo! È il caso di commentare "Come può uno scoglio arginare il mare?" Il principio di Huygens spiega perfettamente la situazione mentre ad essere in estrema difficoltà è la spiegazione corpuscolare newtoniana che utilizza raggi d'onda rettilinei (che prevederebbe sempre la formazione di zone d'ombra al di là dell'ostacolo).

Nella tabella seguente sono riportate le lunghezze d'onda tipiche di alcune onde e le dimensioni caratteristiche di alcuni ostacoli.

Ad esempio

tipo d'onda	lunghezza d'onda	ostacolo	dimensioni tipiche dell'ostacolo
suono	da 1,5 cm a 20 m	edificio, testa di una persona	alcune decine di metri
onde radio	maggiore di 10 cm	colline, montagna	da qualche centinaio di metri a qualche chilometro
onde del mare	decina di metri	scoglio	qualche metro
luce visibile	qualche centinaio di nanometri	un essere umano	un paio di metri
raggi X	qualche di nanometro	un elettrone	da vedere

La condizione di diffrazione è naturalmente relativa: onde che si diffrangono su determinati ostacoli non fanno altrettanto se la loro lunghezza d'onda è molto minore delle dimensioni dell'ostacolo!!

• Quali onde supereranno gli ostacoli elencati senza quasi accorgersi della loro presenza?
• Volendo "vedere" un elettrone quale onda useresti?

È il caso di sottolineare infine che quando le condizioni di diffrazione non sono soddisfatte (cioè quando le dimensioni dell'ostacolo sono molto maggiori della lunghezza d'onda dell'onda incidente) otteniamo un fenomeno ben noto: l'onda non è in grado di aggirare l'ostacolo e quindi si crea, oltre l'ostacolo, una "zona d'ombra" non raggiunta dall'energia trasportata dall'onda. Ad esempio una persona viene tranquillamente aggirata dalle onde sonore ma crea un'ombra quando viene investita dalla luce visibile (di lunghezza molto minore delle dimensione tipica di una persona). È per tale motivo che Newton, erroneamente, considerò la luce come costituita da corpuscoli: in condizioni ordinarie le condizioni per la diffrazione della luce non sono certo verificate! Le onde sonore vengono fermate da una grande parete (qualche decina di metri) che però è tranquillamente aggirata dalle onde radio.

Diffrazione prodotta da un'apertura su di uno schermo

Un secondo tipo di diffrazione, per così dire complementare alla precedente, si verifica quando l'ostacolo è di dimensioni enormi (rispetto alla lunghezza d'onda della luce) ma contiene una piccola fenditura che lascia passare l'onda. Se vuoi visualizzare la situazione visita il laboratorio virtuale Onde 2D e sperimenta l'esperienza descritta alla pagina Passaggio di un'onda da una singola fenditura.

Le "sensata esperienza" sembra concepita apposta per evidenziare le onde sferiche secondarie previste dal principio di Huygens e per mettere in difficoltà l'interpretazione corpuscolare che prevederebbe, al di là della fenditura, un'onda di larghezza confrontabile a quella della fenditura stessa. E' sicuramente vero che Huygens sia stato condotto alla formulazione del suo principio dall'osservazione delle onde piane di uno specchio d'acqua costrette a passare attraverso una piccola (minore della lunghezza d'onda delle onde stesse) fenditura. L'estensione del suo principio alla luce ha richiesto sicuramente maggiore "coraggio" : dopotutto se osserviamo la luce passare attraverso i fori della nostra "tapparella" vediamo una zona luminosa netta che riproduce esattamente per dimensione e forma, il foro della tapparella. Come mai la luce sembra, in questo caso, non diffrangersi? Non abbiamo certo intenzione di dirtelo: se hai compreso le spiegazioni precedenti la risposta ti apparirà ovvia!!

Approfondimenti e collegamenti

Se vuoi approfondire la diffrazione delle onde sonore visita la sezione dedicata

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