4 : Diffraction
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Dans le chapitre précédent, nous avons implicitement considéré les fentes comme des objets ayant des positions mais aucune taille. Les largeurs des fentes ont été considérées comme négligeables. Lorsque les fentes ont des largeurs finies, chaque point le long de l'ouverture peut être considéré comme une source ponctuelle de lumière, fondement du principe de Huygens. Comme les instruments optiques du monde réel doivent avoir des ouvertures limitées (sinon, aucune lumière ne peut entrer), la diffraction joue un rôle majeur dans la façon dont nous interprétons la sortie de ces instruments optiques. Par exemple, la diffraction limite notre capacité à résoudre des images ou des objets. C'est un problème que nous étudierons plus loin dans ce chapitre.
- 4.1 : Prélude à la diffraction
- Grâce au principe de Huygens, nous pouvons imaginer qu'un front d'onde équivaut à une infinité de sources ponctuelles d'ondes. Ainsi, une onde provenant d'une fente peut se comporter non pas comme une seule vague mais comme un nombre infini de sources ponctuelles. Ces ondes peuvent interférer entre elles, créant ainsi un schéma d'interférence sans la présence d'une seconde fente. Ce phénomène s'appelle la diffraction.
- 4.2 : Diffraction à fente unique
- La diffraction peut envoyer une onde sur les bords d'une ouverture ou d'un autre obstacle. Une seule fente produit un motif d'interférence caractérisé par un large maximum central avec des maxima plus étroits et plus faibles sur les côtés.
- 4.3 : Intensité de la diffraction à fente unique
- Le diagramme d'intensité de la diffraction due à une seule fente peut être calculé à l'aide de phaseurs tels que\(I = I_0 \left(\frac{sin \space \beta}{\beta}\right)^2,\) D est la largeur de la fente, λλ est la longueur d'onde et θθ est l'angle par rapport au pic central.\(\beta = \frac{\phi}{2} = \frac{\pi D \space sin \space \theta}{\lambda}\)
- 4.4 : Diffraction à double fente
- Avec des fentes réelles de largeurs finies, les effets de l'interférence et de la diffraction agissent simultanément pour former un schéma d'intensité complexe. Les intensités relatives des franges d'interférence au sein d'un diagramme de diffraction peuvent être déterminées. Les ordres manquants se produisent lorsqu'un maximum d'interférence et un minimum de diffraction sont situés ensemble.
- 4.5 : Réseaux de diffraction
- Un réseau de diffraction est constitué d'un grand nombre de fentes parallèles régulièrement espacées qui produisent un motif d'interférence similaire mais plus net que celui d'une double fente. Une interférence constructive se produit lorsque la\(d \space sin \space \theta = m \lambda\) forme est = 0, ± 1, ±2,..., où d est la distance entre les fentes, θ est l'angle par rapport à la direction incidente et m est l'ordre de l'interférence.
- 4.6 : Ouvertures circulaires et résolution
- La lumière diffracte lorsqu'elle se déplace dans l'espace, contourne les obstacles et interfère de manière constructive et destructive. Cela peut être utilisé comme outil spectroscopique (un réseau de diffraction disperse la lumière en fonction de la longueur d'onde, par exemple, et est utilisé pour produire des spectres), mais la diffraction limite également les détails que nous pouvons obtenir dans les images. La diffraction limite la résolution dans de nombreuses situations. L'acuité de notre vision est limitée parce que la lumière traverse la pupille, qui est l'ouverture circulaire de l'œil.
- 4.7 : Diffraction des rayons X
- Les photons X étant très énergétiques, ils ont des longueurs d'onde relativement courtes. Ainsi, les photons X classiques agissent comme des rayons lorsqu'ils rencontrent des objets macroscopiques, tels que des dents, et produisent des ombres nettes. Cependant, comme les atomes ont une taille de l'ordre de 0,1 nm, les rayons X peuvent être utilisés pour détecter l'emplacement, la forme et la taille des atomes et des molécules. Ce processus, appelé diffraction des rayons X, implique l'interférence des rayons X pour produire des motifs.
- 4.8 : Holographie
- Un hologramme est une véritable image tridimensionnelle enregistrée sur film par des lasers. Les hologrammes sont utilisés pour le divertissement, la décoration d'articles de fantaisie et de couvertures de magazines, la sécurité des cartes de crédit et des permis de conduire (un laser et d'autres équipements sont nécessaires pour les reproduire) et pour le stockage sérieux d'informations tridimensionnelles. Vous pouvez voir qu'un hologramme est une véritable image tridimensionnelle, car les objets changent de position relative dans l'image lorsqu'ils sont vus sous différents angles.
Vignette : La diffraction des rayons X à partir du cristal d'une protéine (lysozyme d'œuf de poule) a produit ce schéma d'interférence. L'analyse du profil fournit des informations sur la structure de la protéine. (crédit : « Del45 » /Wikimedia Commons)