In questa lezione parliamo di interferenza e diffrazione, uno dei nuovi argomenti di fisica per il TOLC-MED e TOLC-VET.
Nell’articolo spieghiamo cosa sono la diffrazione e l’interferenza. In più, trovi le immagini sulla diffrazione e l’interferenza e la videolezione del nostro tutor di fisica con un esercizio svolto.
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Interferenza
Cos’è l’interferenza della luce? Il significato di interferenza è: i fenomeni di interferenza della luce riguardano l’interazione tra due o più onde coerenti nello stesso punto dello spazio. Due onde sono dette coerenti se la differenza di fase tra esse rimane costante nel tempo.
Il principio che sta alla base dell’interferenza è il principio di sovrapposizione, il quale sancisce che: l’onda risultante dalla presenza simultanea di due o più onde in uno stesso punto dello spazio e data dalla somma delle singole onde.
L’interferenza tra due onde si verifica a condizione che:
- le onde abbiano stessa frequenza e uguale periodo;
- la differenza di fase sia costante o nulla.
In queste condizioni, ci saranno dei punti dello spazio in cui l’onda risultante ha un’ampiezza maggiore delle ampiezze delle singole onde, altri in cui l’intensità risultante sarà inferiore a quella delle singole onde.
Nel primo caso, si parla d’interferenza costruttiva, nel secondo di interferenza distruttiva.
Interferenza costruttiva e distruttiva
Il caso più semplice possibile d’interferenza avviene quando due sorgenti puntiformi S1, S2 emettono ciascuna un’onda sinusoidale, unidimensionale, con la stessa frequenza, lunghezza d’onda (λ) e fase iniziale.
Consideriamo ora un punto P dello spazio, indichiamo con x1 e x2 la distanza tra le due sorgenti e il punto P e con ∆x = x1 – x2 la differenza tra i cammini compiuti dalle due onde per giungere in P.
Si può dimostrare che le onde interferiscono costruttivamente in P se ∆x = (2m)(λ/2). Invece, se ∆x = (2m+1)( λ/2), le onde interferiscono distruttivamente in P. In entrambi i casi, m indica un numero intero (m = ±1, ±2, …).
In sostanza, se la differenza di cammino tra le due onde per arrivare in P è un multiplo pari di mezza lunghezza d’onda si ha interferenza costruttiva, se invece la differenza di cammino è pari a un multiplo dispari di mezza lunghezza d’onda si ha interferenza distruttiva in P.
Fenomeno interferenza costruttiva 
Fenomeno interferenza distruttiva
Esperimento di Young
La natura ondulatoria della luce e il fenomeno dell’interferenza vennero mostrate sperimentalmente nel 1801 dallo scienziato inglese Thomas Young. Young realizzò un celebre esperimento in cui una radiazione luminosa monocromatica (ovvero che presenta da una sola lunghezza d’onda), emessa da una singola sorgente, incide su uno schermo su cui sono praticate due piccole fenditure di larghezza comparabile con λ.
La luce che attraversa le due fenditure incide poi su un secondo schermo, posto ad una distanza (L) molto maggiore della distanza tra le fenditure (d), sul quale si forma una serie di frange chiare e scure chiamata figura di interferenza a bande.
Vediamo ora la spiegazione fisica di questo fenomeno: per il principio di Huygens, quando la luce incide sulle fenditure, queste si comportano come sorgenti di onde sferiche, dette onde secondarie, che hanno la stessa lunghezza d’onda e fase dell’onda che le ha generate. Le due onde secondarie così prodotte interferiscono tra di loro e la figura d’interferenza a bande è il risultato dell’interferenza. In particolare, le bande chiare corrispondono all’interferenza costruttiva delle due onde, le bande scure invece alla loro interferenza distruttiva.
Fissiamo ora sullo schermo un asse che indichiamo con y con origine in corrispondenza dell’asse di simmetria delle fenditure. Si possono relazionare le quantità d, L, λ con le posizioni y dello schermo in cui si osservano frange di interferenza chiare oppure scure. Nello specifico, per angoli piccoli rispetto all’asse di simmetria delle fenditure, si ha che nei punti y = (2m)(λd/2L) si trovano le frange chiare, nei punti y = (2m+1)(λd/2L) si trovano le frange scure.
Schema dell’esperimento di Young
Diffrazione
Cos’è il fenomeno della diffrazione? Il fenomeno della diffrazione si verifica quando un’onda incontra un ostacolo nel proprio cammino. Il fenomeno diviene tanto più evidente quanto più la dimensione dell’ostacolo e la lunghezza d’onda sono comparabili.
Il caso più semplice da analizzare è quello in cui un’onda luminosa monocromatica di lunghezza d’onda λ incide su una fenditura di larghezza d. L’onda prosegue il suo cammino fino a incontrare uno schermo posto a distanza L (molto maggiore di d), sul quale viene raccolta la cosiddetta figura di diffrazione, che mostra un picco d’intensità centrale molto marcato e poi una serie di bande chiare e scure la cui intensità diminuisce man mano che ci si allontana dal picco centrale.
La spiegazione di questo fenomeno fisico è da ricercare ancora una volta nel principio di Huygens, per il quale tutti i punti del fronte d’onda che incide sulla fenditura si comportano come sorgenti di onde sferiche secondarie. Le onde così generate interferiscono tra di loro e l’interferenza che ne risulta dipende dal cammino percorso (diverso per ogni onda secondaria) prima giungere nei vari punti del secondo schermo.
Si dimostra che i minimi di intensità della figura di diffrazione corrispondono ad angoli θ, all’asse di simmetria della fenditura, che soddisfano la relazione sin(θ)=m(λ/d), con m=1, 2,….
Potere risolutivo
Il fenomeno della diffrazione pone un limite alla capacità umana di distinguere oggetti troppo ravvicinati. Questo perché la luce emessa da due oggetti vicini incide sui nostri occhi (che di fatto sono due fenditure circolari) e viene difratta. Se le figure di diffrazione dei due oggetti sono troppo sovrapposte diviene impossibile distinguerli.
Questo limite viene quantificato dal criterio di Rayleigh, il quale stabilisce che l’angolo minimo min θmin (risoluzione angolare) tra due oggetti per cui questi vengono distinti attraverso una fenditura circolare di diametro D, soddisfa la relazione sin(θmin) = 1.22(λ/D), dove λ è la lunghezza d’onda della luce incidente.
Per non avere più dubbi, guarda la videolezione con un esercizio sulla diffrazione e l’interferenza svolto dal nostro tutor di fisica.
Video e immagini nel testo di Antonio Francesco Zirattu, tutor WAU!
Immagine in evidenza di Alexander Lesnitsky da Pixabay
