Difração

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Difração
Difração

Difração (AO 1945: difracção) é um fenômeno que acontece quando uma onda encontra um obstáculo. Em física clássica, o fenômeno da difração é descrito como uma aparente flexão das ondas em volta de pequenos obstáculos e também como o espalhamento, ou alargamento, das ondas após atravessar orifícios ou fendas. Esse alargamento ocorre conforme o princípio de Huygens. Acontece difração com todos os tipos de ondas, incluindo ondas sonoras, ondas na água e ondas eletromagnéticas (como luz visível, raios-X e ondas de rádio). Assim, a comprovação da difração da luz foi de vital importância para constatar sua natureza ondulatória.

Os objetos físicos também têm propriedades ondulatórias (a nível atômico), ocorrendo, portanto, difração com a matéria, o que pode ser estudado de acordo com os princípios da mecânica quântica.[1]

Ainda que a difração ocorra sempre quando as ondas em propagação encontram mudanças, seus efeitos geralmente são marcados por ondas cujo comprimento de onda é comparável às dimensões do objeto de difração. Por isso, a difração acontece mais recorrentemente nas ondas sonoras, pois são ondas com comprimento de onda grande, variando de 2cm a 20m, dimensões mais comuns em nosso mundo e perceptíveis para nós. A difração da luz, nesse sentido, torna-se extremamente mais rara de acontecer, ou perceber, tendo em vista seu pequeníssimo comprimento de onda de 555nm,[2] embora possa ocorrer fenômenos grandiosos com interferência óptica, tais como o arco-íris.

Se o objeto obstrutor oferecer múltiplas fendas, poderá resultar em um padrão complexo de intensidade variável. Isso se deve à interferência, isto é, a uma sobreposição de partes diferentes de uma onda que se propaga até o observador por caminhos diferentes.Richard Feynman escreveu: “Ninguém nunca foi capaz de definir a diferença entre interferência e difração satisfatoriamente. É somente uma questão de linguagem, e não há diferenças físicas específicas ou importantes entre elas.”[3] Tem-se, entretanto, que difração é o fenômeno devido a um obstáculo, já interferência refere-se mais a uma interação entre dois ou mais fenômenos ondulatórios.

História[editar | editar código-fonte]

Embora atualmente o fenômeno da difração seja estudado por si mesmo, antigamente seus estudos foram baseados na curiosidade em desvendar satisfatoriamente a discussão sobre a natureza ondulatória da luz.

Os efeitos da difração da luz foram primeiramente analisados e descritos pelo cientista italiano Francesco Maria Grimaldi, que cunhou o termo "difração" (do latim diffringere, 'quebrar em pedaços'), referindo-se à luz quebrando-se em diferentes direções. Seu conceito de luz era essencialmente ondulatório e explicou a difração da luz analogamente à difração de ondas na água, em que as ondas do mar quebram seu movimento regular ao encontrar um barco ancorado. Determinou também uma relação entre a densidade do meio onde a luz propaga-se e a sua velocidade.[4] Os resultados das observações de Grimaldi foram publicados postumamente em 1665.[5]

Muitos outros cientistas preocuparam-se em determinar a curiosa natureza da luz, estudando, portanto, os efeitos da difração. Surgiram, no século XVII, dois pensamentos científicos distintos: a teoria corpuscular da luz, defendida por Isaac Newton; e a teoria ondulatória da luz, defendida por Christiaan Huygens. Em ambos os lados, vários cientistas apoiavam uma teoria ou outra com seus conhecimentos e constatações e acabavam refutando inteiramente os aspectos da teoria contrária, pois o conceito de partícula (corpúsculo) é totalmente diferente do conceito de onda. Uma partícula transporta matéria, uma onda não o faz; uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda precisa de um meio para propagar-se (era o que se pensava naquele período); uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não o faz.[6]

Escolheu-se o modelo de Newton como o mais coerente por sua explicação sobre as cores e por causa de sua fama devido às suas outras realizações, ainda que a teoria ondulatória de Huygens não tenha caído no esquecimento. Após 123 anos, Thomas Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular. As afirmações de Newton não explicavam por que a luz tinha a mesma velocidade mesmo sendo emitida por corpos diferentes e por que certos corpúsculos eram refletidos e outros refratados. Para ele, considerar a luz uma onda explicaria bem melhor esses fenômenos: as ondas luminosas poderiam, assim como as ondas do mar, anular-se umas às outras ou intensificar-se. Young utilizou desses conceitos para explicar a interferência (através do experimento da dupla fenda) e os “anéis de Newton” tão conhecidos. Entretanto, quanto ao fenômeno da difração e da dupla refração, as explicações de Young deixaram a desejar.[7]

Em 1819, a Academia Francesa de Ciências, dominada por partidários de Newton e disposta a provar que a teoria ondulatória estava errada, promoveu um concurso o qual premiaria o melhor trabalho sobre difração. O engenheiro francês Augustin-Jean Fresnel venceu defendendo a teoria ondulatória da luz, explicando matematicamente a propagação retilínea da luz, as leis de refração de René Descartes e a difração. Mas os newtonianos não estavam satisfeitos. Um deles, Siméon Denis Poisson, chamou atenção para o "estranho fato" de que, se a teoria de Fresnel estivesse correta, as ondas luminosas convergiriam para a sombra de uma esfera ao passarem pela borda do objeto, produzindo um ponto luminoso no centro da sombra. A comissão julgadora realizou um teste e descobriu que o ponto claro de Fresnel, como é chamado até hoje, realmente existia.[8] Na verdade, atualmente entendemos a luz com um comportamento duplo de onda-partícula após a chegada da Física e Mecânica Quânticas, explicações trabalhadas por Albert Einstein e outros.

Explicação teórica[editar | editar código-fonte]

O fenômeno da difração está relacionado com as propriedades de ondas ao transportarem energia de um ponto ao outro do espaço. E é intimamente relacionado ao fenômeno da interferência.

Como as ondas são caracterizadas por uma variação periódica de uma qualquer propriedade, podem interagir entre si quando duas ou mais ondas atravessam a mesma região do espaço. Pode acontecer também que uma onda tenha a sua velocidade e/ou direção mudadas, ao interagir com um objeto ou meio material interposto em seu caminho.

A difração, como dito acima, está relacionada com a interação de uma onda com um obstáculo, ou então quando encontra um orifício através do qual possa atravessar um obstáculo.

A onda então, ao contornar ou atravessar um obstáculo, toma diferentes caminhos (diferentes trajetórias), cujos comprimentos totais podem variar. Da variação dos comprimentos totais atravessados, diversas ondas oriundas da original (segundo o princípio de Huygens) acabam por se recombinar ao passar por um dado ponto do espaço.

Ao passarem por esse ponto do espaço, ondas difratadas de uma mesma origem tem a mesma fase e por isso podem interagir uma com a outra naquele ponto. A recombinação se processa porque as ondas, exibindo propriedades periódicas ao longo do espaço e ao longo do tempo combinam seus máximos e mínimos de amplitude de uma maneira que depende do total de ondas interagentes e das distâncias totais percorridas. O resultado disso varia entre dois extremos: num caso, num dado ponto, um máximo de amplitude se combina com um mínimo, produzindo uma anulação parcial ou total da energia da onda. Por outro lado, quando dois ou mais máximos ou mínimos se encontram, a energia observada é maior.

Note-se que a amplitude não corresponde diretamente à intensidade da onda, já que a segunda grandeza depende do quadrado da primeira. As grandezas que se somam são as amplitudes, embora as energias totais de uma e outra onda que se interferem seja a soma das energias individuais.

Isso se dá porque, se se ativer à definição estrita de onda como fenômeno periódico e na ausência de dispersão (que é a variação da velocidade de ondas em função dos seus comprimentos de onda), uma onda pode ser representada por uma função senoidal do tempo e do espaço. (Ver abaixo)

Difração de Fraunhofer[editar | editar código-fonte]

É o tipo de difração mais simples. Pode-se dizer que este tipo de difração é aquela em que a onda difratada é plana (pelo menos aproximadamente, na pressão de precisão observado) e exige um tratamento matemático mais simples.

dE = \frac{\epsilon_{L}}{R} sen(\omega t-kr)dy

Difração de Fresnel[editar | editar código-fonte]

É o tipo de difração cujo tratamento matemático é mais complexo. Nesse caso, a onda que se desloca não é plana. Para se calcular a distribuição da intensidade da luz difratada em função do ângulo de espalhamento é comum se usar da espiral de Cornu

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. CAJORI, FLORIAN. A History of Physics in its Elementary Branches, including the evolution of physical laboratories. Nova Iorque: MacMillan Company, 1899.
  2. HALLIDAY & RESNICK. 1960. Fundamentos de física, volume 4: óptica e física moderna. 9ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Diffractionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
  4. http://plato.if.usp.br/1-2003/fmt0405d/apostila/oticacorp/node3.html
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction
  6. http://www.ebah.com.br/content/ABAAAexUAAH/relatorio-difracao
  7. http://www.ebah.com.br/content/ABAAAexUAAH/relatorio-difracao
  8. HALLIDAY & RESNICK. 1960. Fundamentos de física, volume 4: óptica e física moderna. 9ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
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