Difrakzio (fisika)

Fisika arloan difrakzioa uhinen berezko fenomeno bat da: uhinen desbiderapena oztopo edo zirrikitu baten aurrean. Difrakzioa edozein motatako uhinetan gerta daiteke: soinu-uhinetan, fluido bateko uhinetan edo uhin elektromagnetikoetan, hala nola argi ikusgai eta irrati-uhinak. Halaber, fenomeno hau tamaina finituko uhin talde bat zabaltzen denean gertatzen da. Adibidez, laser baten argi-uhinen sortak azkenean dibergitu behar du izpi zabalago batean igorletik distantzia zehatz batera.

Difrakzioa argiaren 5 fenomenoetariko bat da, besteak islapena, errefrakzioa, interferentzia eta polarizazioa izanik.

Historia

Argiaren difrakzioaren efektuak lehen aldiz Francesco Maria Grimaldik behatu eta bereizi zituen, Francescok difrakzio kontzeptua ere asmatu zuen, latinetik diffringere (zatitan apurtu). Grimaldiren behaketen emaitza 1665ean publikatu ziren bera hil ondoren. Isaac Newtonek efektu horiek aztertu zituen eta argi izpien inflexioari egotzi zizkion. James Gregoryk (1638-1675) hegazkin luma batek eragindako difrakzio patroiak behatu zituen, hegazkin luma aurkitu zen lehen difrakzio zursarea izan zen. Thomas Youngek 1803an esperimentu ezagun bat egin zuen irekidura mehe batek eragindako interferentzia frogatuz. Esperimentu honen emaitzen bitartez argia uhin bat bezala higitzen dela deduzitu zuen.

Teoria

Zirrikitu zirkular batek eragindako difrakzioa laser baten gain

Difrakzioa maila fenomenologikoan uler dezakegu Huygensen printzipioren bitartez. Printzipio honen arabera uhin-fronte bat ikusarazi dezakegu igorle puntual-segida bat bezala, zeinek oszilatzean uhina berrigortzen dute bere hedapenean lagunduz. Banakako oszilatzaile bakoitzak uhin esferiko bat igorri arren, uhin guztien arteko interferentzia uhin lau bakar batean bilakatzen da hasierako uhinaren noranzko berberean hedatzen dena. Uhin-frontea oztopo batekin aurkitzean muturretako igorleek ez dute beste igorlerik beraien uhinei eragozteko. Hortaz, uhin hauen forma esfera edo zilindro baten antzekoa da. Honenbestez, uhin-fronteak moztuta izandako lekuan forma biribila hartzean hedapen norabidea aldatu egiten da, oztopora zuzenduz. Uhinak ertzak “tolestu” egiten dituela esan ohi da.

Zirrikitu hexagonal batek eragindako difrakzioa laser batean

Difrakzioaren efektuaren eragina matematikoki iragarri ahal da bi hurbilpen ezberdin erabiliz. Fraunhofer difrakzioari esker oztopo batek eragindako fenomenoaren portaera zenbatetsi dezakegu, baldin eta oztopoa ikerkuntza eremutik nahiko urrun badago. Metodo matematiko nahiko erraza da baina mugatuta baldintza honen ondorioz. Bestalde, Fresnel difrakzioak uhinen elongazioen izaera bektoriala kontutan hartzen du difrakzioa eragiten duen oztopoaren inguruan aurreikuspenak egitea ahalbidetuz. Fraunhofer metodoa baino konplexuagoa da matematikoki eta beraz, Fresnel metodoa bakarrik Fraunhofer metodoa aplikatu ezin den eremuetan aplikatzen da.

Interesgarria da difrakzioa uhin-ekuazioaren ondorio gisa ulertzea. Uhin lau eta infinitu bat uhin-ekuazioaren emaitza da; uhin lau eta moztu bat, ordea, ez. Uhin lau eta moztu bat uhin-ekuazioaren emaitza izateko difrakzioaren fenomenoa sartu behar da. Laser-izpi bat uhin lau bat da, baina mugatua igorle dispositiboaren dimentsio finituen ondorioz. Kasu honetan, berehalako ondorioa uhin-ekuazioak baldintza hori ez irautea eskatzen duela da. Hortaz, difrakzio osagaia gehitu egiten da. Honen ondorioz, argi-sortak dibergitzen du aurrera egiten duen heinean, bere sekzioa handituz.

Difrakzioa eta interferentzia

Difrakzioa eta interferentzia bi fenomeno bereizezinak dira, izan ere maiz zaila izaten da biak bereiztea. Hau gertatzen da difrakzioa interferentzia mota partikular bat delako. Richard Freynmanek^[1] zioen arabera:

Zirrikitu bakar batek eragindako difrakzioa laser batean. Zero eta bat ordenak ikusten dira

<<Inor ez da gai izan interferentzia eta difrakzioaren arteko diferentzia era egoki batean definitzen. Erabileraren araberako kontua baino ez da, ezberdintasun fisiko garrantzizkorik gabe>>

100 zirrikituko sareta batek eragindako difrakzioa laser batean

Horrenbestez, fisikan interferentzia forma espezifikoak aztertu behar direnean bereizi behar dira interferentzia horrek eragindako efektuak difrakzioak eragindako efektuengandik.

Interferentzia gertatzen da uhin-luzera λ objektuaren dimentsioa baino handiagoa denean, beraz difrakzioaren eraginak murrizten dira baztergarriak izan arte objektuaren neurriak handitzen diren heinean uhin-luzerarekin alderatuta.

Aplikazioak

Argazkilari eta mikroskopiolarientzat difrakzioa irudi argiak lortzeko muga bat izan ohi da. Hala eta guztiz ere, difrakzioaren efektua aprobetxatu ahal da zenbait teknika ezberdin aplikatzeko.

Difrakzioaren hiru aplikazio: 1) uhin-partikula dualtasuna frogatzeko esperimentuak, 2) difrakzio ereduen analisia material kristalinoen egitura ezagutzeko eta 3) difrakzio sareak erabiltzea espektrometroak (materialetan aurkitzen diren substantzia ezberdinak identifikatzeko erabiltzen diren gailuak) fabrikatzeko.

Uhin-korpuskulu dualtasunari esker partikulen difrakzioa neutroi edo elektroi gisa behatu ahal da. Hau aldeko argumentu nagusietariko bat izan zen mekanika kuantikoaren hasieran partikula subatomikoen deskribapen ondulatorioari buruz.

Espektro elektromagnetikoari dagokionez, X izpiak uhin-luzera eta materiaren distantzia interatomikoak antzeko dira. Honenbestez, X izpien difrakzioa erabili ahal da kristalen eta egitura periodikoa duten beste zenbait materialen egitura aztertzeko.

Adibidez, X izpien difrakzioak egitura kristalino batek eraginda (adibidez gatza NaCl) Braggen legea egiaztatzen du. Difrakzioaren ereduaren geometria aztertuz ondorioztatu ahal da laginaren molekulak ze egituran ordenatzen diren. Teknika hau erabili zen DNAren egitura ezagutzeko, eta James Watson eta Francis Crickek erabili zuten beren helize bikoitzeko konfigurazioa frogatzeko 1953an.^[2]

Espektro elektromagnetiko ikusgaiari dagokionez difrakzioaren fenomenoa zenbait substantzia aztertzeko eta identifikatzeko erabiltzen da teknika elektroskopiko^[3] baten bitartez. Adibidez, xurgapen optikoko espektrometroek hurrengo instrumentazioa daukate: lanpara batek lagina argitzen du (kolorante bat izan daiteke likido garden batean disolbatuta); laginak igortzen duen argiak kolorantearen egitura eta konposizioari buruzko informazioa dauka eta difrakzio zursare baten bitartez argi hau deskonposatzen da (prisma batek argi izpi batekin egiten duen bezala) argia sentsore batera zuzenduz, sentsore hau ordenagailu bati konektatuta dago. Difrakzio zursarea ezinbesteko elementua da zehaztasun handiko instrumentuak ekoizteko.

Erreferentziak

↑ «The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 30: Diffraction» www.feynmanlectures.caltech.edu (Noiz kontsultatua: 2019-11-24).
↑ Crouse, David T.. [https://wwwusers.ts.infn.it/~milotti/Didattica/Biophysics/handouts/Crouse/ed084p803.pdf X-ray Diffraction and the Discovery of the Structure of DNA, A Tutorial and Historical Account of James Watson and Francis Crick’s Use of X-ray Diffraction in Their Discovery of the Double Helix Structure of DNA. ].
↑ «Wayback Machine» web.archive.org 2018-07-12 (Noiz kontsultatua: 2019-11-24).

Ikus, gainera

Kanpo estekak

Datuak: Q133900
Multimedia: Diffraction / Q133900

[1] «The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 30: Diffraction» www.feynmanlectures.caltech.edu (Noiz kontsultatua: 2019-11-24).

[2] Crouse, David T.. [https://wwwusers.ts.infn.it/~milotti/Didattica/Biophysics/handouts/Crouse/ed084p803.pdf X-ray Diffraction and the Discovery of the Structure of DNA, A Tutorial and Historical Account of James Watson and Francis Crick’s Use of X-ray Diffraction in Their Discovery of the Double Helix Structure of DNA. ].

[3] «Wayback Machine» web.archive.org 2018-07-12 (Noiz kontsultatua: 2019-11-24).

[1]

[2]

[3]