Difracción para niños
La difracción es un fenómeno fascinante que ocurre cuando una onda, como la luz o el sonido, se encuentra con un obstáculo o un pequeño agujero. Imagina que las ondas se "doblan" o se "desvían" alrededor de las esquinas de un objeto, o se extienden después de pasar por una abertura. Es como si el obstáculo o el agujero se convirtieran en una nueva fuente de ondas.
El científico italiano Francesco Maria Grimaldi fue el primero en observar y describir con precisión este fenómeno en 1660. Él también inventó la palabra "difracción", que viene del latín y significa "romper en pedazos", refiriéndose a cómo la luz se divide en diferentes direcciones.
En la física, la difracción se explica con el Principio de Fresnel - Huygens. Este principio dice que cada punto en el frente de una onda que avanza puede considerarse como una pequeña fuente de nuevas ondas esféricas. Cuando estas pequeñas ondas se suman, crean un patrón especial de luz y oscuridad. Este patrón es más claro cuando una onda de una fuente de luz muy ordenada (como un láser) pasa por un agujero que es casi del mismo tamaño que la longitud de la onda. Esto sucede porque las ondas de diferentes puntos del agujero viajan distancias ligeramente distintas hasta la pantalla, y al unirse, se refuerzan o se anulan.
La difracción no solo ocurre con la luz. También se da con las ondas de agua, las ondas de sonido, las ondas de radio y hasta con las partículas muy pequeñas, como los electrones, que también se comportan como ondas.
La difracción y la interferencia están muy relacionadas. A veces, se usan casi como sinónimos. El famoso físico Richard Feynman dijo que "difracción" se usa más cuando hablamos de muchas fuentes de ondas, y "interferencia" cuando son solo unas pocas.
Contenido
Historia de la Difracción
Las primeras observaciones detalladas de la difracción de la luz fueron hechas por Francesco Maria Grimaldi, quien publicó sus hallazgos en 1665, después de su fallecimiento. Más tarde, Isaac Newton también estudió estos efectos, llamándolos "inflexión" de los rayos de luz.
James Gregory (1638–1675) notó patrones de difracción causados por las plumas de un pájaro, lo que se considera el primer descubrimiento de una red de difracción natural.
Un experimento muy importante fue el de Thomas Young en 1803. Él demostró cómo la luz se interfería al pasar por dos rendijas muy juntas. Al explicar estos resultados, Young concluyó que la luz debía viajar como ondas, apoyando la idea que había propuesto Christiaan Huygens y que Young revivió, en contra de la teoría de Newton de que la luz estaba hecha de partículas.
Más tarde, Augustin-Jean Fresnel realizó estudios y cálculos más precisos sobre la difracción, publicados entre 1816 y 1818, lo que fortaleció aún más la teoría ondulatoria de la luz.
¿Cómo funciona la Difracción?
En la física clásica, la difracción ocurre por la forma en que las ondas se mueven. Esto se explica con el Principio de Fresnel - Huygens y el Principio de superposición. Imagina que cada punto en el frente de una onda es como una pequeña fuente que crea nuevas ondas esféricas. La onda total en cualquier punto es la suma de todas estas pequeñas ondas.
Cuando las ondas se suman, su resultado depende de si se encuentran en la misma "fase" (es decir, si sus crestas y valles coinciden) o en fases opuestas. Si coinciden, se refuerzan y crean un punto brillante (un "máximo"). Si están en fases opuestas, se anulan y crean un punto oscuro (un "mínimo"). Por eso, los patrones de difracción suelen tener zonas brillantes y oscuras.
Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, que estudia el mundo de lo muy pequeño, cada partícula de luz (llamada fotón) tiene una "función de onda" que describe su camino. Esta función de onda está influenciada por el entorno, como la forma del agujero por donde pasa la luz. El patrón de difracción que vemos es el resultado de cómo se distribuyen los fotones en la pantalla. Las zonas brillantes tienen muchos fotones y las oscuras, pocos.
Ejemplos de Difracción en la Vida Diaria
La difracción es un fenómeno común que podemos ver a nuestro alrededor:
- CDs y DVDs: Las pistas muy juntas en un CD o DVD actúan como una red de difracción, creando los patrones de arcoíris que vemos al mirar el disco. Los hologramas en las tarjetas de crédito también usan este principio.
- Anillos alrededor del Sol o la Luna: A veces, vemos un anillo brillante alrededor del Sol o la Luna. Esto se debe a la difracción de la luz en pequeñas partículas en la atmósfera.
- Sombras: Si miras la sombra de un objeto con una fuente de luz pequeña, notarás pequeñas franjas de luz y oscuridad cerca de los bordes.
- Carne iridiscente: Cuando la carne de charcutería parece brillar con colores, es por la difracción de la luz en las fibras de la carne.
- Olas del océano: Las olas se doblan alrededor de los espigones y otros obstáculos en el agua.
- Sonido: Puedes escuchar a alguien que te llama incluso si está escondido detrás de un árbol, porque las ondas de sonido se difractan alrededor del árbol.
- Límite de resolución: La difracción también limita lo bien que pueden ver las cámaras, telescopios y microscopios. Por eso, los telescopios tienen lentes muy grandes: para reducir los efectos de la difracción y ver más detalles.
Difracción por una Rendija
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Cuando la luz pasa por una rendija (un agujero largo y estrecho), se extiende en forma de ondas circulares. Si la rendija es más ancha que la longitud de onda de la luz, se forman patrones de luz y oscuridad. Esto ocurre porque la rendija actúa como si tuviera muchas fuentes de luz pequeñas a lo largo de su ancho. La luz de estas fuentes se combina, y si las ondas se encuentran en fase, se refuerzan (creando luz); si se encuentran en fase opuesta, se anulan (creando oscuridad).
Por ejemplo, un primer punto oscuro (mínimo) en el patrón de difracción ocurre cuando la luz de un borde de la rendija se anula con la luz del centro de la rendija. Esto sucede cuando la diferencia en la distancia que recorren es igual a la mitad de la longitud de onda de la luz.
Los puntos oscuros se encuentran en ángulos específicos que dependen del ancho de la rendija (d) y la longitud de onda de la luz (λ). La fórmula para estos ángulos es:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): d\,\sin\theta_\text{min} = n\lambda
Donde:
- d es el ancho de la rendija.
- θmin es el ángulo donde aparece un punto oscuro.
- λ es la longitud de onda de la luz.
- n es un número entero (1, 2, 3, etc.) que indica el orden del punto oscuro.
Si la rendija es mucho más pequeña que la longitud de onda, la luz se extiende casi por igual en todas las direcciones. Si es mucho más grande, la luz se comporta más como un rayo recto, como en la Óptica geométrica.
Red de Difracción
Una red de difracción es un componente óptico con un patrón regular, como muchas rendijas muy juntas. La luz que pasa por una red de difracción forma patrones de intensidad en ángulos específicos. Estos ángulos dependen del ángulo en que la luz llega, la separación entre los elementos de la red y la longitud de onda de la luz.
La luz difractada por una red es una combinación de los patrones de difracción de cada elemento y la interferencia entre ellos. Cuantos más elementos tenga la red, más nítidos y definidos serán los patrones de luz.
Agujero Circular
Cuando una onda de luz plana incide en un agujero circular, el patrón de difracción que se forma a lo lejos se conoce como Disco de Airy. Este patrón tiene un punto central brillante rodeado por anillos concéntricos de luz y oscuridad. Cuanto más pequeño sea el agujero, más grande será el patrón de luz que se extiende.
Propagación de un Rayo Láser
La forma en que un rayo láser se extiende a medida que viaja está determinada por la difracción. Un rayo láser ideal, con un frente de onda plano, se extiende lo menos posible para un diámetro dado. Cuanto más pequeño es el rayo al salir, más rápido se dispersa. Para reducir la dispersión de un rayo láser, se puede usar un sistema de lentes para hacerlo más ancho, lo que resulta en una menor divergencia.
Imágenes Limitadas por Difracción
La capacidad de un sistema de imágenes (como una cámara o un telescopio) para ver detalles muy pequeños está limitada por la difracción. Esto se debe a que la luz que entra por una lente o espejo circular se difracta y no se enfoca en un solo punto, sino que forma un Disco de Airy.
Si intentamos ver dos puntos de luz muy cercanos, cada uno creará su propio Disco de Airy. Si los puntos están demasiado cerca, sus patrones de Airy se superpondrán tanto que no podremos distinguirlos como dos puntos separados. El Criterio de Rayleigh nos dice cuándo dos puntos pueden considerarse separados: cuando el centro del patrón de Airy de uno coincide con el primer anillo oscuro del otro.
Por lo tanto, cuanto más grande sea la apertura de la lente (o espejo) y más corta sea la longitud de onda de la luz, mejor será la resolución del sistema de imágenes. Por eso, los telescopios tienen espejos muy grandes y los microscopios ópticos tienen un límite en los detalles que pueden ver.
Patrones de Manchas
El patrón de manchas que se ve cuando un puntero láser ilumina una superficie rugosa es otro ejemplo de difracción. Se produce porque la luz del láser se refleja en la superficie rugosa, creando muchas ondas con fases diferentes que se superponen y se suman de forma aleatoria, formando un patrón de luz y oscuridad irregular.
Principio de Babinet
El Principio de Babinet es una regla útil que dice que el patrón de difracción de un objeto opaco es igual al patrón de difracción de un agujero del mismo tamaño y forma, aunque con diferentes intensidades. Esto significa que, por ejemplo, el patrón de difracción de un disco pequeño es similar al de un agujero circular del mismo tamaño.
Patrones de Difracción
Podemos observar algunas cosas generales sobre los patrones de difracción:
- Tamaño del objeto: Cuanto más pequeño es el objeto que causa la difracción, más "ancho" o extendido es el patrón de difracción que se forma. Y viceversa.
- Escala: Los ángulos de difracción no cambian si se escala el objeto y la longitud de onda en la misma proporción. Solo dependen de la relación entre la longitud de onda y el tamaño del objeto.
- Estructura periódica: Si el objeto que causa la difracción tiene una estructura que se repite, como una red de difracción, los patrones de luz y oscuridad se vuelven más nítidos y definidos.
Difracción de Partículas
La teoría cuántica nos enseña que todas las partículas, incluso las que tienen masa, pueden comportarse como ondas. Esto significa que las partículas también pueden difractarse. La difracción de electrones y neutrones fue una prueba muy importante para la mecánica cuántica. La longitud de onda asociada a una partícula se llama longitud de onda de De Broglie.
Para la mayoría de los objetos grandes que vemos a diario, esta longitud de onda es tan increíblemente pequeña que no podemos notarla. Sin embargo, para partículas muy pequeñas como electrones, neutrones, átomos y moléculas pequeñas, la difracción de sus ondas sí es visible. Debido a sus cortas longitudes de onda, estas "ondas de materia" son ideales para estudiar la estructura de los cristales y las moléculas.
Difracción de Bragg
La difracción de Bragg ocurre cuando las ondas se dispersan en una estructura tridimensional que se repite, como los átomos en un cristal. Es similar a lo que sucede con una red de difracción. La difracción de Bragg es el resultado de la interferencia entre las ondas que se reflejan en diferentes planos dentro del cristal.
La condición para que esta interferencia sea constructiva (es decir, para que se formen puntos brillantes) se conoce como la Ley de Bragg:
Donde:
- λ es la longitud de onda de la onda.
- d es la distancia entre los planos de átomos en el cristal.
- θ es el ángulo de la onda difractada.
- m es un número entero que indica el orden del rayo difractado.
La difracción de Bragg se observa con rayos X (que tienen longitudes de onda muy cortas) y con ondas de materia como los neutrones y electrones, cuyas longitudes de onda son similares o más pequeñas que la distancia entre los átomos. El patrón que se produce nos da información sobre las distancias entre los planos de los cristales, lo que permite a los científicos descubrir cómo están organizados los átomos en su interior.
Coherencia
La explicación de la difracción se basa en que las ondas de la misma fuente se combinan después de tomar diferentes caminos. Para que esto funcione bien, las ondas deben estar "coherentes", es decir, su fase (la posición de sus crestas y valles) debe estar relacionada de manera predecible.
La distancia en la que la fase de un rayo de luz se mantiene relacionada se llama longitud de coherencia. Para que haya interferencia, la diferencia en la longitud de los caminos que toman las ondas debe ser menor que esta longitud de coherencia. Si las ondas se emiten con demasiado tiempo de diferencia o desde una fuente muy grande, pueden volverse "incoherentes", y el patrón de difracción no será constante.
En el caso de partículas como electrones o átomos, la longitud de coherencia está relacionada con el tamaño de la "función de onda" que describe la partícula.
Véase también
En inglés: Diffraction Facts for Kids
- Difractómetro
- Difracción de electrones
- Difracción de Fraunhofer
- Difracción de Fresnel
- Difracción de neutrones
- Refracción
- Cristalografía de rayos X
