miniaturadeimagen| Un patrón de difracción de un rayo láser rojo proyectado en una placa después de pasar a través de una pequeña abertura circular en otra placa. Difracción es un término que se aplica a varios fenómenos que ocurren cuando una onda se encuentra con un obstáculo o una rendija. Está definida como la desviación de ondas alrededor de las esquinas de un obstáculo o a través de la abertura en la región de una sombra geométrica del obstáculo. El objeto difractante o rendija se convierte efectivamente en una fuente secundaria de la onda de propagación. El científico italiano Francesco Maria Grimaldi acuñó la palabra "difracción" y fue el primero en registrar observaciones precisas del fenómeno en 1660. miniaturadeimagen|Número infinito de puntos (3 mostrados) a lo largo de las contribuciones de fase de la proyección d desde el frente de onda, produciendo una intensidad que varía continuamente θ en la placa de registro. En física clásica, el fenómeno de difracción está descrito por el Principio de Fresnel - Huygens que trata a cada punto en el frente de una onda propagadora como un grupo de ondículas esféricas individuales.Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall communications engineering and emerging technologies series, T. S. Rappaport, Prentice Hall, 2002 pg 126 El patrón de interferencia característico es más marcado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) se encuentra a una rendija/abertura que es comparable en tamaño a su longitud de onda, como es mostrado en la imagen insertada. Esto se debe a la adición, o interferencia, de los diferentes puntos en el frente ondulatorio (o, equivalentemente, de cada ondícula) que viajan por trayectorias de diferentes longitudes a la superficie de registro. Sin embargo, si son múltiples aberturas muy cercanas, pueden resultar en un patrón complejo de intensidad variable.
Estos efectos ocurren cuando una onda de luz viaja a través de un medio con un Índice de refracción variable, o cuando una onda sonora viaja a través de un medio con impedancia acústica variable – todas las ondas se difractan, incluyendo las ondas gravitatorias, ondas de agua, y otras ondas electromagnéticas como rayos X y ondas de radio. Además, la mecánica cuántica también demuestra que la masa posee ondas de materia, y por lo tanto, experimenta difracción (la cual es mensurable desde niveles subatómicos a niveles moleculares).
La difracción y la interferencia están estrechamente relacionadas y son casi – si no exactamente – idénticas en significado. Richard Feynman observa que "la difracción" tiende a ser utilizada cuando se refiere a muchas fuentes ondulatorias, e "interferencia" cuándo solo son consideradas unas cuantas.
Historia derecha|miniaturadeimagen| Boceto de Thomas Young de difracción de dos rendijas para ondas de agua, que presentó a la Royal Society en 1803. Los efectos de la difracción de la luz fueron por primera vez cuidadosamente observados y descritos por Francesco Maria Grimaldi, quien también acuñó el término difracción, del latín diffringere, 'romper en pedazos', refiriéndolo al fraccionamiento de la luz en diferentes direcciones. Los resultados de las observaciones de Grimaldi fueron publicados en 1665 después de su muerte. Isaac Newton estudió estos efectos y los atribuyó a la inflexión de rayos de luz. James Gregory (1638–1675) observó que los patrones de difracción causados por la pluma de un pájaro fueron efectivamente la primera red de difracción en ser descubierta. Thomas Young realizó un experimento celebrado en 1803 que demostraba la interferencia de dos rendijas estrechamente espaciadas.. (Note: This lecture was presented before the Royal Society on 24 November 1803.) Explicando los resultados de la interferencia de ondas que emanan dos diferentes rendijas, dedujo que la luz se debe propagar como ondas. Augustin-Jean Fresnel hizo estudios más definitivos y cálculos de difracción, hechos públicos en 1816 y 1818,Fresnel, Augustin-Jean (1816), "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir on the diffraction of light"), Annales de Chimie et de Physique, vol. 1, pp. 239–81 (March 1816); reprinted as "Deuxième Mémoire…" ("Second Memoir…") in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 89–122. (Revision of the "First Memoir" submitted on 15 October 1815.) y de ese modo dio gran apoyo a la teoría ondulatoria de la luz que había sido fomentada por Christiaan Huygens y revitalizada por Young, en contra de la teoría de la partícula de Newton.Fresnel, Augustin-Jean (1818), "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir on the diffraction of light"), deposited 29 July 1818, "crowned" 15 March 1819, published in Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France, vol. (for 1821 & 1822, printed 1826), pp. 339–475; reprinted in Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel, vol. 1 (Paris: Imprimerie Impériale, 1866), pp. 247–364; partly translated as "Fresnel's prize memoir on the diffraction of light", in H. Crew (ed.), The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel, American Book Company, 1900, pp. 81–144. (First published, as extracts only, in Annales de Chimie et de Physique, vol. 11 (1819), pp. 246–96, 337–78.)
Mecanismo izquierda|miniaturadeimagen|Fotografía de difracción de una sola rendija en una cuba de ondas circular. En física clásica, la difracción ocurre debido a la manera en que las ondas se propagan; esto se describe por el principio de Fresnel - Huygens y el principio de superposición de ondas. La propagación de una onda puede ser visualizada considerando cada partícula del medio transmitido en un frente de onda como punto fuente de una onda esférica secundaria. El desplazamiento ondulatorio en cualquier punto subsecuente es la suma de estas ondas secundarias. Cuando las ondas se suman, la adición está determinada por las fases relativas así como las amplitudes de las ondas individuales de modo que la amplitud sumada de las ondas puede tener cualquier valor entre cero y la suma de las amplitudes individuales. Por lo tanto, los patrones de difracción normalmente tienen una serie de máximos y mínimos.
Según la explicación de la mecánica cuántica moderna de la propagación de luz a través de una rendija (o rendijas), cada fotón se caracteriza por lo que se conoce como una función de onda, la cual describe la trayectoria que sigue el fotón desde la fuente emisora, a través de la rendija y hasta la pantalla. La trayectoria está determinada tanto por el entorno físico como la geometría de la rendija, la distancia de la pantalla y las condiciones iniciales cuando el fotón es creado. La existencia de la función de onda del fotón se demostró en varios experimentos, como el realizado por Geoffrey Ingram Taylor en 1909 (ver experimento de Young). En la perspectiva cuántica el patrón de difracción es creado por la distribución de trayectorias. La presencia de luz y bandas oscuras se debe a la presencia o ausencia de fotones en estas áreas. Este enfoque tiene algunas semejanzas llamativas con el principio de Fresnel - Huygens; según el que cada rendija actúa como una fuente secundaria de luz, dando lugar a diferentes trayectorias para que los fotones atraviesen las rendijas.
Existen varios modelos analíticos que permiten al campo difractado ser calculado, incluida en ellos la ecuación de difracción de Kirchhoff-Fresnel que se deriva de la ecuación de onda, la aproximación de difracción de Fraunhofer de la ecuación de Kirchhoff que se aplica al campo lejano y a la difracción de Fresnel, aproximación que se aplica al campo cercano. La mayoría de los modelos no pueden resolverse de forma analítica, pero se pueden proporcionar soluciones numéricas a través de métodos de elementos finitos y elementos límite.
Es posible obtener una comprensión cualitativa de muchos fenómenos de difracción considerando cómo varían las fases relativas de las fuentes de ondas secundarias individuales y, en particular, las condiciones en el que el desfase es igual a medio ciclo, en cuyo caso las ondas se cancelarán entre sí.
Las descripciones más sencillas de difracción son aquellas en las que el problema se puede reducir a uno bidimensional. Para las ondas de agua, es este ya el caso; estas se propagan solo sobre la superficie del agua. Para la luz, con frecuencia podemos olvidar una dirección si el objeto difractor se propaga en esa dirección a una distancia muy mayor que la de la longitud de onda. En el caso de que la luz brille a través de pequeños agujeros circulares, tendremos en cuenta la naturaleza completa tridimensional del problema.
Ejemplos miniaturadeimagen| Ondas circulares originadas por difracción desde la estrecha entrada de una cantera costera inundada. miniaturadeimagen| Gloria solar en el vapor de unas aguas termales. Una gloria es un fenómeno óptico producido por la luz retrodispersada (una combinación de difracción, reflexión y refracción) hacia su fuente por una nube de gotas de agua de tamaño uniforme. Los efectos de la difracción a menudo se observan en la vida cotidiana. Los ejemplos más llamativos de difracción son aquellos que involucran luz; por ejemplo, las pistas poco espaciadas de un CD o DVD que actúan como una red de difracción para formar el patrón común de arco iris que se aprecia al observar un disco. Este principio puede usarse para diseñar una rejilla con una estructura que pueda producir cualquier patrón deseado de difracción; El holograma en una tarjeta de crédito es un ejemplo. La difracción en la atmósfera debido a que partículas pequeñas pueden hacer que se observe un anillo resplandeciente alrededor de una fuente de luz brillante como el Sol o la Luna. La sombra de un objeto sólido, que usa luz de una fuente compacta, muestra pequeñas franjas cerca de sus bordes. El patrón de manchas que se observa cuando la luz láser cae sobre una superficie ópticamente rugosa también es un fenómeno de difracción. Cuando la carne de charcutería parece ser iridiscente, es decir, la difracción de las fibras de la carne. Todos estos efectos son consecuencia del hecho de que la luz se propaga como una onda.
La difracción puede suceder con cualquier clase de onda. Las olas oceánicas se difractan alrededor de embarcaderos y algunos otros obstáculos. Las ondas de sonido pueden difractarse alrededor de objetos, por lo que se puede aún escuchar a alguien que llama incluso cuando esa persona se esconde detrás de un árbol. La difracción también puede ser una consideración en algunas aplicaciones técnicas; ya que establece un límite fundamental para la resolución de una cámara, telescopio o microscopio.
A continuación se presentan otros ejemplos de difracción.
Difracción por una rendija derecha|miniaturadeimagen| Aproximación numérica del patrón de difracción de una ranura de ancho de cuatro longitudes de onda con una onda plana incidente. El haz central principal, los valores nulos y las inversiones de fase son evidentes. derecha|miniaturadeimagen| Gráfico e imagen de difracción en una sola rendija. Una rendija larga de ancho infinitesimal que está iluminada por luz, la difracta en una serie de ondas circulares y el frente de onda que emerge de la hendidura es una onda cilíndrica de intensidad uniforme, acorde con el principio de Huygens-Fresnel.