Difração

A difração acontece quando a onda, ao encontrar um obstáculo ou atravessar uma fenda, com dimensões equivalentes ao seu comprimento de onda, fragmenta-se no seu espectro. Ele ocorre independentemente do tipo de onda, contudo, dependendo do formato da fenda (fenda simples, fenda dupla, abertura circular ou rede de difração), teremos a formação de padrões de imagens diferentes, mas todos com regiões iluminadas, conhecidas como máximos, cercadas de regiões sem iluminação, conhecidas como mínimos.

A difração e a refração, apesar de termos parecidos, são fenômenos bem distintos. Enquanto a primeira é definida como a capacidade de atravessar fendas, a segunda ocorre quando a onda passa de um meio para outro, mudando a sua velocidade de propagação e, consequentemente, a direção dos raios de luz.

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Resumo sobre difração

• A difração explica o ato de contornar da onda ao se deparar com um obstáculo.
• Comprimento de onda é a distância entre a crista de uma onda até a outra crista.
• A difração ocorre em todos os tipos de ondas, mecânicas e eletromagnéticas.
• Na difração por uma fenda, temos uma imagem com diversos pontos de luz e pontos sem luz.
• Na difração em fendas duplas, temos uma imagem que é combinação entre a difração e a interferência das ondas quando atravessam as fendas.
• A rede de difração é o conjunto de N fendas, espaçadas igualmente, em que, quando a luz bater, sofrerá difração.
• Na difração por uma abertura circular, temos um orifício circular à frente do aparato.
• O termo difração surgiu com Francesco Grimaldi, vindo do latim, diffringere, significando “quebrar em pedaços”, já que a luz se fragmentava em diversas direções.

Videoaula sobre difração

Como ocorre a difração?

A difração é um fenômeno ondulatório em que as ondas desviam ou contornam barreiras e fendas que estão no seu caminho. Para que ela ocorra, é indispensável que exista interação entre a onda e o obstáculo, mas também que as dimensões do obstáculo tenham tamanho comparável ao comprimento de onda (distância entre dois pontos equivalente a uma onda). Se isso não ocorrer, não haverá difração, como podemos ver na figura abaixo.

A difração ocorre quando temos um laser, por exemplo, que emitirá feixes de luz que atravessarão a fenda, orifício ou obstáculo, e, após sua passagem, ele continuará se propagando até encontrar um anteparo, a superfície onde ocorrerá a formação da sua imagem.

Como a onda tomará diferentes trajetórias ao contornar ou passar por esse obstáculo, cujos comprimentos totais variarão, serão geradas diversas ondas provenientes da original que se recombinarão no anteparo, formando diferentes imagens (ou padrões) de difração.

Essas imagens dependerão exclusivamente do formato da fenda ou do orifício. Elas conterão regiões iluminadas (são os pontos de máximos criados pela interferência construtiva) cercadas de regiões escuras (pontos de mínimos formados pela interferência destrutiva).

No cotidiano dificilmente vemos o efeito da difração da luz por seu comprimento de onda possuir dimensões minúsculas, de modo que é necessário uma fenda entre \(\mathbf{4}\bullet{\mathbf{10}}^{-\mathbf{7}}\) metros e \(\mathbf{5},\mathbf{5}\bullet{\mathbf{10}}^{-\mathbf{7}} \) metros de espessura.

Contudo, nas ondas sonoras, as dimensões já são mais perceptíveis e difíceis de serem evitadas, seu comprimento de onda é da ordem de 1 metro. Por isso, conseguimos acessar o wi-fi ainda que a alguns metros de distância do modem; ouvir mesmo que estejamos atrás de paredes que não permitem a passagem de som; e criar hologramas.

Difração e tipos de onda

A difração acontece em todos os tipos de ondas, tanto em ondas mecânicas, como o som ou ondas geradas em cordas, quanto em ondas eletromagnéticas, estando ou não na faixa visível, como a luz branca e a luz ultravioleta respectivamente.

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Difração e fendas

De acordo com a abertura que está à frente do laser que emitirá as ondas, obteremos diferentes imagens. Abaixo podemos ver algumas dessas imagens formadas.

À medida que o tamanho da fenda pela qual a onda passa aumentar, o fenômeno da difração ocorrerá de forma menos intensa, estando relacionado ao comprimento de onda.

• Difração por uma fenda

Quando a luz atravessa uma única fenda, temos a formação de uma imagem com diversos pontos de luz e pontos com ausência de luz, os quais podem ser chamados, respectivamente, de franjas claras ou máximos e franjas escuras ou mínimos, devido à relação entre o comprimento de onda incidido e a largura da fenda, como podemos ver na imagem abaixo.

Além disso, no que se refere ao atingimento do obstáculo, quanto maior for o percurso da onda após ele, maior será seu espalhamento até chegar à parede. Abaixo da imagem formada pela difração em uma fenda, temos o gráfico gerado pela intensidade da luz relacionada ao aumento do ângulo entre o feixe e a normal, em que a onda será maior no centro e, conforme nos afastamos, há uma diminuição em seu brilho.

• Difração por duas fendas

A difração em fenda dupla foi um experimento desenvolvido por Thomas Young (1773-1829), em que constam o fenômeno da difração e o fenômeno da interferência entre os feixes de luz atravessados por cada uma das fendas. Assim, a imagem formada no anteparo é uma figura de difração sobre as franjas de interferência construtiva (regiões iluminadas) e destrutiva (regiões escuras).

De acordo com o espaçamento entre os orifícios e fendas, teremos maior ou menor distância entre os máximos e os mínimos de luz, ou seja, se tivermos uma fenda extremamente fina, os máximos e mínimos serão mais espaçados.

Rede de difração

A rede de difração é uma combinação de N fendas espaçadas igualmente, nas quais a luz bate e sofre difração em um espectro bem definido. É necessário destacar que deve haver números astronômicos de fendas, acima de três mil.

Em razão disso, a imagem formada não apresenta mais franjas e sim linhas, os máximos principais, e seus máximos secundários são tão pequenos que não os enxergamos, sendo obtidos da interferência construtiva e destrutiva sofrida pelas ondas, conforme podemos ver no exemplo abaixo, em que θ representa o ângulo entre o feixe e a normal na rede de difração.

Em nosso cotidiano, um exemplo de rede de difração é o CD. Ele tem várias fendas, com partes mais altas, chamadas de ilhas, e partes mais baixas, conhecidas como poços, que funcionam como fendas de difração. É nessas partes que o CD consegue guardar as informações.

Difração por uma abertura circular

A difração por uma abertura circular ocorre quando temos um orifício circular, e não mais uma abertura retangular, à frente do laser, formando uma imagem como a seguinte.

Se colocarmos nessa abertura um fio de cabelo, é possível calcular o seu diâmentro. Basta sabermos a distância entre os mínimos de luz, a distância do fio de cabelo até o anteparo, e o comprimento de onda da luz incidida pelo laser.

História da difração

A primeira definição do fenômeno da difração foi desenvolvida pelo físico e padre Francesco Grimaldi (1618-1663), sendo publicada em 1665 (posterior a sua morte), e nela ele afirmava que a luz se quebrava em diversas direções, daí o nome difração, vindo do latim, diffringere, que significa “quebrar em pedaços”. Seu conceito de luz a tinha como ondulatória, comparando-a com a difração de ondas na água ao encontrar um obstáculo.

Posteriormente a Grimaldi, por volta do século XVII, surgiram duas correntes científicas nos estudos da natureza da luz, uma delas era a defendida pelo Isaac Newton (1643-1727) e conhecida como teoria corpuscular da luz, em que a luz seria composta de diversas partículas (corpúsculos), e a outra era defendida por Christian Huygens (1629-1695) e chamada de teoria ondulatória da luz (ou princípio de Huygens), tratando a luz como uma onda. Como Newton já era bem conhecido no meio acadêmico e tinha vários feitos em seu currículo, seu modelo foi eleito como o mais adequado.

Apenas após 123 anos, o princípio de Huygens seria ressucitado pelo físico Thomas Young (1773-1829), que indagou a respeito da teoria de Newton, já que a teoria corpuscular não conseguia explicar algumas situações a respeito da luz, como sua velocidade, que era mesma independentemente do corpo que a emitisse. Além disso, questionou o porquê de alguns corpúsculos conseguirem ser refletidos enquanto outros são refratados.

Pensando nisso, Young constatou que considerar a luz como uma onda faria mais sentido do que ela ser uma partícula, já que as ondas têm a capacidade de se anularem ou se intensificarem.

Com base nos seus conceitos, Young foi capaz de explicar a interferência — a superposição de duas ondas no espaço — utilizando-se do experimento da fenda dupla, e os anéis de Newton — os padrões de franjas circulares claras e escuras. Infelizmente, ele não foi capaz de explicar firmemente a respeito do fenômeno da difração e da dupla refração.

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Diferenças entre difração e refração

Na difração temos as ondas contornando obstáculos ou atravessando uma ou várias fendas, provocando o espalhamento e alargamento das ondas no anteparo, enquanto na refração ocorre a alteração da velocidade de propagação da onda, devido à mudança de meio.

Isso causa uma aproximação ou um afastamento dos raios luminosos quanto à linha normal (linha imaginária que corta o meio verticalmente em 90º), produzindo alguns efeitos visuais, como o dioptro plano — quando olhamos a água e vemos o objeto mais perto do que verdadeirmente ele está.

A difração, contudo, está relacionada ao fenômeno de interferência e à propriedade das ondas transmitirem energia entre pontos do espaço.