II. DIFRACCIÓN

UNA experiencia muy común para nosotros es que la luz se propaga en línea recta. Si enviamos el haz de luz de una linterna sobre una pantalla, la región iluminada que se forma resulta de la propagación en línea recta de cada uno de los rayos del haz.

Otro ejemplo lo tenemos cuando se ilumina una rendija con un haz de luz (Figura 2). Sobre la pantalla CD se forma una región iluminada AB, que resulta de la propagación rectilínea de los rayos del haz ST. Se forman así dos regiones de sombra: la BC y la AD.

Figura 2. Si la luz se propaga en línea recta, sobre la pantalla CD la región AB queda iluminada.

A pesar de que estamos muy acostumbrados a lo anterior, la realidad es un poco distinta. En efecto, si en el caso de la figura 2 observamos con detenimiento la frontera entre la región de sombra y la región iluminada, por ejemplo en A, nos daremos cuenta de que no hay una separación bien definida entre las dos regiones; lo que se muestra en la figura 3. En esta figura, la flecha marca el lugar en que se encuentran la frontera A entre la región de sombra y la iluminada. Nótese que dentro de las regiones de sombra se forman regiones alteradas de zonas iluminadas y oscuras, que se van desvaneciendo gradualmente hasta que se entra francamente en la región de sombra.

Figura 3. La sombra que forma un borde no es completamente definida.

La descripción hecha en el párrafo anterior nos indica que en realidad la luz no se propaga rigurosamente en línea recta, sino que al pasar por cada uno de los extremos H y K de la rendija (Figura 4), en lugar de propagarse a lo largo de las líneas rectas HB y KA, la luz se "dobla" y llega a regiones BG y AF que deberían estar en la sombra.

Figura 4. La luz no se propaga en línea recta al pasar por el extremo de una rendija, sino que se "dobla" , es decir se difracta.

A este fenómeno en que la luz se "dobla" al pasar por el extremo de una superficie y no sigue su propagación en línea recta se le llama difracción.

Si empezamos a cerrar los ojos frente a una fuente de luz intensa, cuando la abertura entre los párpados llegue a ser muy pequeña percibiremos una sucesión de rayas iluminadas, separadas entre sí por medio de zonas oscuras. La amplitud que alcanza esta sucesión de rayas es mucho mayor que el tamaño de la abertura entre nuestros párpados. Estas rayas se deben a que la luz que llega a nuestros ojos se difracta.

El alcance de las zonas iluminadas GB y AF (Figura 4) que no llegan a quedar completamente en la sombra depende de varios factores. Estos son: la longitud HK de la rendija, la distancia RS entre la rendija y la pantalla CD, así como de la longitud de la onda con que se ilumina. Si el tamaño HK de la rendija es muy grande comparado con la longitud de onda de la luz, entonces las regiones GB y AF son muy pequeñas y casi no se notan. En este caso, se puede considerar que la luz sí se propaga en línea recta. Este es el caso con el que estamos más familiarizados, ya que las rendijas que encontramos cotidianamente tienen longitudes de centímetros y la luz que vemos tiene longitudes de onda del orden de diezmilésimas de milímetro.

Por otro lado, si el tamaño de la rendija es comparable al de la longitud de onda de la luz, entonces el efecto es bastante apreciable. En este caso las regiones de difracción GB y AF se extienden muy ampliamente.

En la figura 5 se muestran los patrones de difracción de dos rendijas iluminadas con la misma fuente de luz. El patrón de la figura 5(a) corresponde a una rendija que es dos veces más ancha que la rendija que produce el patrón de la figura 5(b). En las figuras notamos que mientras más angosta sea la rendija, más se extenderá el patrón de difracción que se forma.

Figura 5. Patrones de difracción que forman dos rendijas, una el doble de ancho que la otra. La más ancha forma el patrón (a), mientras que la más angosta da lugar al patrón (b).

En general, se puede decir que cuando la longitud de onda de la luz utilizada es del mismo orden que las longitudes de las rendijas, entonces ocurren fenómenos de difracción.

Los fenómenos descritos hasta este momento ocurren cuando la rendija que se usa tiene una forma rectangular muy delgada. Sin embargo, también se pueden utilizar rendijas de otras formas. Así, si se usa una rendija cuadrada, entonces el patrón de difracción que se forma en la pantalla es como el mostrado en la figura 6. Por supuesto que la longitud de onda de la luz es del orden de la longitud de los lados del cuadrado formado por la rendija. Otro ejemplo es el mostrado en la figura 7, para el caso de una rendija circular.

Figura 6. Patrón de difracción que forma una rendija cuadrada. Nótense las zonas iluminadas en lo que sería la región de la sombra geométrica, que es la región que está fuera del cuadrado central.

Figura 7. Patrón de difracción que forma una rendija circular. La región de sombra geométrica que es la que está fuera del círculo central, contiene zonas iluminadas.

Se ha encontrado también el patrón de difracción causado por una rendija rectangular. Si se compara este patrón con el formado por una rendija cuadrada resulta que en la dirección en que la rendija se hace más delgada, el patrón se esparce mas.

También se ha obtenido, por supuesto, el patrón que forma una rendija elíptica. Comparándolo con el patrón que forma una rendija circular resulta que se extiende en aquella dirección en la cual la rendija se contrae.

En cualquiera de los casos tratados, las características del patrón de difracción que se forma, es decir, la separación entre las zonas iluminadas y las de sombra, así como su alcance, dependen de las dimensiones de la rendija, de la separación entre la rendija y la pantalla y, de la longitud de onda de la luz usada.