Physique-Chimie > Optique > Optique Ondulatoire (Notions) > Diffraction (principe)

Diffraction de la lumière : Comprendre le principe

Explorez le phénomène de diffraction de la lumière, un concept clé de l'optique ondulatoire. Découvrez comment la lumière se propage lorsqu'elle rencontre un obstacle ou une ouverture.

Introduction à la Diffraction

La diffraction est un phénomène ondulatoire qui se produit lorsque une onde (comme la lumière) rencontre un obstacle ou une ouverture. Au lieu de simplement continuer en ligne droite, l'onde se propage et s'étale autour de l'obstacle ou à travers l'ouverture. C'est une preuve directe de la nature ondulatoire de la lumière. Imaginez une vague qui rencontre un rocher : elle ne s'arrête pas net, mais s'étale autour du rocher.

Le Principe de Huygens-Fresnel

Pour comprendre la diffraction, il est essentiel de connaître le principe de Huygens-Fresnel. Ce principe stipule que chaque point d'une surface d'onde peut être considéré comme une source secondaire d'ondes sphériques. L'onde résultante à un instant donné est la somme de toutes ces ondes secondaires. En termes simples, chaque point de l'onde incidente crée une nouvelle onde qui se propage dans toutes les directions. L'interférence de toutes ces ondes secondaires explique la diffraction.

Diffraction par une ouverture unique

Considérons le cas de la diffraction à travers une fente unique. Lorsque la lumière passe à travers cette fente, elle ne forme pas une simple image de la fente sur un écran. Au lieu de cela, on observe une figure de diffraction composée d'une tache centrale brillante (le maximum principal) entourée de taches plus faibles et sombres (maxima secondaires et minima). La largeur de la tache centrale est inversement proportionnelle à la largeur de la fente. Plus la fente est étroite, plus la tache centrale est large. Ceci est dû à l'interférence constructive et destructive des ondes secondaires issues de la fente.

  • Maximum central : C'est la zone la plus brillante, où l'interférence est principalement constructive.
  • Minima : Les zones sombres correspondent à une interférence destructive.
  • Maxima secondaires : Zones moins brillantes que le maximum central, dues à une interférence partiellement constructive.

Facteurs Influant sur la Diffraction

Plusieurs facteurs influencent la diffraction :

  • La longueur d'onde de la lumière (λ) : Une longueur d'onde plus grande entraîne une diffraction plus importante.
  • La taille de l'ouverture (a) : Une ouverture plus petite (par rapport à la longueur d'onde) entraîne une diffraction plus importante.
  • La distance entre l'ouverture et l'écran (D) : Affecte la taille de la figure de diffraction observée.
On peut quantifier la diffraction en utilisant l'angle de diffraction (θ), qui est l'angle entre la direction du maximum central et la direction d'un minimum. La condition pour un minimum dans le cas d'une fente unique est donnée par : a sin(θ) = mλ, où m est un entier (m = 1, 2, 3...) représentant l'ordre du minimum.

Exemples concrets de diffraction

  • Disque de diffraction d'Airy : La diffraction par une ouverture circulaire produit un disque central brillant, le disque d'Airy, entouré d'anneaux concentriques plus faibles. C'est ce phénomène qui limite la résolution des instruments optiques comme les télescopes et les microscopes.
  • Réseau de diffraction : Un réseau de diffraction est constitué d'un grand nombre de fentes parallèles régulièrement espacées. Il permet de séparer les différentes longueurs d'onde de la lumière, créant un spectre de couleurs.
  • Lecture des CD/DVD : La lecture d'un CD ou d'un DVD utilise la diffraction pour lire les informations gravées sur le disque.

Ce qu'il faut retenir

  • La diffraction est la déviation des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une ouverture. C'est une preuve de la nature ondulatoire de la lumière.
  • Le principe de Huygens-Fresnel explique la diffraction en considérant chaque point d'une onde comme une source secondaire.
  • La diffraction à travers une fente unique produit une figure de diffraction avec un maximum central et des minima latéraux.
  • La longueur d'onde de la lumière et la taille de l'ouverture influencent la diffraction.
  • La diffraction limite la résolution des instruments optiques.

← Diffraction : Réseaux de diffraction et applications Distance focale et vergence : Comprendre les lentilles →

FAQ

  • Qu'est-ce qui différencie la diffraction de la réfraction ?

    La réfraction est le changement de direction d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre, dû à une modification de sa vitesse. La diffraction, elle, est la déviation d'une onde autour d'un obstacle ou à travers une ouverture.
  • Comment la diffraction affecte-t-elle la qualité des images prises avec un appareil photo ?

    La diffraction limite la résolution des objectifs d'appareil photo. Plus l'ouverture (le diaphragme) est petite, plus la diffraction est importante, ce qui peut entraîner une perte de netteté de l'image. C'est pourquoi il existe un compromis entre profondeur de champ et netteté dans le choix de l'ouverture.