DIFFRACTION DE LA LUMIERE.

 

1-Un phénomène curieux :

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Si vous regardez une source lumineuse ponctuelle à travers un petit trou ou une fente fine (réalisée par exemple avec deux doigts très rapprochés), vous constatez que des lignes noires épousent les contours de la fente et que  la source s’élargit ! A travers un voilage, la source prend l’aspect d’une croix. On dit que la lumière diffracte.

 

Certains photographes utilisent ce phénomène pour obtenir des effets spéciaux mais en général la diffraction est plutôt gênante lorsqu’il s’agit d’observer des images avec un microscope ou une lunette astronomique .La diffraction limite les performances de l’appareil.

    

 

La diffraction est observable lorsque la lumière rencontre une fente ou un obstacle de très petite dimension (quelques dizaines de microns) ou en bordure d’un obstacle.

diffraction2c

 

La première photo montre l’ombre portée sur un écran d’une tête d’épingle placée dans le faisceau d’un laser (source monochromatique).  

Sur la deuxième photo cet obstacle a été remplacé par le chas d’une aiguille.

Dans les deux cas, on distingue nettement des lignes noires (ou franges) qui épousent la forme de l’obstacle.

 

 

 

2-Expérience de diffraction par une fente rectiligne en lumière monochromatique:

a-montage et observations :

Un faisceau parallèle de lumière rouge traverse une fente (fig ci-dessous).En traversant la fente de largeur « a », le faisceau s’élargit .Sur un écran placé perpendiculairement au faisceau, il apparaît des franges de diffraction, parallèles à la fente, alternativement rouges et noires entourant une bande centrale de largeur d .

 

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b-Interprétation :

Christian Huyghens, savant hollandais du 18ème siècle proposa l’explication suivante: chaque point du bord de l’obstacle se comporte comme une source secondaire qui émet des « ondelettes » en phase .Les franges qui entourent l’ombre sont dues à la superposition de ces ondelettes.

 En certains points, les ondelettes peuvent se superposer « en phase » et dans ce cas l’intensité totale de la lumière  y est maximum .C’est le cas dans la zone centrale de la tache de diffraction.

Elles peuvent, en d’autres points,   se superposer « en opposition de phase » dans ce cas il y a absence de lumière : un rayon de lumière ajouté à un autre rayon de lumière peut donner une absence de lumière ! C’est le cas à l’emplacement des franges noires sur l’écran.

 

L’application du principe de Huyghens au calcul de la répartition de l’intensité lumineuse sur l’écran (calcul qui dépasse le cadre du programme ) confirme les observations . La diffraction observée avec la lumière résulte bien de sa nature ondulatoire.

 

 

 

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c-étude expérimentale :

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On peut caractériser la diffraction par l’angle q « l’angle de diffraction », sous lequel est vu la demi-largeur de la bande centrale (d/2) depuis la fente.

Utiliser l’animation excel en cliquant sur le lien ::

Diffraction de la lumière (animation)

a/ Sélectionner une radiation rouge ; faire varier « a » et observer son influence sur la figure de diffraction.

b/ Fixer la valeur de « a » et modifier maintenant la longueur d’onde l dans le vide de la lumière et observer son influence sur la figure de diffraction.

Vérifier s’il y a accord avec la relation théorique(que l’on admettra sans calcul) :

 

                   { unités SI : l en m ;  a en m ; q en rad}

 

a/Réponse : si  a  diminue, la largeur d (et donc q) augmente et vice versa.

b/Réponse : l diminue, d (et donc q) diminue.

Il y a accord avec la formule théorique

 

 

 

3-Diffraction en lumière blanche :

Observer la tache de diffraction obtenue et interpréter.

diffraction4c

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Réponse : la figure de diffraction résulte de la superposition des franges obtenues pour chaque radiation lumineuse. La frange centrale est blanche car elle est la superposition de toutes les couleurs sans décalage, par contre les autres franges sont irisées car décalées les unes par rapport aux autres.