La diffraction

1. La diffraction Chapitre 7

2. Points essentiels • Diffraction de Fresnel (section 7.1) • Diffraction de Fraunhofer (section 7.2) • Interférence et diffraction combinées (section 7,2)

3. Figure de diffraction La nature ondulatoire de la lumière révélée par une simple lame de rasoir.

4. Diffraction de Fresnel Si la source ou l’écran se trouve près de l’ouverture ou de l’obstacle, les fronts d’onde sont sphériques et la figure est assez complexe. C’est ce que l’on appelle la diffraction de Fresnel. Une partie de la lumière pénètre dans la région d’ombre géométrique et l’on observe des franges près des bords de l’obstacle.

5. Encore une controverse au sujet de la nature de la lumière En 1819, l'Académie des sciences de Paris mettait au concours la question de la diffraction de la lumière. Augustin Fresnel, un jeune provincial, proposa dans son mémoire une solution qui nous est aujourd'hui familière, fondée sur l'hypothèse d'une lumière constituée d'ondes qui interfèrent entre elles.

6. Poisson vs Fresnel La commission était malheureusement constituée de partisans de la théorie corpusculaire et non pas ondulatoire de la lumière, théorie qui dominait en France autour de Pierre Simon Laplace et qui était placée sous l'ombre tutélaire du grand Isaac Newton. Lors de l'examen des propositions, Siméon Denis Poisson, mathématicien et membre de la commission, développa un argument dévastateur pour Fresnel

7. L’argument de Poisson Il déduisit en effet de la théorie de Fresnel que, si l'on plaçait un disque opaque derrière un petit trou à travers lequel émergeait de la lumière, le centre de l'ombre créée par le disque devrait être aussi brillant que s'il n'y avait pas de disque. Or le sens commun, auquel se rangeait Poisson, savait que l'ombre créée par le disque était homogène, et en tout cas sans point lumineux en son centre.

8. Arago tenta l’expérience Curieux du résultat, François Arago, lui aussi membre de la commission, tenta néanmoins l'expérience... et

9. Le résultat ! … et découvrit le point lumineux au centre de l'ombre ! Prise au dépourvu par cette preuve inattendue, la commission attribua le prix au jeune Fresnel, et la théorie corpusculaire de la lumière fut abandonnée pour près d'un siècle.

10. La diffraction de Fraunhofer Si la source et l’écran sont tous deux éloignés de l’ouverture ou de l’obstacle, la figure obtenue est plus simple à analyser. La lumière incidente a la forme d’une onde plane et les rayons sortant de l’ouverture sont parallèles. C’est ce qu’on appelle diffraction de Fraunhofer (ou diffraction à l’infini).

11. Étude qualitative • Lors de l’étude de l’interférence à 2 fentes (ou plus), nous avons supposé qu’il s’agissait de fentes étroites. Ainsi l’intensité due à une fente était la même Io pour tous les points P sur l’écran, peu importe l’angle d’observation q. • Si la fente n’est pas étroite, mais possède une largeur a, l’intensité sur l’écran n’est pas indépendante de l’angle q mais décroît à mesure que l’angle augmente.

12. Intensité Observation • La majeure partie de la lumière est concentrée dans le maximum central lorsque sin q varie de –l/a à + l/a . • Le premier minimum apparaît lorsque sin q = l/a . • La largeur du maximum central décroît si a augmente.

13. La diffraction et le principe d’Huygens Le premier minimum apparaît lorsque l’onde lumineuse émise par le haut de la fente et celle émise par un point situé juste en dessous du milieu de la fente sont déphasées de p. En utilisant le principe d’Huygens, on divise la largeur de la fente en 100 sources secondaires. Le premier minimum apparaît lorsque la première source et la 51ième sont déphasées de p. Ainsi la 2ièmeet la 52ième sont également déphasées de p. On peut parler d’interférence destructive si : a sin q = M l (M = 1, 2, 3…)

14. Écran La position du premier minimum sur l’écran Pour des petits angles: La position du premier minimum: Ainsi, le premier minimum se retrouve à une distance y du centre de l’écran:

15. Exemple Un faisceau laser l = 700 nm traverse une fente étroite de 0,2 mm de largeur et frappe un écran situé à 6 m de cette fente. Calculez la largeur du maximum central, c’est-à-dire, la distance entre le premier minimum à droite du centre de l’écran et celui à gauche l’écran. Solution Position du premier minimum: La largeur du maximum central:

16. Interférence et diffraction combinées Dans la description de l’expérience de Young, nous n’avons pas tenu compte de la figure de diffraction produite par chaque fente. Si l’écran est très éloigné, les fentes produisent des figures de diffraction qui se superposent. On observe la figure de diffraction d’une fente simple avec des maxima d’intensité plus élevée. On dit que la figure d’interférence a pour enveloppe la figure de diffraction produite par une fente simple.

17. Exercice 6 (page 262) Dans l’expérience de Young, la largeur des fentes est de 0,15 mm et la distance entre les fentes est de 0,6mm. Combien de franges brillantes complètes observe-t-on dans le maximum central de diffraction ?

18. Exemple Calculez le rapport d/a de la figure ci-dessous.

19. Travail personnel • Faire les exemples 7.1 et 7.2 • Répondre aux questions 1 et 6. • Solutionner les exercices: 1, 2 et 6. • Aucun problème