Phénomène de diffraction de la lumière - Maxicours

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Phénomène de diffraction de la lumière

Objectif : Observation expérimentale de diffraction en lumière monochromatique et polychromatique. Influence de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène de diffraction. Définition de l'écart angulaire.
1. Notion de diffraction
a. En lumière monochromatique
On dirige un laser rouge vers un écran. On observe sur l'écran, une tache ponctuelle rouge.
On interpose alors entre la source et l'écran, une plaque percée d'une fine fente verticale. On observe un étalement de la lumière rouge, perpendiculairement à la fente : plusieurs taches lumineuses rouges sont observées séparées par des zones d'obscurité.

On interpose ensuite entre la source et l'écran, une plaque percée d'un petit trou : on observe sur l'écran une tache centrale entourée d'anneaux alternativement obscurs et brillants.

Dans les deux cas, la lumière monochromatique a été diffractée par la fente ou le trou et on obtient alors une figure de diffraction.
b. En lumière polychromatique
Si une source intense de lumière blanche éclaire un CD, on observe l'apparition de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel à la surface du disque (irisations) : les micro-gravures du CD diffractent la lumière.
Si on interpose entre une source de lumière blanche et un écran, une plaque percée d'une fine fente, on observe sur l'écran un spectre continu s'étalant du violet au rouge. La lumière blanche a été décomposée par diffraction, en fonction de la longueur d'onde des différentes radiations qui la constituent.



Spectre de la lumière blanche d'une ampoule classique

Il existe aussi des lumières polychromatiques qui ne sont constituées que de quelques radiations de longueurs d'onde différentes. Dans ce cas, on obtient par diffraction de cette radiation, un spectre de raies (spectres discontinus) dont les raies correspondent aux longueurs d'onde constituant la lumière initiale (exemple : lampe à vapeur de mercure).

2. Influence des paramètres



Le phénomène de diffraction dépend donc du rapport entre la longueur d'onde de la lumière incidente et la dimension a de l'objet diffractant.

Ainsi, pour une onde monochromatique dans le domaine du visible, et une fente de largeur de l'ordre du centimètre, on n'observe aucun phénomène de diffraction. La dimension de la fente est trop grande par rapport à celle de la longueur d'onde incidente : la fente n'a donc pas d'effet perturbateur visible.

Si on utilise une série de fentes de largeurs décroissantes, la tache de diffraction apparaît progressivement sur l'écran et croît au fur et à mesure que la largeur de la fente se rapproche de celle de la longueur d'onde de la lumière incidente.

3. Définition de l'écart angulaire








4. Applications

La diffraction de la lumière est essentiellement utilisée pour mesurer les dimensions d'un objet. En fonction de l'ordre de grandeur des dimensions de cet objet, différentes sources lumineuses seront utilisées :

o Dans le domaine du visible pour des objets de petite taille (épaisseur d'un cheveu).
o Dans le domaine des Rayons X pour des objets à l'échelle atomique (arrangement des atomes dans un système cristallin ; structure de molécules complexes en biologie, etc.).

Mais le phénomène de diffraction peut également constituer une nuisance dans des systèmes optiques. Il limite ainsi l'aptitude à séparer les détails des instruments d'observation.

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