Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
La diffraction est l'étalement d'une onde lorsqu'elle rencontre une ouverture ou un obstacle dont la dimension est petite. L'onde, au lieu de poursuivre en ligne droite, se déploie au-delà de l'obstacle dans des directions nouvelles. C'est un phénomène universel des ondes : il concerne le son, les vagues, et bien sûr la lumière. C'est aussi l'une des manifestations les plus directes du caractère ondulatoire de la lumière.
Le phénomène n'est notable que si la dimension a de l'ouverture est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde \lambda, ou plus petite. Pour une fente de largeur a éclairée par une lumière de longueur d'onde \lambda, l'onde diffractée s'étale dans un cône caractérisé par un demi-angle \theta. Plus la fente est étroite, plus l'étalement est important : la diffraction est inversement proportionnelle à la taille de l'ouverture.
Sur un écran placé à la distance D, on observe une figure de diffraction : une tache centrale brillante et large, bordée de taches latérales moins intenses et deux fois plus étroites, séparées par des minima d'intensité (extinctions). La tache centrale concentre l'essentiel de l'énergie.
Demi-angle de diffraction (petits angles) : \theta = \dfrac{\lambda}{a}, \theta en rad, \lambda et a en m.
Largeur de la tache centrale sur un écran à distance D : L = 2D\theta = \dfrac{2D\lambda}{a}.
Mesure d'une petite dimension : a = \dfrac{2D\lambda}{L}.
Schéma type : faisceau parallèle arrivant sur une fente verticale de largeur a, cône de diffraction de demi-angle \theta, écran à distance D portant la tache centrale de largeur L et les taches latérales.
Pour un calcul de largeur de tache, on convertit d'abord toutes les longueurs en mètres (attention aux nm, mm), on calcule \theta = \lambda/a en radians, puis L = 2D\theta. Pour mesurer une dimension inconnue (cheveu, fente), on inverse la relation : a = 2D\lambda/L. L'incertitude relative sur a se déduit principalement de l'incertitude sur L : \dfrac{\Delta a}{a} \approx \dfrac{\Delta L}{L}.
L'erreur la plus fréquente est d'oublier le facteur 2 dans L = 2D\theta : la tache centrale s'étend de -\theta à +\theta, sa largeur totale vaut donc 2D\theta. Toujours travailler en radians pour \theta (pas en degrés). Ne pas confondre la largeur de la fente a avec la largeur de la tache L. Vérifier l'homogénéité : \theta = \lambda/a est bien sans dimension.
Sache reconnaître une figure de diffraction (tache centrale deux fois plus large que les latérales) et la distinguer d'une figure d'interférences (franges régulières). Le TP "mesure du diamètre d'un cheveu" est un classique : maîtrise a = 2D\lambda/L et le calcul d'incertitude associé. Retiens que le rouge diffracte plus que le bleu, à fente égale.