Difracción: Relación con el sonido y la luz y los efectos de la longitud de onda
La difracción es un comportamiento de onda único
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Aprender sobre las olas siempre requiere una comprensión profunda de los comportamientos de las olas. Por comportamientos, me refiero a todas las cosas interesantes que las ondas pueden hacer cuando interactúan con los medios. Las ondas pueden viajar a través de objetos, reflejarse en superficies, resonar con partículas atómicas y doblarse de un medio a otro. La reflexión, la refracción y otros comportamientos de las ondas explican muchos de los misterios detrás de cómo percibimos las ondas cotidianas como el sonido y la luz. Pero hay otros comportamientos de ondas menos familiares que deberíamos conocer.
La difracción es uno de esos comportamientos de ondas menos obvios que juegan un papel importante en nuestra percepción de las ondas. La difracción describe el cambio en la dirección de una onda a medida que viaja entre o alrededor de barreras. Es similar a la reflexión y la refracción en el sentido de que implica un cambio en la dirección de las ondas cuando se encuentran con un cambio en el medio. La reflexión describe cómo las ondas rebotan en las superficies. La refracción describe cómo las ondas se doblan al pasar a través del límite entre dos medios diferentes.
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La difracción es diferente. En la difracción, las ondas en realidad se doblan alrededor de los objetos que encuentran en su camino o se doblan a través de las aberturas entre dos barreras. Es posible que haya visto la difracción ocurrir cuando las ondas de agua viajan a través de un espacio en una pared o un embarcadero. Las olas se doblan hacia afuera desde la abertura en la pared y se abren en abanico hacia afuera desde el espacio. Para ver cómo funciona realmente la difracción, primero veremos las ondas sonoras.
Difracción de sonido
Es fácil imaginar ondas de sonido doblando obstáculos. ¿Alguna vez ha intentado hablar con alguien que está parado en una habitación contigua? Incluso si esa persona no está en su línea de visión, generalmente puede escucharlo hablar a un volumen razonable. Eso es porque sus ondas de sonido se doblan alrededor de los bordes de las paredes y las puertas hasta que viajan hacia esa persona. Lo mismo sucede cuando esa persona te responde.
La difracción de las ondas sonoras es una de las principales razones por las que los animales pueden comunicarse a largas distancias. Piense en los lugares donde vive la mayoría de los animales. Los bosques, las montañas, las praderas y los pantanos tienen toneladas de vegetación y características de la tierra que bloquean la comunicación visual. Los animales aún pueden ponerse en contacto entre sí porque sus vocalizaciones superan todo eso. Sus ondas de sonido se doblan alrededor de esos obstáculos y viajan hacia su audiencia prevista.
Efectos de la longitud de onda
Algunos animales son mejores que otros para comunicarse a larga distancia. Los elefantes, por ejemplo, pueden comunicarse a lo largo de kilómetros de tierra para mantener juntas a sus manadas mientras viajan. La gente no siempre ha sabido sobre la comunicación de los elefantes, porque vocalizan a una frecuencia tan baja que ni siquiera podemos oírla. Los elefantes utilizan infrasonidos u ondas sonoras con frecuencias inferiores a 20 Hz. Estos sonidos de baja frecuencia y longitud de onda larga en realidad se difractan alrededor de los objetos en un grado más alto que otros sonidos de tonos más altos. De hecho, la cantidad de difracción que ocurre en cualquier onda depende de la longitud de onda de esa onda.
Pensemos por un minuto en por qué esto podría ser cierto. Para que una ola se doble alrededor de un obstáculo, la longitud de onda de la ola debe ser mayor que ese obstáculo. Lo mismo ocurre con las olas que viajan a través de una abertura. La longitud de onda debe ser mayor que la abertura para que pase a través de la abertura y salga por el otro lado. Para cualquier obstáculo o abertura, las ondas con longitudes de onda más largas se curvan más que las ondas con longitudes de onda más cortas. Si la longitud de onda es más pequeña que el obstáculo o la abertura, entonces la difracción apenas ocurre.
Algunos animales no quieren que se produzca difracción en sus ondas sonoras. Los murciélagos, por ejemplo, necesitan que sus ondas sonoras regresen a ellos para que puedan saber dónde se encuentran en la oscuridad. Usan la ecolocalización para navegar y encontrar los insectos voladores que comen. Por esta razón, los murciélagos necesitan producir ondas sonoras con longitudes de onda muy pequeñas o frecuencias muy altas. Estos sonidos son demasiado agudos para que los escuchen los humanos y se denominan ultrasonidos . Tienden a tener frecuencias de más de 20.000 Hz, por lo que tienen longitudes de onda de un tamaño tan pequeño que no difractan alrededor de objetos como árboles e insectos voladores. En lugar de difracción, los sonidos de los murciélagos se reflejan en los oídos de los murciélagos, por lo que esencialmente pueden ver en la oscuridad.
Difracción de la luz
La gente conoce la difracción en ondas sonoras desde hace mucho tiempo, pero ¿qué pasa con las ondas luminosas? Los científicos solían pensar que la luz no era capaz de difracción en absoluto. Podían escuchar ondas de sonido doblando obstáculos, pero no podían ver ondas de luz haciendo lo mismo. Resulta que debido a que las ondas de luz tienen longitudes de onda tan pequeñas, solo pueden difractar cuando pasan alrededor de obstáculos o aberturas de menos de 1000 nm de ancho. Esto se debe a que las longitudes de onda de la luz visible están entre 380 y 760 nm. Entonces, no vemos difracción de ondas de luz con tanta frecuencia como lo hacemos con ondas de sonido.
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Sin embargo, utilizamos la difracción de la luz para ayudarnos a comprender las estructuras moleculares de los sólidos cristalinos. Por ejemplo, sabemos que el diamante y el grafito tienen estructuras atómicas diferentes debido a una técnica llamada cristalografía de rayos X. Los rayos X son ondas electromagnéticas , por lo que, al igual que las ondas de luz, pueden difractar cuando se dan las condiciones adecuadas. Los científicos pasan rayos X a través de las estructuras cristalinas, donde los espacios entre los átomos son lo suficientemente pequeños como para permitir la difracción de las ondas.
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Los rayos X se curvan en muchas direcciones, formando un patrón de interferencia que los científicos pueden leer. El patrón se estudia cuidadosamente para comprender la disposición exacta de los átomos dentro del cristal. En 1952, los científicos incluso usaron cristalografía de rayos X para descubrir la estructura del ADN. Entonces, aunque no vemos la difracción de la luz a diario, al menos podemos apreciar que nos impacta de otras maneras.
Resumen de la lección
La difracción describe cómo las ondas se doblan o cambian de dirección a medida que viajan alrededor de los bordes de los obstáculos. La difracción ocurre en ondas de agua, ondas de sonido y ondas de luz, pero la cantidad de difracción depende del tamaño del obstáculo o apertura en relación con la longitud de onda de la onda. Las ondas con longitudes de onda más grandes se difractan más que aquellas con longitudes de onda más pequeñas. Por lo tanto, el infrasonido es bueno para la comunicación a larga distancia, mientras que el ultrasonido es mejor para la ecolocalización. La difracción de la luz y otras ondas electromagnéticas solo ocurre cuando las aberturas u obstáculos son muy pequeños. Por esta razón, la estructura de las moléculas se puede estudiar mediante la interferencia de rayos X difractados.
Los resultados del aprendizaje
Después de esta lección, podrá:
- Determinar el significado de la difracción.
- Analizar la relación entre la longitud de onda y la difracción.
- Ilustre cómo las diferentes longitudes de onda afectan la difracción usando la comunicación animal como ejemplos
- Evaluar la forma en que se difractan las ondas de luz
- Proporcionar ejemplos del uso científico de la difracción de la luz.
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