Difração é um comportamento de onda único
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Aprender sobre ondas sempre requer uma compreensão completa de seus comportamentos. Por comportamentos, quero dizer todas as coisas interessantes que as ondas podem fazer quando interagem com a mídia. As ondas podem viajar através de objetos, refletir em superfícies, ressoar com partículas atômicas e se curvar de um meio para o outro. Reflexão, refração e outros comportamentos de onda explicam muitos dos mistérios por trás de como percebemos as ondas cotidianas, como som e luz. Mas, existem outros comportamentos de onda menos familiares que devemos aprender.
A difração é um daqueles comportamentos de onda menos óbvios que desempenham um grande papel em nossa percepção das ondas. A difração descreve a mudança na direção de uma onda conforme ela viaja entre ou ao redor das barreiras. É semelhante à reflexão e refração, pois envolve uma mudança na direção das ondas quando elas encontram uma mudança no meio. A reflexão descreve como as ondas refletem nas superfícies. A refração descreve como as ondas se dobram à medida que passam pela fronteira entre dois meios diferentes.
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A difração é diferente. Na difração, as ondas realmente se curvam em torno de objetos que encontram em seu caminho ou se curvam através de aberturas entre duas barreiras. Você pode ter visto a difração ocorrer quando as ondas de água viajam através de uma fenda em uma parede ou um cais. As ondas se dobram para fora a partir da abertura na parede e se espalham pela abertura. Para ver como a difração realmente funciona, primeiro daremos uma olhada nas ondas sonoras.
Difração de Som
É fácil imaginar ondas sonoras se curvando em torno de obstáculos. Você já tentou falar com alguém que está em uma sala adjacente? Mesmo que essa pessoa não esteja na sua linha de visão, ela geralmente pode ouvi-lo falando em um volume razoável. Isso ocorre porque suas ondas sonoras se curvam nas bordas das paredes e portas até viajarem em direção a essa pessoa. A mesma coisa acontece quando essa pessoa responde a você.
A difração de ondas sonoras é uma grande razão pela qual os animais podem se comunicar a longas distâncias. Pense nos lugares onde vive a maioria dos animais. Florestas, montanhas, pradarias e pântanos têm toneladas de vegetação e características terrestres que bloqueiam a comunicação visual. Os animais ainda podem entrar em contato uns com os outros porque suas vocalizações superam tudo isso. Suas ondas sonoras contornam esses obstáculos e viajam em direção ao público-alvo.
Efeitos do comprimento de onda
Alguns animais são melhores em comunicação à distância do que outros. Os elefantes, por exemplo, podem se comunicar por quilômetros de terra para manter seus rebanhos juntos enquanto viajam. As pessoas nem sempre sabem sobre a comunicação dos elefantes, porque eles vocalizam em uma frequência tão baixa que nem conseguimos ouvir. Os elefantes usam infra-sons ou ondas sonoras com frequências inferiores a 20 Hz. Esses sons de baixa frequência e comprimento de onda longo, na verdade, se difratam em torno dos objetos em um grau mais alto do que outros sons de alta frequência. Na verdade, a quantidade de difração que ocorre em qualquer onda depende do comprimento de onda dessa onda.
Vamos pensar por um minuto sobre por que isso pode ser verdade. Para que uma onda se curve em torno de um obstáculo, o comprimento de onda da onda deve ser maior do que esse obstáculo. O mesmo é verdade para as ondas que passam por uma abertura. O comprimento de onda deve ser maior do que a abertura se for para passar pela abertura e sair pelo outro lado. Para qualquer obstáculo ou abertura, ondas com comprimentos de onda mais longos dobram mais do que ondas com comprimentos de onda mais curtos. Se o comprimento de onda for menor que o obstáculo ou abertura, então a difração quase não acontece.
Alguns animais não querem que a difração aconteça em suas ondas sonoras. Os morcegos, por exemplo, precisam que suas ondas sonoras voltem para eles para que possam saber onde estão no escuro. Eles usam a ecolocalização para navegar e encontrar os insetos voadores que comem. Por esse motivo, os morcegos precisam produzir ondas sonoras com comprimentos de onda muito pequenos ou frequências muito altas. Esses sons são muito agudos para serem ouvidos pelos humanos e são chamados de ultrassom . Eles tendem a ter frequências de mais de 20.000 Hz e, portanto, têm comprimentos de onda de um tamanho tão pequeno que não difratam em torno de objetos como árvores e insetos voadores. Em vez de difração, os sons dos morcegos são refletidos de volta para os ouvidos dos morcegos, de modo que eles podem enxergar no escuro.
Difração de Luz
As pessoas sabem sobre a difração em ondas sonoras há muito tempo, mas e as ondas de luz? Os cientistas costumavam pensar que a luz não era capaz de difração de forma alguma. Eles podiam ouvir as ondas sonoras se curvando em torno dos obstáculos, mas não podiam ver as ondas de luz fazendo a mesma coisa. Acontece que, como as ondas de luz têm comprimentos de onda minúsculos, elas só podem difratar quando passam ao redor de obstáculos ou aberturas com menos de 1.000 nm de largura. Isso ocorre porque os comprimentos de onda da luz visível estão entre 380 e 760 nm. Portanto, não vemos a difração das ondas de luz com a mesma frequência que vemos as ondas sonoras.
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No entanto, utilizamos a difração de luz para nos ajudar a entender as estruturas moleculares dos sólidos cristalinos. Por exemplo, sabemos que diamante e grafite têm estruturas atômicas diferentes por causa de uma técnica chamada cristalografia de raios-x. Os raios X são ondas eletromagnéticas , então, assim como as ondas de luz, eles podem difratar quando recebem as condições certas. Os cientistas passam raios-X pelas estruturas cristalinas, onde os espaços entre os átomos são pequenos o suficiente para permitir a difração das ondas.
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Os raios X se curvam em várias direções, formando um padrão de interferência que os cientistas podem ler. O padrão é estudado cuidadosamente para entender a disposição exata dos átomos dentro do cristal. Em 1952, os cientistas até usaram a cristalografia de raios X para descobrir a estrutura do DNA. Portanto, embora não vejamos a difração da luz diariamente, podemos pelo menos perceber que ela nos impacta de outras maneiras.
Resumo da lição
A difração descreve como as ondas se dobram, ou mudam de direção, à medida que viajam ao redor das bordas dos obstáculos. A difração ocorre em ondas de água, ondas sonoras e ondas de luz, mas a quantidade de difração depende do tamanho do obstáculo ou abertura em relação ao comprimento de onda da onda. Ondas com comprimentos de onda maiores difratam mais do que aquelas com comprimentos de onda menores. Portanto, o infra-som é bom para comunicação de longa distância, enquanto o ultra-som é melhor para a ecolocalização. A difração de luz e outras ondas eletromagnéticas só ocorre quando as aberturas ou obstáculos são muito pequenos. Por esse motivo, a estrutura das moléculas pode ser estudada usando a interferência dos raios X difratados.
Resultados de Aprendizagem
Após esta lição, você será capaz de:
- Determine o significado da difração
- Analise a relação entre comprimento de onda e difração
- Ilustrar como diferentes comprimentos de onda afetam a difração usando a comunicação animal como exemplos
- Avalie a forma como as ondas de luz se difratam
- Fornece exemplos do uso científico de difração de luz