DIFFRACTION, physique

Écart, par rapport aux lois de l'optique géométrique (propagation rectiligne, etc.), de la propagation des ondes (acoustiques, optiques, etc.), en présence d'un obstacle ou, plus généralement, modification de la propagation libre des ondes dont la longueur d'onde n'est pas négligeable devant les dimensions de l'obstacle.

En physique ondulatoire, à l'approximation « géométrique », il n'y a propagation d'énergie entre une source ponctuelle et un point d'observation que si la droite qui les joint ne rencontre pas d'obstacle parfaitement absorbant. La région de l'espace où cette condition n'est pas remplie constitue « l'ombre géométrique » de l'obstacle. Les phénomènes de diffraction se manifestent par l'existence d'une intensité vibratoire non nulle à l'intérieur de l'ombre géométrique (disparition des ombres nettes) et par la modification de l'intensité déjà existante au-delà de cette région, la figure de diffraction étant souvent formée de « franges ». Bien que la notion de diffraction soit apparue primitivement en physique macroscopique, on peut l'étendre au domaine microscopique tant que la condition relative à la longueur d'onde est remplie. La diffraction par un objet microscopique, éventuellement par une particule atomique, est d'ordinaire appelée « diffusion ».

Dans le cas d'un obstacle macroscopique, la théorie élémentaire de la diffraction (Huygens, Fresnel) est valable pour une longueur d'onde petite, mais non négligeable, devant les longueurs caractéristiques du problème (dimensions des obstacles et de la section du faisceau, distances de la source et du point d'observation à l'obstacle). Elle correspond à une approximation pas trop éloignée de l'approximation géométrique et ne fait pas intervenir la nature physique de l'onde ou de l'obstacle. On part du principe de Huygens (1678), selon lequel tout point atteint par une onde devient à son tour source ponctuelle d'une onde sphérique élémentaire, la figure de diffraction résultant alors de l'interférence des ondes élémentaires entre elles et avec l'onde primitive. En outre, on admet, d'après Fresnel (1818), que l'intensité et la phase de l'onde élémentaire sont celles de l'onde primitive à l'instant de son passage par le point considéré, exception faite pour les points situés sur les surfaces des obstacles (opaques) et dans l'ombre géométrique, où l'intensité est considérée comme nulle. À part cette dernière condition aux limites, les hypothèses de Huygens et de Fresnel ont été démontrées par Kirchhoff (1882) à l'aide de l'équation générale de propagation des ondes.

La théorie rigoureuse de la diffraction consiste en la résolution de l'équation de propagation, compte tenu des conditions aux limites exactes imposées par la nature physique de l'obstacle et de l'onde. Ce difficile problème a été résolu dans très peu de cas, le premier en date étant la diffraction des ondes électromagnétiques par un écran parfaitement conducteur en forme de coin (Arnold Sommerfeld, 1894).

Au contraire, lorsqu'il s'agit d'un obstacle microscopique ou atomique, la distinction entre théorie élémentaire et théorie rigoureuse est moins nette. La théorie élémentaire, à caractère plutôt cinématique, a été utilisée pour interpréter la diffraction des rayons X par un réseau cristallin. On peut également l'appliquer, en première approximation, à la diffraction (diffusion) des ondes quantiques associées aux particules (électrons, neutrons, etc.) par les réseaux cristallins, par les vibrations d'un milieu condensé (c'est-à-dire par les phonons), par les ondes de spin dans un corps ferromagnétique (autrement dit par les magnons), etc. Une description[...]