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diffusióne (fisica)

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Generalità

Deviazione dalla propagazione rettilinea di un fascio di onde o di particelle, provocata, nell'attraversamento di un mezzo materiale, dall'interazione del fascio con i costituenti del mezzo, oppure, nella riflessione sulla superficie del mezzo, dalle irregolarità di questo. Fenomeno importante in fisica è anche la diffusione termica.

Ottica

Diffusione per riflessione, insieme di riflessioni disordinate, in tutte le direzioni, dovute all'incidenza di un fascio luminoso su un corpo dalla superficie irregolare. A questo fenomeno si deve, per esempio, la visibilità dei corpi opachi illuminati. È chiamata diffusione per trasparenza la rimozione di energia da un fascio luminoso e la sua riemissione in tutte le direzioni, per effetto di rifrazione disordinata e diffrazione, nell'attraversamento di un mezzo trasparente nel quale sono presenti particelle, dette centri diffusori, le cui dimensioni sono dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda delle radiazioni; tali particelle possono anche essere le stesse molecole del mezzo. A questo fenomeno si deve, per esempio, la visibilità della traiettoria di fascio luminoso che attraversi un mezzo torbido (effetto Tyndall). Non sono considerati processi di diffusione quelli in cui l'energia rimossa dal fascio viene riemessa in tutte le direzioni con una lunghezza d'onda diversa da quella originale (per esempio, fluorescenza ed effetto Raman), oppure è assorbita dal materiale attraversato trasformandosi in energia cinetica delle molecole, cioè in calore. Nella diffusione per trasparenza, secondo le dimensioni dei centri diffusori, si possono considerare tre casi: diffusione a opera di gas, diffusione a opera di liquidi e di solidi, diffusione a opera di macromolecole e di particelle colloidali. Nella diffusione a opera di gas, o diffusione Rayleigh, i centri diffusori sono le molecole stesse del gas, che agiscono nel processo indipendentemente l'una dall'altra. Poiché il fenomeno ha maggior rilevanza per piccole lunghezze d'onda, quando un fascio di luce bianca attraversa un gas, esso diffonde lateralmente luce bluastra, corrispondente alle lunghezze d'onda minori, e la luce trasmessa appare rossastra, cioè corrispondente alle lunghezze d'onda maggiori. Il colore blu del cielo è, per esempio, dovuto a un fenomeno di diffusione laterale della luce solare; poiché tale blu è tanto più cupo quanto più il cielo è puro, si può ritenere che gli elementi diffondenti siano le stesse molecole gassose. Anche il colore rossastro della Luna e del Sole vicino all'orizzonte, il rosso dell'aurora e del tramonto, sono dovuti a fenomeni di diffusione. L'intensità I della luce diffusa lateralmente in una direzione formante l'angolo ϑ con quella del fascio luminoso incidente, d'intensità I0 e lunghezza d'onda λ, è data dalla relazione, dovuta appunto a lord Rayleigh,

dove n è l'indice di rifrazione e N il numero di molecole per unità di volume. Una tale trattazione ha validità solo per centri diffusori di dimensioni minori della lunghezza d'onda della luce incidente. Nella diffusione a opera di liquidi o di solidi, i centri diffusori non agiscono indipendentemente gli uni dagli altri, poiché le molecole vicine sono collegate tra loro; si ha perciò una relazione di fase tra le singole luci diffuse, tale da portare a un'interferenza distruttiva. La diffusione, che anche in questo caso si osserva, ha origine, come risulta da studi di A. Einstein e di M. Smoluchowski, da fluttuazioni termiche casuali della densità di piccoli elementi di volume del mezzo diffondente: l'intensità della luce diffusa in tutte le direzioni risulta proporzionale a kT4, in cui k è la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta e λ la lunghezza d'onda della luce diffusa. Nel caso in cui i centri diffusori abbiano, rispetto alla lunghezza d'onda della luce, dimensioni tali da non potere essere considerati puntiformi (come accade per diffusione a opera di macromolecole e particelle colloidali in soluzione), tra le onde diffuse da diverse parti dei centri diffusori si ha un'interferenza distruttiva che limita molto l'intensità della luce diffusa. Si ha inoltre dissimmetria nella dipendenza dell'intensità dall'angolo ϑ di diffusione: la relazione di Rayleigh deve essere modificata. Nel caso di particelle colloidali, la dipendenza dell'intensità della luce diffusa dalle dimensioni e dalla forma delle particelle è così complessa che è stata studiata da G. Mie solo nel caso di particelle di forma sferica.

Acustica

Si ha diffusione del suono quando un'onda sonora incide su superfici irregolari, dalle quali viene riflessa o diffratta per incidere disordinatamente su altre superfici irregolari, e così di seguito, finché nello spazio interessato non ha più senso parlare di propagazione regolare di onde sonore, ma soltanto di distribuzione più o meno uniforme di energia sonora. La diffusione sonora si provoca deliberatamente nelle camere riverberanti, dove le successive riflessioni disordinate sono dovute al non parallelismo delle pareti e all'eventuale presenza di elementi diffondenti all'interno della camera. § Impianto di diffusione sonora, installazione realizzata allo scopo di amplificare e distribuire, in uno o più ambienti, un programma sonoro proveniente da microfoni, impianti di riproduzione o linee di tipo telefonico (filodiffusione). Si usano impianti costituiti da altoparlanti la cui disposizione deve essere studiata in relazione alle caratteristiche degli ambienti, soprattutto per quanto riguarda il tempo di riverberazione, onde evitare code sonore e fenomeni di rimbombo. Generalmente, nel caso di installazioni all'aperto, si impiegano disposizioni di trombe esponenziali opportunamente orientate; in ambienti molto vasti come stazioni, chiese, teatri, ecc. si usano colonne di altoparlanti di notevole direzionalità. Particolare attenzione è esercitata nel caso di impiego di microfoni disposti nell'ambiente dove si realizza la diffusione dei suoni, per evitare che parte dell'energia sonora irradiata raggiunga i microfoni provocando fastidiosi inneschi (effetto Larsen).

Fisica nucleare

Il fenomeno della diffusione è dovuto all'urto di particelle elementari di un fascio con i nuclei degli atomi del mezzo attraversato; nell'urto sono coinvolte forze nucleari. Durante il processo, se cambiano la direzione del moto e l'energia delle particelle si ha diffusione anelastica, se cambia soltanto la direzione si ha diffusione elastica. Nella diffusione anelastica, in generale, l'energia persa dalla particella eccita il nucleo bersaglio che in seguito si diseccita emettendo fotoni (diffusione anelastica radiativa). Nei restanti casi di diffusione anelastica, l'energia è assorbita dal bersaglio nel suo complesso come energia termica e si ha pertanto diffusione anelastica termica. La diffusione è detta plurima o multipla se si hanno molti urti subiti dalle particelle, è detta semplice se l'urto è uno solo. Si definisce diffusione risonante il processo d'urto in cui particella e nucleo bersaglio si uniscono a formare temporaneamente un nucleo composto costituente uno stato transitorio dell'interazione, che decade poi riemettendo la particella incidente. Nella diffusione potenziale l'onda associata alla particella incidente si riflette sul nucleo che si comporta come una sfera rigida. Per via sperimentale, la diffusione è analizzata in generale mediante spettrografi a cristallo nei quali un fascio ben collimato di particelle è inviato contro uno schermo costituito da una lamina d'oro, alluminio, rame, ecc. Le prime esperienze sulla diffusione di particelle furono condotte da E. Rutherford con schermi di solfuro di zinco; osservando la diffusione anelastica accompagnata da scintillazioni, dedusse, dalla distribuzione delle particelle diffuse in funzione dell'angolo di deviazione subita, che l'atomo dovesse avere una struttura costituita da un nucleo centrale assai piccolo attorno al quale si trovavano gli elettroni.

Telecomunicazioni

Fenomeni di diffusione si osservano nelle radioonde incidenti nell'atmosfera sotto forma di riflessione disordinata, praticamente in tutte le direzioni. Il fenomeno si verifica a causa della presenza di aree dove si manifestano variazioni locali, sia pure di modesta entità e frequenza, dell'indice di rifrazione radioelettrico dell'atmosfera. A causa di ciò le radioonde, specie se di lunghezza d'onda decisamente inferiore alle dimensioni trasversali di tali porzioni di atmosfera, possono venire rinviate anche a grande distanza dal luogo di origine con una marcata deviazione di percorso rispetto alla normale propagazione in linea retta simile a quella di un raggio di luce. Ne risulta la possibilità di collegamenti anche a grande distanza per i quali vengono impiegate, date le costanti in gioco, onde ultracorte o microonde.