interferènza

Lessico

Sf. [sec. XIX; dal francese interférence].

1) In fisica, fenomeno originato dalla sovrapposizione di due o più vibrazioni di eguale frequenza o di due o più onde di eguale lunghezza d'onda. Con significati specifici il termine è usato anche in diverse discipline: A) nelle telecomunicazioni, interazione fra segnali relativi a due distinti canali di informazione o tra quelli relativi a un canale e i segnali spuri (o rumori) generati da radioonde provocate da fenomeni atmosferici o da correnti elettriche utilizzate negli impianti industriali. Le interferenze possono dare luogo a ridotta o nulla intelligibilità delle informazioni trasmesse e vengono combattute sia riducendo i disturbi radio industriali all'origine, sia adottando speciali radioricevitori, particolari tipi di modulazione e mezzi di trasmissione (cavi coassiali o fibre ottiche) che permettano una efficace schermatura dai campi disturbanti o che siano particolarmente immuni alle interferenze. B) In biologia, interferenza virale, fenomeno per cui nelle cellule colpite da una determinata infezione da virus viene inibita o ridotta la replicazione di virus diversi o di un virus superinfettante omologo (vedi interferone). C) In matematica, sinonimo di intersezione. D) Nell'apprendimento e nella memoria, fenomeno per cui l'acquisizione di qualche elemento viene influenzata da un elemento precedentemente acquisito (interferenza proattiva) o ne influenza la conservazione (interferenza retroattiva). Tale effetto può essere sia positivo sia negativo. E) Nella tecnica: a) interferenza d'accoppiamento, differenza tra i diametri di un albero e di un foro, quando l'albero ha diametro maggiore di quello del foro; in tal caso la connessione tra i due elementi può essere realizzata solo con un opportuno forzamento e l'accoppiamento risulterà più o meno stabile secondo l'entità dell'interferenza. b) Compenetrazione tra i profili di due ruote dentate. Deve essere eliminata perché impedisce la trasmissione del movimento. F) In geologia, interferenza di allineamento di strutture tettoniche, intersezione di faglie o pieghe orientate diversamente, appartenenti a fasi tettoniche di età più o meno diversa. L'interferenza può causare l'interruzione delle vecchie strutture da parte delle più giovani o deviazioni delle strutture più giovani a causa di quelle preesistenti.

2) Fig., sovrapposizione di interessi, iniziative e simili, che implichino un disturbo reciproco; anche ingerenza, intromissione: interferenze politiche.

Fisica: generalità

L'interferenza è un fenomeno assai comune e, dal punto di vista pratico, è suscettibile di numerose applicazioni: l'interferenza luminosa viene utilizzata nel campo della metrologia (vedi interferometro e interferometria) per eseguire misure di lunghezze di altissima precisione; l'interferenza di onde acustiche interessa l'acustica ambientale, poiché l'interferenza costituisce una delle cause della variazione di pressione sonora da un punto a un altro di una sala dove siano presenti sorgenti sonore. Nel campo delle applicazioni scientifiche dell'ultracustica, la formazione di onde stazionarie fra una sorgente di ultrasuoni e una parete riflettente, con alternarsi di nodi e ventri di pressione, interessa la diffrazione di onde luminose, dato che la configurazione di nodi e ventri costituisce un reticolo di diffrazione, per onde luminose o ultrasoniche, di passo regolabile con la frequenza (metodo delle strie o Schlieren Methode). Nel campo dell'acustica fisiologica, è basata sull'interferenza la cancellazione. § Nei suoi aspetti generali l'interferenza non dipende dalla natura meccanica, o acustica, o elettromagnetica, dei fenomeni oscillatori considerati (vibrazioni od onde), né dal fatto che essi siano trasversali o longitudinali. Si osservano, infatti, fenomeni di interferenza con onde elastiche, acustiche, ultracustiche, elettromagnetiche (radioonde, microonde, radiazioni luminose, ecc.) e con particelle (vedi diffrazione). L'intensità della vibrazione, o dell'onda, risultante è comunque uguale alla somma delle intensità di quelle componenti più un termine positivo, negativo o nullo secondo il valore della differenza di fase delle vibrazioni o delle onde componenti. In generale l'intensità risultante presenta nei diversi punti dello spazio dei rafforzamenti (interferenza costruttiva) e degli indebolimenti (interferenza distruttiva), per cui si può osservare, per esempio, che due suoni interferendo danno silenzio e due radiazioni luminose oscurità.

Fisica: onde sinusoidali

L'interferenza tra onde sinusoidali aventi la medesima frequenzaf e la medesima ampiezza, presenta due casi. A) Le onde si propagano, oltre che nella stessa direzione, anche nello stesso senso e sono generate da due sorgenti S₁ e S₂ poste a una distanza d. Si prenda come sistema di riferimento un sistema di assi cartesiani con l'origine in S¹ e l'asse X diretto come la congiungente le due sorgenti; il piano XY coincida con il piano di vibrazione comune delle due sorgenti; P sia un generico punto lungo la congiungente S₁ e S₂, tale che la sua ascissa x sia maggiore di d. Per esempio S₁ e S₂ possono essere sorgenti di onde elastiche lungo una corda di lunghezza indefinita. Le perturbazioni prodotte dalle due onde in P, qualunque sia la loro natura, possono essere rappresentate così:

dove ω = 2πf è la pulsazione, ψ₁ e ψ₂ sono le fasi delle oscillazioni, aventi la seguente espressione:

in cui φ₁ e φ₂ sono le fasi delle vibrazioni in S₁ e in S₂. L'oscillazione risultante a cui è sottoposto P si ottiene sommando le oscillazioni y₁ e y₂; usando le formule di prostaferesi si ottiene:

L'oscillazione risultante è ancora un'oscillazione armonica di pulsazione ω, ma di ampiezza

e fase . Il quadrato dell'ampiezza dell'oscillazione risultante può scriversi:

Poiché l'intensità di un'oscillazione è proporzionale al quadrato della sua ampiezza, si ha: I_R= 2I + 2I cos (ψ₂– ψ₁), dove I = a² è l'intensità delle onde componenti e I_R l'intensità dell'onda risultante. Si è ottenuto cioè che l'intensità dell'onda risultante differisce dalla somma delle intensità delle onde componenti per un termine che dipende dalla loro differenza di fase. Se la differenza di fase è uguale a multipli pari di π cioè

si ha I_R = 4I, ossia si ha un rinforzo dell'intensità dell'oscillazione risultante (interferenza costruttiva). Se la differenza di fase è uguale a multipli dispari di π, cioè ψ₂–ψ₁= (2k + 1)π (k = 0, ±1, ±2, ...), si ottiene I_R = 0, per cui l'intensità dell'onda è nulla (interferenza distruttiva). La differenza di fase può essere scritta oppure, supponendo in fase le due sorgenti, Questa formula mostra come nel caso considerato la differenza di fase dipenda esclusivamente dalla distanza d delle due sorgenti e non dal punto P(x >d); perciò se si vuole variare tale differenza di fase bisogna cambiare la posizione reciproca delle due sorgenti. Le condizioni di interferenza costruttiva vengono anche espresse in funzione della lunghezza d'onda e della differenza di cammino geometrico delle due on de: ; mentre per l'interferenza distruttiva si ha:

B) Si esamini ora il caso in cui le oscillazioni pur propagandosi nella stessa direzione hanno verso opposto: si considerino punti P compresi tra le due sorgenti, per cui 0 < x <d: nel generico punto P si sovrapporranno onde progressive di S₁ e onde retrograde di S₂. La perturbazione dovuta a S₂ viene espressa da

per cui e perciò la differenza di fase è

L'oscillazione risultante sarà

in ogni istante l'oscillazione risultante è rappresentata da una sinusoide la cui ampiezza dipende dall'istante considerato; tale sinusoide resta ferma e non si propaga lungo la direzione delle oscillazioni componenti e per questo motivo il fenomeno interferenziale esaminato viene chiamato delle onde stazionarie. Se, per semplicità, si suppone che φ₂– φ₁= 0, le condizioni di interferenza costruttiva e distruttiva divengono rispettivamente

con k = (0, ±1, ±2, ...). I punti del tratto S₁ e S₂ in cui si ha il massimo rinforzo della perturbazione vengono detti ventri, mentre i punti in cui la perturbazione si annulla vengono detti nodi; la distanza tra due nodi o due ventri è uguale a una semilunghezza d'onda. I nodi e i ventri sono facilmente osservabili: se, per esempio, si considera una corda fissa a un estremo e si fa muovere l'altro estremo di moto armonico, l'onda prodotta si propaga lungo la corda, finché, giunta all'estremo fisso, viene riflessa; si genera perciò un'altra onda sinusoidale che ha la stessa ampiezza e frequenza, che si propaga ancora lungo la corda, ma in senso opposto, e che interferisce con la prima onda dando luogo a nodi e a ventri; nei nodi l'ampiezza di vibrazione è nulla, mentre nei ventri è massima e vale il doppio dell'ampiezza iniziale delle vibrazioni. § Se S₁ e S₂ sono sorgenti in fase di onde circolari di lunghezza d'onda λ e x₁, x₂ indicano la distanza da esse del generico punto P, il luogo dei punti in cui si realizza interferenza costruttiva è individuato dalla condizione x₁– x₂= kλ (linee ventrali), mentre quello in cui si ha interferenza distruttiva è individuato da x₁–x₂= (2k + 1)λ/2 (linee nodali). § Se S₁ e S₂ sono sorgenti di onde sferiche, le condizioni per l'interferenza costruttiva e distruttiva sono identiche a quelle per le onde circolari e individuano superfici nodali e ventrali che sono rappresentate da iperboloidi di rotazione aventi come asse la congiungente S₁ e S₂ e come fuochi le due sorgenti. § Perché i fenomeni di interferenza possano effettivamente osservarsi è essenziale che la differenza di fase delle oscillazioni sinusoidali componenti, la cui composizione dà luogo all'interferenza stessa, non subisca variazione con il tempo. Quando questa condizione è verificata le due sorgenti sono dette coerenti: la coerenza o meno di due onde è legata necessariamente al meccanismo con cui tali onde vengono prodotte. Mentre è abbastanza semplice ottenere due sorgenti distinte coerenti quando si ha a che fare con vibrazioni elastiche, ciò risulta molto più complesso nel caso di vibrazioni luminose. Per uno studio completo del fenomeno bisogna esaminare anche la sovrapposizione di due onde sinusoidali di diversa frequenza, per quanto, in senso stretto, questo non sia considerato un fenomeno di interferenza (vedi battimento).

Fisica: interferenza della luce

Per quanto detto sopra, per osservare fenomeni di interferenza luminosa bisogna disporre di sorgenti coerenti, ma due sorgenti luminose naturali distinte non soddisfano mai tale condizione perché i processi che sono alla base dell'emissione luminosa avvengono in modo del tutto casuale e la radiazione risultante non presenta mai fase costante. Per ottenere due sorgenti coerenti si ricorre pertanto all'artificio di sdoppiare una sorgente, ottenendone due immagini reali o virtuali. La sorgente deve essere generalmente poco estesa e la differenza di cammino percorsa dai raggi che si fanno interferire non deve essere molto grande. Le zone alternativamente chiare e scure che si osservano nell'interferenza luminosa vengono chiamate frange di interferenza. Sono riportati di seguito alcuni importanti fenomeni e dispositivi di interferenza luminosa. § Esperimento di Young: un'onda piana monocromatica incide su un disco D₁ avente un piccolo foro; la luce diffratta dal foro viene nuovamente diffratta da due fenditure F₁ e F₂ di un disco D₂ successivo; le due onde prodotte da F₁, F₂ interferiscono dietro il diaframma e le frange d'interferenza sono visibili su uno schermo retrostante S. § Specchi di Fresnel: due specchi M₁D, M₂D, che formano fra loro un piccolo angolo α, danno luogo a due immagini virtuali A₁, A₂ di una sorgente puntiforme monocromatica A. Su uno schermo S le due immagini danno luogo a frange di interferenze perpendicolari al disegno, chiare o scure per ciascun punto P, a seconda che sia

dove m è un intero. § Esperienza delle onde stazionarie: si consideri un sistema di due specchi M₁, M₂ sui quali incidono rispettivamente due fasci luminosi paralleli, uno dei quali viene riflesso (specchio M₁) e uno trasmesso (specchio M₂) da una lamina semitrasparente L; i due fasci luminosi riflessi dai due specchi sono paralleli e hanno verso di propagazione opposto. L'intersezione fra i due fasci crea una successione di piani perpendicolari alla direzione di propagazione alternativamente, con massimi di intensità luminosa (piani ventrali) e con minimi di intensità luminosa (piani nodali), che distano λ/2 tra di loro. L'osservazione del fenomeno, chiamato delle onde stazionarie perché i piani nodali e ventrali sono fissi, è possibile ponendo quasi normalmente al fascio una lamina S di vernice alla cellulosa, avente spessore dell'ordine della frazione di micron e leggermente ricoperta di licopodio; i piani ventrali sono osservabili per diffusione. § Interferenza con lamine sottili: è basata su fenomeni di riflessione e rifrazione. Su una lamina a facce piane e parallele F₁, F₂ di spessore e, incide un raggio luminoso proveniente da una sorgente O. L'interferenza può essere prodotta per luce riflessa o trasmessa. Nel primo caso occorre confrontare il cammino IH, dopo una riflessione, con il cammino IJI´ dopo una rifrazione e una riflessione in J. La differenza di cammino è pari a

dove n è l'indice di rifrazione della lamina, r è l'angolo di rifrazione e l'aggiunta di λ/2 è dovuta alla riflessione su un mezzo di indice di rifrazione più elevato. Per visualizzare l'interferenza occorre, per esempio, una lente L che concentri nel suo piano focale posteriore i raggi IR, IR´. Per ogni valore dell'angolo d'incidenza i₁, e quindi di r, δ assumerà un valore compreso fra mλ e (2m + 1)λ (m è un intero), corrispondente a frange chiare e rispettivamente scure; poiché a ogni valore di î corrisponderà un punto P del piano focale posteriore di L, su detto piano saranno visibili le frange. Analogamente, per la luce trasmessa (raggi JT, J´T´), la differenza di cammino è δ = 2ne cos r che potrà assumere tutti i valori compresi tra mλ e (2m + 1) λ/2; la visualizzazione delle frange è realizzata nello stesso modo.

Fisica: interferenza in luce non monocromatica

Nei casi precedenti, quando la luce anziché monocromatica è bianca, al posto delle frange alternate si ha, come per esempio nel caso degli specchi di Fresnel, una frangia centrale bianca con frange colorate simmetriche da entrambe le parti; prima una frangia pressoché nera, poi una successione di frange colorate, senza minimi netti. I colori dapprima vivi, diventano successivamente pallidi; infine, a una certa distanza dalla frangia centrale, la luminosità diventa costante e la luce ritorna bianca. Tali fenomeni si spiegano facilmente tenendo conto della sovrapposizione dei vari sistemi di frange corrispondenti ai vari colori, a ciascuno dei quali corrisponde una data lunghezza d'onda; il colore bianco della frangia centrale si spiega con il fatto che la condizione corrispondente a una differenza di cammino nullaè comune a tutte le componenti. § Caratteristico fenomeno di interferenza in luce monocromatica è la colorazione delle lamine sottili. Si osserva con lamine di spessore variabile dell'ordine delle dimensioni molecolari, per esempio con lamine di acqua saponata, che appaiono striate da frange variamente colorate. Il fenomeno si osserva anche con luce monocromatica, ma le frange sono, naturalmente, chiare e scure. L'interpretazione del fenomeno è schematizzabile nel modo seguente: il raggio luminoso uscente dal punto O della sorgente S segue il cammino OABA´CD, rifrangendosi in A, attraversando la lamina e riflettendosi in B. Ma dal punto O escono anche altri raggi, per esempio il raggio OA´ che segue il cammino OA´C´D, riflettendosi in A´. Se i due cammini ottici differiscono di un numero intero di lunghezze d'onda, il punto D sarà illuminato; ma per un punto vicino D´ la differenza potrà essere un numero dispari di mezze lunghezze d'onda, quindi questo punto sarà scuro; un successivo punto D‟ sarà chiaro, e così via; ciò può capitare in un campo di spessori della lamina dell'ordine di circa un micron. Un altro fenomeno di interferenza visibile sia in luce monocromatica, sia in luce policromatica o bianca è quello degli anelli di Newton, questi sono frange di interferenze anulari .. Fra il piano di vetro P, di indice di rifrazione n > 1, e la lente convessa L, di raggio di curvatura assai grande e di indice di rifrazione n´ > 1, vi è un'intercapedine d'aria di spessore TK = x. La fenditura S è sorgente di luce bianca o monocromatica, che viene riflessa sulla lente L dalla lamina semitrasparente RB. Il piano P e la lente L sono spostabili in senso orizzontale con un dispositivo a vite micrometrica. Per ciascuna radiazione di lunghezza d'onda λ, si ha una differenza di cammino fra il raggio PTP che si riflette sulla superficie della lente e il raggio PKP che si riflette sulla superficie del piano di vetro, pari a , dove λ₀ è la lunghezza d'onda della radiazione considerata nell'aria. Le condizioni di massimo per le varie λ individuano anelli colorati, visibili col microscopio M, e sono espresse dalla relazione 2x + λ₀/2 = mλ dove, per a ≪ R, può porsi x = a²/2R. Nel centro della lente, ossia per x = a = α = 0, vi è una frangia nera, perché 2x + λ₀/2 tende a λ₀/2 per tutte le componenti. Se l'apparecchiatura è tale da osservare gli anelli in luce trasmessa attraverso il piano P, nella differenza di cammino manca il termine λ₀/2 poiché si hanno due correzioni eguali e di segno opposto.

Bibliografia

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