Lezioni di ottica

1. LE ONDE LUMINOSELE ONDE LUMINOSE
Prof. Feliciano CaponeProf. Feliciano Capone
Riferimenti:Riferimenti:
Lezioni del prof. Paolo Zazzini
Uni Salento Piano Laure Scientifiche
Lezioni prof. F. Zampieri

2. 2
La luce è costituita da particelle piccolissime che, penetrando
nell’occhio ad alta velocità, provocano la sensazione della
visione
Doppia natura della luce:
ONDULATORIA e CORPUSCOLARE
La luce si propaga in linea retta
Spiega la riflessione con la teoria degli urti
elastici (conservazione della q.d.m.)
vx vx
vy vy
Non è in grado di spiegare la rifrazione
Teoria corpuscolare (Newton 1643-1727):
Newton ipotizzò una forza di attrazione da parte della
superficie di separazione (impulso) sulla luce nel
passaggio tra due mezzi a densità crescente (esempio
aria-acqua) in modo da aumentare la vy avvicinando il
raggio rifratto alla normale alla superficie
Aumento della velocità della luce passando da un mezzo meno denso ad uno più denso
Due secoli più tardi FOUCAULT dimostrò sperimentalmente il contrario !!
vx
vx
vy
vy
aria
acqua

3. 3
Contributo di molti scienziati:
Young, Huygens, Hooke, Fresnel che studiarono interferenza,riflessione e rifrazione, diffrazione
Teoria ondulatoria
Luce costituita da ONDE ELETTROMAGNETICHE:
perturbazioni periodiche nel tempo e nello spazio del campo elettromagnetico
Maxwell – 1860 Teoria dell’ELETTROMAGNETISMO
Le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto con la stessa velocità della luce (3x108
m/s)
Suggerendo che questo accordo non fosse casuale, Maxwell sostenne la natura ondulatoria
della luce
Il modello ondulatorio non spiega tutti i fenomeni
Hertz 1887 - Effetto fotoelettrico – emissione di elettroni da elettrodi bombardati da fotoni, particelle di luce
L’effetto fotoelettrico è spiegabile solo con la natura corpuscolare della luce!!! (Einstein 1905)
Si fa strada di nuovo il modello corpuscolare
Luce costituita da FOTONI, particelle di massa molto piccola presenti in gran numero in un fascio luminoso,
ciascuna con un piccolo contenuto di energia
La teoria quantistica mette d’accordo i due modelli spiegando alcuni fenomeni con il modello
ondulatorio (interferenza e diffrazione) ed altri con quello corpuscolare (scambi energetici)
Dagli studi di Foucault si fa strada la teoria ondulatoria

4. 4
Teoria ondulatoria
La luce è una radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda λ ed una
frequenza ν.
λ: lunghezza d’onda = distanza in metri tra due punti allo stesso valore del campo
T: periodo = tempo in secondi che intercorre tra due istanti in cui il campo assume lo stesso valore
f: frequenza = T –1
: inverso del periodo: numero di cicli nell’unità di tempo (s-1
= Hz)
Nel vuoto:
c = 3 108
m/s.
Un’onda elettromagnetica è una perturbazione del campo elettromagnetico che si propaga in
modo periodico nel tempo e nello spazio
c = λ / T = λ f

5. 5
Teoria quantistica:
Considerando validi sia il modello corpuscolare che quello ondulatorio e mettendoli
d’accordo, permette di valutare il contenuto energetico della luce:
L’energia luminosa E che si propaga non è distribuita in maniera uniforme in tutto il fronte d’onda
dell’onda e. m. ma in modo discreto, concentrata in alcuni punti secondo quantità discrete di
energia, dette quanti:
E = h f
h : costante di Plank = 6.55 10 –27
erg sec

6. ONDE
MECCANICHE
Oscillazione di un
corpo fisico che si
propaga in un mezzo
(mai nel vuoto!)
CASO PART: onde acustiche (suono)
ELETTROMAGNETICHE
Oscillazione di un CAMPO
corda che vibra
onda elettromagnetica
→
E
B
x
→
→
λ
Bo
Eo
v
→
→
→

7. 7
Lunghezza d’onda delle radiazioni luminose molto piccola (380-780 nm) rispetto alle
dimensioni medie dei corpi con cui interagisce
Può essere accettata l’ipotesi di propagazione in linea retta con l’approssimazione grafica dei
raggi luminosi
Equazioni di Maxwell:
Forniscono risultati di notevole precisione riguardo al valore del campo elettromagnetico
in un punto dello spazio ed in un certo istante di tempo
Tale precisione è eccessiva nel caso dei fenomeni macroscopici riguardanti la luce
Per descrivere i fenomeni luminosi adottiamo il modello ondulatorio con alcune semplificazioni:
Ei
= Er
+ Ea
+ Et
Ei
/ Ei
= (Er
+ Ea
+ Et
) / Ei
a : coefficiente di assorbimento = Ea
/ Ei
r : coefficiente di riflessione = Er
/ Ei
t : coefficiente di trasmissione = Et
/ Ei
a + r + t = 1
Ea
Er
Ei
Et
Interazione di una radiazione luminosa con una parete

8. LA LUCE E L’OTTICALA LUCE E L’OTTICA
La luce è un’onda? Cosa c’entra la luce con le onde?
La radiazione luminosa si comporta come un’onda:
subisce riflessione, rifrazione, interferenza e diffrazione!
Vibrazione di un campo elettromagnetico

9. Un campo
elettromagnetico
ha una frequenza
e una lunghezza
d’onda λ.
L’occhio è sensibile
ad un certo intervallo
di λ

10. 10
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Al variare della lunghezza d’onda si considerano le varie tipologie di onde elettromagnetiche che,
conservando le medesime caratteristiche, si differenziano per gli effetti che producono
380 780
Raggi
cosmici
Raggi
γ
Raggi
x UV IR Microonde UHF
1 km
Onde
lunghe
FINESTRA OTTICA
Radiazioni visibili
nm
VHF
Onde
corte
nm 1 nm 1 cm
Violetto Blue Verde Giallo Arancio Rosso
10-6
Le onde visibili occupano un piccolissimo intervallo di lunghezze d’onda (FINESTRA OTTICA)
compreso tra 380 e 780 nm all’interno del quale si distinguono le varie componenti cromatiche della luce.
Una miscela omogenea di tutte le componenti cromatiche (spettro uniforme) produce una LUCE BIANCA
Il prevalere di una o più componenti cromatiche sulle altre attribuisce alla luce una particolare TONALITA’
CROMATICA
La luce bianca èd detta ACROMATICA

11. • Onde Radio: 0.1m<λ<104m usate in comunicazioni radio e tv,
prodotte da antenne
• Microonde: 10-4
m< λ<0.3m adatte a radar, forni microonde
• Infrared waves: 7 x 10-7
m<λ<1mm, prodotte da corpi caldi sono
facilmente assorbite dalla maggior parte dei materiali. Usate in
telecomandi ecc.
• Luce visibile: 4 x 10-7
m<λ< 7 x 10-7
m, parte dello spettro cui
l’occhio umano è sensibile, corrisponde al minimo assorbimento da
parte dell’acqua (ragione evoluzionistica: veniamo dall’acqua).
Prodotte da oggetti incandescenti ma anche da transizioni atomiche
(LED).
• Luce Ultravioletta: 6 x10-10
m<λ< 4 x 10-7
m, prodotta
abbondatemente dal sole, assorbita dall’ozono nella stratosfera
• Raggi X: 10-12
m<λ<10-8
m, prodotti da elettroni decelerati su
bersaglio metallico, hanno lunghezza d’onda simile a distanze
interatomiche nei cristalli
• Raggi Gamma: 10-14
m<λ<10-10
m, emessi da nuclei radioattivi, alto
potere penetrante, molto pericolosi

12. 12
FENOMENO DELLA VISIONE
Determinato da fattori oggettivi:
Intensità della radiazione incidente nell’occhio
e soggettivi:
Sensibilità dell’occhio alle radiazioni visibili CAPACITA’ VISIVE
La radiazione visiva incide sulla CORNEA (membrana
trasparente)
La lente elastica retrostante (CRISTALLINO)
modifica il raggio di curvatura mettendo a fuoco
l’immagine
Sulla retina si produce una immagine rovesciata
che viene inviata al cervello dove viene raddrizzata
Le radiazioni incidenti sulla cornea vengono rifratte
verso la RETINA dove si trovano i fotoricettori
concentrati nella FOVEA
Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

13. 13
I fotoricettori sono CONI e BASTONCELLI, 126 x
106
cellule nervose sensibili alla luce
Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10
I BASTONCELLI (120 x 106
) più numerosi e più
sensibili
Responsabili della visione notturna (SCOTOPICA)
caratterizzata da valori molto bassi dell’energia luminosa
I CONI (6 x 106
) molto meno numerosi e meno sensibili
Responsabili della visione diurna (FOTOPICA)
caratterizzata da valori molto più elevati dell’energia
luminosa
La percezione dei colori è possibile solo con la visione FOTOPICA
I CONI sono di tre tipi: ROSSI, VERDI, BLUE (colori fondamentali)
Ciascuna tipologia contiene fotopigmenti sensibili a diverse lunghezze d’onda
La ricezione dell’immagine da parte di coni e bastoncelli avviene per scomposizione chimica in
conseguenza della quale impulsi nervosi vengono inviati al cervello
I centri encefalici preposti decodificano il messaggio ricevuto interpretandolo e raddrizzando l’immagine
L’occhio umano è sensibile alla potenza radiante entrante e non all’energia come una pellicola
fotografica
Un fascio luminoso entrante su una pellicola la impressiona in funzione dell’apertura dell’obiettivo e del
tempo di esposizione (energia) al contrario l’occhio rimane costantemente allo stesso grado di sensibilità
che ha all’istante iniziale della percezione visiva

14. 14
Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10
La sensibilità dell’occhio che determina le capacità visive dell’individuo è funzione QUALITATIVA e
QUANTITATIVA della lunghezza d’onda incidente
La sensibilità QUALITATIVA consente di distinguere le tonalità cromatiche delle varie radiazioni
La sensibilità QUANTITATIVA comporta una reazione più o meno intensa alle varie lunghezze d’onda:
Per avere la stessa sensazione visiva sono necessarie potenze radianti diverse alle diverse lunghezze d’onda
La sensibilità è MASSIMA al centro dello spettro (555 nm in visione fotopica e 510 nm in visione
scotopica ) e minima ai lati
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
λ(µm)
v(λ)
0.4 0.7
0.51 0.55
Fotopica
Scotopica
VISIBILITA’ V(λ)
Massima al centro e minima ai lati serve a
misurare la capacità visiva dell’occhio
Coefficiente di VISIBILITA’
v(λ) = V(λ) /Vmax
Varia da 0 (a 380 e 780 nm) a 1 (al centro
dello spettro)

15. Sorgenti di radiazione luminosa
“Ogni corpo a temperatura T emette radiazione
elettromagnetica a diversa λ (legge di Planck)”
SorgentiSorgenti
Primarie = corpi che emettono luce
propria
Secondarie = corpi che emettono luce
riflessa

16. Corpi colpiti da radiazione luminosa
I corpi colpiti dalla radiazione luminosa si
possono comportate in maniera differente:
CorpiCorpi
Trasparenti = corpi che lasciano passare la luce al
loro interno (acqua, vetro, ..)
Opachi = corpi che fermano la luce al loro interno,
assorbendola (terra, legno, …)
Traslucidi = corpi che lasciano passare la luce ma
non permettono di distinguere gli oggetti
attraverso di essi (carta, vetro,…)

17. PROPAGAZIONE DELLA LUCE
In molti casi la propagazione è rettilinearettilinea

18. La velocità della luce
Sembra che v = ∞, propagazione istantanea (Galileo)
ROEMER (fine 1600): velocità finita anche se molto grande
(eclissi Io)
FIZEAU (fine 1800): misura v luce con un esperimento
c = 299.792.458 m/s = 3,0 108
m/s