NATURA DELLA LUCE. 1/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

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1 NATURA DELLA LUCE Nel corso del tempo diverse sono state le teorie formulate per spiegare la luce ed il suo comportamento. La teoria corpuscolare, messa a punto da Newton, è basata sull'ipotesi che la luce è costituita da particelle estremamente piccole, emesse dai corpi luminosi, soggette alle leggi della meccanica. La teoria ondulatoria, dovuta a Huygens, spiega i fenomeni luminosi interpretandoli sotto l ipotesi di una natura ondulatoria, ossia che la luce è un'onda che si propaga in un mezzo. In apparente assenza di questo mezzo si assume l'esistenza dell' "etere". La teoria elettromagnetica, formulata da Maxwell, sostiene che le onde luminose, già ipotizzate da Huygens, sono elettromagnetiche e non necessitano di un mezzo trasmissivo. Secondo questa teoria, ancora oggi largamente utilizzata, la luce è una parte dello spettro elettromagnetico. La teoria quantistica, dovuta a Planck ed Einstein, ipotizza che l emissione e l assorbimento della luce avviene mediante "pacchetti d onda" con energia e durata ben definiti, chiamati quanti di luce o fotoni. Nella maggioranza dei casi il comportamento della luce è quello tipico elettromagnetico ma in certi fenomeni le proprietà corpuscolari dei fotoni risultano predominanti. Questo è noto come dualismo onda-corpuscolo. La teoria elettromagnetica e quella quantistica sono in perfetto accordo se si ipotizza che l'ampiezza di un campo (elettrico o magnetico) in un certo punto ed in un certo istante è proporzionale alla probabilità (funzione d'onda) di trovarvi un fotone. Spettro elettromagnetico La figura 1 riporta lo spettro elettromagnetico sia con riferimento alla lunghezza d onda sia alla frequenza. Il campo di interesse della Fotonica, detto campo ottico, è quello compreso fra l'ultravioletto ed il lontano infrarosso. Si osservi che il campo del visibile occupa una porzione molto limitata del campo ottico. Spesso, anche se impropriamente, si parla di "luce" anche quando l'onda elettromagnetica non è visibile ma compresa nell'intervallo sopra indicato. Velocità della luce ed indice di rifrazione La lunghezza d'onda nel vuoto λ 0 e la frequenza ν sono legate dalla velocità della luce nel vuoto c: λ o ν = c (1) 1/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

2 Si osserva sperimentalmente, e lo si può dimostrare, che quando la propagazione della luce avviene in un materiale diverso dal vuoto, comunemente chiamato mezzo, la velocità diminuisce. Fig. 1 Si definisce indice di rifrazione, e si indica con n, il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità nel mezzo: n = c / v Pertanto quando la propagazione avviene in un mezzo di indice di rifrazione n la (1) diventa: λ n ν = c / n (2) e dal rapporto fra le (2) e (1): λ n = λ o / n 2/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

3 ossia la lunghezza d onda diminuisce quando la luce viaggia in un mezzo diverso dal vuoto, essendo i mezzi dielettrici caratterizzati da un indice di rifrazione maggiore di 1. La tabella 1 riporta gli indici di rifrazione (nel campo del visibile) di alcuni materiali. Materiale n Materiale n aria 1,0003 cloruro di sodio 1,54 acqua 1,33 vetro "flint leggero" 1,57 alcol metilico (metanolo) 1,33 bisolfuro di carbonio 1,62 alcol etilico (etanolo) 1,36 vetro "flint medio" 1,63 fluoruro di magnesio 1,38 vetro "flint denso" 1,66 quarzo fuso 1,46 zaffiro 1,77 vetro pyrex 1,47 vetro "flint molto denso" 1,73 benzene 1,50 vetro "flint estremamente denso" 1,89 dimetilbenzene (xilene) 1,50 solfuro di zinco (film sottile) 2,3 vetro "crown" 1,52 biossido di titanio (film sottile) 2,4 2,9 balsamo del Canada (cemento ottico) 1,53 Tab. 1 Dispersione L indice di rifrazione varia lentamente (se non si verificano fenomeni risonanti) al variare della lunghezza d onda, come per esempio riportato in Figura 3 per tre differenti tipi di vetro. Questo fenomeno prende il nome di dispersione. Fig. 3 Per la maggior parte dei mezzi trasparenti e non colorati vale una relazione del tipo: 3/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

4 b n( λ ) = a +, 2 λ con a e b coefficienti opportuni che dipendono dal materiale. Energia del fotone Per la teoria quantistica, l energia associata al singolo fotone è: 25 6 hc 1, ,24 10 E = hν = = [ J] = [ ev] λ λ 0 0 λ0 nell'ipotesi che λ 0 sia espresso in metri e noto che: h (costante di Planck ) 6, J s, c (velocità della luce nel vuoto) m/s, 1 ev 1, J Coerenza temporale e spaziale Si definisce coerenza temporale l'intervallo di tempo medio nel quale è probabile che un'onda non subisce un cambiamento di fase casuale. In questo intervallo di tempo l'onda percorre un certo cammino, detto di coerenza spaziale. Entro il campo di coerenza spaziale è possibile stabilire una relazione di fase fra onde in punti differenti in un certo istante. Viceversa, entro il campo di coerenza temporale è possibile stabilire una relazione di fase fra onde in un certo punto in tempi differenti. La coerenza spaziale della luce generata dagli oscillatori ottici (laser) può raggiungere parecchie decine di metri, contrariamente a quanto avviene per la luce generata dalle sorgenti convenzionali. La coerenza spazio-temporale finita giustifica la limitazione dei fenomeni di interferenza. 4/4 - NATURA DELLA LUCE - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-rev_10/11) Pubblicato in

5 RETICOLO DI DIFFRAZIONE

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9 MONOCROMATORE

10 Optical Activity

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