Come vediamo. La luce: aspetti fisici. Cos è la luce? Concetti fondamentali:

Transcript

1 La luce in fisica

2 La luce: aspetti fisici Cos è la luce? Concetti fondamentali: - velocità, ampiezza, lunghezza d onda - assorbimento - riflessione -rifrazione - diffrazione - indice di rifrazione - temperatura di colore

3 La luce - richiami storici Sino al XVII secolo le idee sulla visione e sulla luce furono abbastanza confuse La luce era considerata una specie di fluido in grado di passare tra gli oggetti. Secondo molti autori, la visione era dovuta ad uno spirito visivo che passava dall osservatore all oggetto osservato.

4 La luce - richiami storici - le concezioni moderne Sir Isaac Newton ( ) Teoria corpuscolare, scomposizione della luce bianca, velocità di propagazione finita e diversa in materiali diversi, telescopio a riflessione ecc. Cristian Huygens ( ) Teoria ondulatoria, prima teoria sulla propagazione, velocità di propagazione finita (minore nel vetro), progetto e costruzione di sistemi ottici ecc.

5 La luce - richiami storici - le concezioni contemporanee James Clerk Maxwell (Edimburgo, Cambridge, 1879) Equazioni del campo elettromagnetico, la luce come campo elettromagnetico, previsione teorica delle onde radio ecc. Max Planck (Kiel, Gottinga, 1947) Radiazione di corpo nero, costante di Planck h (fondamentale nella fisica quantistica). Premio Nobel nel Albert Einstein (Ulma, Princeton, 1955) Spiegazione dell effetto effetto fotoelettrico e qualche altra cosuccia (rela- tività ristretta e generale ecc). Nobel nel 1921.

6 La luce - cos è Attualmente esistono due teorie, in un certo senso opposte ma collegate tra loro: Teoria ondulatoria Teoria corpuscolare o quantistica

7 La luce - cos è Teoria ondulatoria: La luce è una radiazione elettromagnetica formata da un campo elettrico e uno magnetico, concatenati tra loro, la cui ampiezza varia periodicamente con frequen-za altissima. Le caratteristiche di un onda elet- tromagnetica sono descritte dalle equazionidimaxwell. Nel vuoto, la velocità di pro- Relazione tra la componente pagazione c è costante, pari a elettrica e magnetica in un onda circa km/s. Equazioni di Maxwell nella forma integrale semplificata di Heavyside-Gibbs

8 La luce - cos è Teoria ondulatoria: Tutte le onde elettromagnetiche hanno le stesse caratteristiche: l unico parametro che le differenzia è la frequenza di oscillazione. Altri esempi di radiazione elettromagnetica - onde radio - raggi infrarossi - raggi X e gamma Relazione tra la componente elettrica e magnetica in un onda

9 La luce - cos è Teoria quantistica: La luce (e ogni altra radiazione elettromagnetica) è formata da una serie di entità discrete, detti quanti (o, nel caso specifico, fotoni). Nel vuoto, la velocità di propagazione c è costante e pari a circa km/s. Il fotone non è una particella materiale (come immaginavai Newton), ma un entità imprecisa, descrivibile come una nuvola di probabilità, che, in determinate circostanze, si comporta come un onda e in altre come una particella solida. Il legame tra le due forme è stabilito dalla costante di Planck. h

10 La luce - cos è Nella nostra trattazione utilizzeremo l uno o l altro dei modelli, secondo necessità.

11 La luce - spettro elettromagnetico

12 La luce - qualche definizione

13 La luce La velocità di propagazione della luce (e di qualsiasi altra onda elettromagnetica) è di circa km al secondo nel vuoto. La velocità della luce nel vuoto è, in base alla Relatività, una costante universale (simboleggiata dalla lettera c), e non può essere superata. All interno della materia, questa velocità si riduce (per cui è possibile trovare particelle più veloci della luce all interno della materia). Si definisce indice di rifrazione di un materiale il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel materiale stesso.

14 La luce e la materia Quando un onda incontra un ostacolo (in altre parole una zona nella quale si ha un cambiamento più o meno repentino della velocità - differente indice di rifrazione) si possono osservare alcuni fenomeni: assorbimento rifrazione riflessione diffrazione

15 La luce e la materia - assorbimento ostacolo onda incidente Assorbimento: L energia dell onda è parzialmente o totalmente assorbita dall ostacolo. l Al limitei l onda cessa di esistere.

16 La luce e la materia - assorbimento L energia dell onda, ceduta all ostacolo ostacolo, si trasforma in calore (questo accade con qualsiasi tipo d onda, anche non elettromagnetica). ltt ti ( avreste mai immaginato che per far bollire l acqua della pasta potesse essere sufficiente cantarci sopra con abbastanza impegno?)

17 La luce e la materia - riflessione Riflessione: L onda è rinviata i nel mezzo dal quale proveniva.

18 La luce e la materia - rifrazione Rifrazione: L if i i ifi d d tt La rifrazione si verifica quando un onda attraversa l interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocità differente.

19 La luce e la materia - rifrazione Velocità minore nel vetro vetro Rifrazione: aria La rifrazione i si verifica quando un onda attraversa l interfaccia tra mezzi nei quali si propaga con velocità differente.

20 La luce e la materia - rifrazione Gli indici di rifrazione cambiano con la lunghezza d onda della luce incidente, per cui luci di colore diverso saranno deviate di angoli diversi. Questo permette di scomporre la luce bianca nelle sue componenti aria mediante un prisma e produce l arcobaleno, ma crea anche una aberrazione (difetto) dei sistemi ottici (p.e. obiettivi) detta aber-razione cromatica. vetro

21 La luce e la materia - diffrazione Diffrazione: Bordi e fenditure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d onda Bordi e fenditure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d onda della radiazione incidente si comportano come nuove sorgenti puntiformi.

22 La luce e la materia - diffrazione

23 La luce - colore (dal punto di vista del fisico) Anche se non esiste una relazione diretta e semplice, il colore che noi percepiamo dipende dalla lunghezza d onda della luce. 700 nm 400 nm Le lunghezze d onda più lunghe daranno la sensazione del rosso. Luci di breve lunghezza d onda daranno quella del blu-violetto.

24 La luce - colore (dal punto di vista del fisico) bianco: tutte le lunghezze d onda sono riflesse verde: sono assorbite le lunghezze d onda estreme dello spettro arancio: sono assorbite le lunghezze d onda più brevi nero: tutte le lunghezze d onda sono assorbite Un oggetto opaco ci appare colorato poiché la sua superficie assorbe alcune componenti della luce che lo raggiunge, riflettendo più o meno intensamente le altre.